直流脉宽调速系统毕业设计

摘要

直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。为了获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑调速，这种调速系统就称为直流脉宽调速系统。

本设计建立了基于脉宽调制的转速、电流双闭环直流调速系统的数学模型，并分析了系统的基本原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环直流脉宽调速系统的设计参数进行分析和计算。在理论分析和仿真研究的基础上，采用MATLAB 软件对直流电动机双闭环直流脉宽调速系统进行计算机仿真, 并查看仿真波形, 以此验证设计的调速系统是否可行。本文在MATLAB 环境下建立了双闭环直流脉宽调速系统模型，并对系统的性能指标进行了仿真测试，与此同时建立了一套单闭环系统进行对比测试，表明所设计的双闭环脉宽调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态和动态性能，达到了设计要求。

关键词：直流调速系统；脉宽调制；转速电流双闭环；仿真

Abstract

Being widely used in electrical transmission, DC (Direct Current) speed control system has the advantages of wide speed range, high accuracy, good dynamic performance, and it is easy to control. To achieve adjustable DC voltage, using the full controllability of the power electronic devices and pulse width modulation technology, a constant DC voltage is modulated directly into variable size and polarity, which is used as the motor armature terminal voltage to achieve smooth speed control of the system, this speed control system is known as the DC PWM (Pulse-Width-Modulation) speed control system.

A mathematical model based on speed and current double closed loop DC speed control of PWM is established in this paper and its principle, static and dynamic performance are analyzed. Then the system parameters are designed, analyzed and calculated according to the automatic control theory. Also, the speed control system of DC motor double closed loop is simulated by use of MATLAB, and the simulation waveforms are viewed in order to verify whether the design of the speed control system is feasible or not. A double closed loop DC PWM System model is established in the MATLAB environment, and the system performance is simulated and tested. At the same time, a single closed loop system is also established to carry out the comparison test, indicating that the operation of the design of double closed loop PWM System is stable and reliable and the system has a good static and dynamic performance, which can meet the design requirements.

Key Words: DC speed control system, Pulse width modulation, Speed and current double closed loop, Simulation

摘要 . .................................................................................................................................... I Abstract ..................................................................................................................................... II 目录 . ................................................................................................................................. III

1 绪论 . ....................................................................................................................................... 1

1.1 直流脉宽调速系统简介 . ............................................................................................ 1

1.2 直流脉宽调速系统的发展史 . .................................................................................... 1

1.3 采用双闭环直流调速系统的目的和意义 . ................................................................ 2

1.4 论文的主要研究内容 . ................................................................................................ 3

2 PWM 脉宽调制 ..................................................................................................................... 4

2.1 PWM 基本介绍 .......................................................................................................... 4

2.2 H 桥PWM 变换器基本原理 ..................................................................................... 4

3 转速、电流双闭环调速系统简介 . ....................................................................................... 7

3.1 双闭环调速系统原理图 . ............................................................................................ 7

3.2 双闭环调速系统稳态与动态结构图 . ........................................................................ 7

4 系统总体设计 . ..................................................................................................................... 10

4.1 系统建立 . .................................................................................................................. 10

4.2 系统参数选取 . .......................................................................................................... 10

4.2.1 PWM 变换器滞后时间常数 ......................................................................... 10

4.2.2 反馈系数的确定 . ........................................................................................... 10

4.2.3 电流调节器ACR 的参数计算 . ..................................................................... 11

4.2.4 转速调节器ASR 的参数计算 ...................................................................... 11

4.2.5 电动机参数计算 . ........................................................................................... 12

5 采用MATLAB 对系统进行仿真 ....................................................................................... 13

5.1 仿真模型的建立与设置 . .......................................................................................... 13

5.1.1 电机模块的设置 . ........................................................................................... 13

5.1.2 给定信号的建立 . ........................................................................................... 14

5.1.3 ASR 、ACR 模块的建立 . .............................................................................. 14

5.1.4 PWM 及桥式电路模块的建立 ..................................................................... 16

5.1.5 其他模块的设置 . ........................................................................................... 17

5.2 单闭环系统仿真 . ...................................................................................................... 17

5.2.1 仿真模型 . ....................................................................................................... 17

5.2.2 仿真结果 . ....................................................................................................... 17

5.3 双闭环系统仿真 . ...................................................................................................... 19

5.3.1 仿真模型 . ....................................................................................................... 19

5.3.2 仿真结果 . ....................................................................................................... 19

5.4 结果分析 . .................................................................................................................. 21

结论 . ................................................................................................................................. 23

致谢 . ................................................................................................................................. 24

参考文献 . ................................................................................................................................. 25

1 绪论

1.1 直流脉宽调速系统简介

直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速, 以满足工作机械的要求。从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点, 使电动机的稳定运转速度发生变化。

脉宽调制，是利用电力电子开关器件的导通与关断，将直流电压变成连续的直流脉冲序列，并通过控制脉冲的宽度或周期达到变压的目的。所采用的电力电子器件都为全控型器件，如电力晶体管、功率MOSFET 、IGBT 等。

为了获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑调速，这种调速系统就称为直流脉宽调速系统，简称直流PWM 调速系统。

PWM 调速系统在很多方面具有较大的优越性：

(1) PWM 调速系统主电路线路简单，需用的功率器件少；

(2) 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；

(3) 低速性能好，稳速精度高，调速范围广，可达到1:10000左右；

(4) 如果可以与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；

(5) 功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；

(6) 直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高[1]。

1.2 直流脉宽调速系统的发展史

直流传动具有良好的调速特性和转矩控制性能，在工业生产中应用较早并沿用至今。早期直流传动采用有接点控制，通过开关设备切换直流电动机电枢或磁场回路电阻实现有级调速。1930年以后出现电机放大器控制的旋转交流机组供电给直流电动机(由交流电动机M 和直流发电机G 构成，简称G －M 系统) ，以后又出现了磁放大器和汞弧整流器供电等，实现了直流传动的无接点控制。其特点是利用了直流电动机的转速与输入电压有着简单的比例关系的原理，通过调节直流发电机的励磁电流或汞弧整流器的触发相位来获得可变的直流电压供给直流电动机，从而方便地实现调速。但这种调速方法后来被晶闸管可控整流器供电的直流调速系统所取代，至今已不再使用。1957年晶闸管

问世后，采用晶闸管相控装置的可变直流电源一直在直流传动中占主导地位。由于电力电子技术与器件的进步和晶闸管系统具有的良好动态性能，使直流调速系统的快速性、可靠性和经济性不断提高，在20世纪相当长的一段时间内成为调速传动的主流。今天正在逐步推广应用的微机控制的全数字直流调速系统具有高精度、宽范围的调速控制，代表着直流电气传动的发展方向。

在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此，调速技术一直是研究的热点。

随着电力电子技术和控制技术的发展，20世纪末以交流调速为主导方向调速系统日趋完善，其性能可与直流调速系统相媲美，她的控制技术已居于世界先进水平。但由于造价较高，目前在国内应用局限性较大，在较短的时间内难以取代较为落后的直流调速。相对而言，PWM 调速系统的出现，弥补了这个空白。PWM 调速系统主电路线路简单，功率元件少，开关频率高，其控制水平从1kHz 可到达4kHz ，电机电流连续，低速性能好，谐波少，稳态精度高，脉动小，损耗和发热都较小，调速范围快，调速系统频带宽，快速响应好，动态抗扰能力强。

特别是近几年大功率CTR 、GTO 、IGBT 的相继问世，促使其生产水平已达到4500V 、2500A ，组成的PWM 变换器用来驱动上千千瓦的电动机，广泛用于交通、工矿企业等电动传动系统中，因此对PWM 调速系统的进一步研究，在调速精度要求较高的场合，对解决传统直流调速系统调速精度低、稳定性差的难题，具有广泛的意义和价值[2]。

1.3 采用双闭环直流调速系统的目的和意义

转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统, 采用转速、电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。首先，应掌握转速、电流双闭环直流调速系统的基本组成及其静特性；然后，在建立该系统动态数学模型的基础上，从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的作用；第三，研究一般调节器的工程设计方法，和经典控制理论的动态校正方法相比，得出该设计方法的优点，即计算简便、应用方便、容易掌握；第四，应用工程设计方法解决双闭环调速系统中两个调节器的设计问题，等等。

通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对

该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个生产领域[3]。

1.4 论文的主要研究内容

本文从脉宽调制器的基本原理和双闭环直流调速系统入手，建立了双闭环直流脉宽调速系统的数学模型，并详细分析了该系统的工作原理。然后按照自动控制原理，该调速环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用SIMULINK 对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。

本文的主要工作：

设计PWM 脉宽调制直流调速系统的主电路和控制环节，在MATLAB 中实现PWM 脉宽调制直流调速系统设计和仿真。主要设计任务：

(1) 了解PWM 脉宽调制技术的原理和主电路实现方案；

(2) 熟悉PWM 脉宽调制直流调速系统的结构和原理；

(3) 掌握PWM 脉宽调制直流调速系统主电路的组成，掌握PWM 脉宽调制直流调速系统控制环节的组成和工作原理；

(4) 完成PWM 脉宽调制直流调速系统设计和仿真实验。

2 PWM脉宽调制

2.1 PWM基本介绍

脉宽调制的基本原理：脉宽调制是利用电力电子开关器件的导通与关断，将直流电压变成连续的直流脉冲序列，并通过控制脉冲的宽度或周期达到变压的目的。所采用的电力电子器件都为全控型器件，如电力晶体管、功率MOSFET 、IGBT 等。

PWM 变换器调压与晶闸管相控调压相比有许多优点，如需要的滤波装置很小甚至只利用电枢电感已经足够，不需要外加滤波装置，电动机的损耗和发热较小、动态响应快、开关频率高、控制线路简单等。

为达到更好的机械特性要求，一般直流电动机都是在闭环控制下运行。经常采用的闭环系统有转速负反馈和电流截止负反馈。使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩，即最大的恒定允许电枢电流，当电枢电流保持最大允许值时，电动机以恒加速度升速至给定转速，然后电枢电流立即降至负载电流值。如果要求快速克服电网的干扰，必须对电枢电流进行调节[4]。

2.2 H桥PWM 变换器基本原理

脉宽调制器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定宽度可变的脉冲电压序列，从而改变平均输出电压的大小，以调节电机的转速。

本文采用转速、电流双闭环控制的H 型双极式PWM 直流调速系统，电动机M 两端电压U AB 的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。通过调节开关管的导通和关断时间，即占空比，可以达到对直流电机进行调速的目的。H 型双极性PWM 变换器如图2.1所示。

图2.1 桥式可逆PWM 变换器电路

双极式控制可逆PWM 变换器的四个驱动电压波形如图2.2所示。

图2.2 双极式控制可逆PWM 变换器的驱动电压、输出电压和电流波形

它们的关系是：U g1=U g4=-U g2=-U g3，在一个开关周期内，当0≤t ≤t on 时，晶体管VT1、VT4饱和导通而VT2、VT3截止，这时U AB =U S 。当t on ≤t ≤T 时，VT1、VT4截止，但VT2、VT3不能立即导通，电枢电流i d 经VD2、VD3续流，这时U AB =-U S 。在U AB 一个周期内正负相间，这是双极式PWM 变换器的特征，其电压、电流波形如图

t on ≥2.2所示。电动机的正反转体现在驱动电压正负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，T ，2

则U AB 的平均值为正，电动机正转；当正脉冲较窄时，则反转；如果正负脉冲相等，t on =T ，平均输出电压为零，则电动机停止转动。 2

双极式控制可逆PWM 变换器的输出平均电压为：

U d =t on T -t on 2t U s -=（on -1）U S T T T

如果定义占空比ρ=t on U ，电压系数γ=d ，则在双极式可逆变中： T U s

γ=2ρ-1

调速时，ρ的可调范围为0~1，相应的γ=-1~1。当ρ>1/2时，γ为正，电动机正转；当ρ

3 转速、电流双闭环调速系统简介

3.1 双闭环调速系统原理图

转速、电流反馈控制直流调速系统原理图如图3.1所示。

图3.1 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图

图3.1中，将转速调节器ASR 和电流调节器ACR 分别对转速和电流进行调节，二者之间实行串级连接。把速度调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE 。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统。为了获得良好的静、动态性能，转速调节器ASR 和电流调节器ACR 一般选择PI 调节器，两个调节器的输出都带有限幅。

3.2 双闭环调速系统稳态与动态结构图

双闭环直流调速系统的稳态结构图中，转速调节器ASR 的输出限幅值决定了电流给定的最大值，电流给定的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。分析系统静特性的关键是掌握PI 调节器的特征，PI 调节器一般存在两种状况：饱和即输出达到限幅值，不饱和即输出未达到限幅值。当调节器饱和时，就不再受输入的影响了，相当于调节器开环，调节器工作于非线性段，且输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退饱和。当调节器不饱和时，调节器工作于线性段才起调节作用，PI 调节器的作用是使输入偏差电压始终为零[6]。

实际上在正常运行时，电流调节器始终为不饱和状态，而转速调节器则处于饱和和不饱和两种状态。双闭环直流调速系统的稳态结构图如图3.2所示。

图3.2 双闭环直流调速系统的稳态结构图

双闭环直流调速系统的动态结构图如图3.3所示。

图3.3 双闭环直流调速系统的动态结构图

只要把各环节的传递函数填入双闭环直流调速系统的稳态机构图中相应的方框内，便可绘制出双闭环直流调速系统的动态结构图。在图3.3中W ASR (s )和W ACR (s )分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构图上必须把电流I d 标示出来。电机在启动过程中，转速调节器经历了不饱和、饱和、退保和三种状态，整个动态过程可分为图3.4中的三个阶段。转速、电流双闭环直流调速系统在突加阶跃给定的起动中，巧妙的运用了ASR 的饱和非线性，使系统成为一个恒流调节控制系统。双闭环直流调速系统启动过程的转速和电流波形如图3.4所示。

图3.4 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形

图3.4中所示的启动过程，阶段Ⅰ是电流上升阶段，电流从0到达最大允许值I dm ，ASR 饱和、ACR 不饱和；阶段Ⅱ时恒流升速阶段，I d 基本保持在I dm ，电动机加速到了给定值n ，ASR 饱和、ACR 不饱和；阶段Ⅲ时转速调节阶段（退饱和阶段），ASR 不饱和、ACR 不饱和。

双闭环直流调速系统的起动过程利用饱和非线性控制，获得了准时间最优控制，但却带来了转速超调[7]。

4 系统总体设计

4.1 系统建立

双闭环PWM 直流调速系统的主电路采用H 桥式电路；控制电路采用典型的转速、电流双闭环系统，转速调节器ASR 设置输出限幅。以限制最大起动电流。根据系统运行的需要，当给定电压后，ASR 输出饱和，电机以最大的允许电流起动。使得电机转速很快上升，而达到给定的速度后转速超调，ASR 退饱和，电机电枢电流下降，经过两个调节器的调节作用，使系统很快达到稳态。

有一转速、电流双闭环控制的H 形双极式PWM 直流可逆调速系统，已知电动机参数为：P N =200W，U N =48V，I N =3.7A，n N =200r/min，电枢电阻R a =6.5Ω，电枢回路总电阻为R =8Ω，允许电流过载倍数λ=2；电磁时间常数T i =0.015s，机电时间常数为T m =0.2s，电流反馈滤波时间常数T oi =0.001s，转速反馈滤波时间常数T on =0.005s。设调

**节器输入输出电压U nm =U im =10V，电力电子开关频率为f = l kHz。试对该系统进行动态

参数设计。设计指标为：稳态无静差，电流超调量δi ≤0.5%, 空载起动到额定转速时的转速超调量δn ≤20%, 过渡过程时间t s ≤0. 1s 。

4.2 系统参数选取

PWM 控制与变换器的动态数学模型和晶闸管触发与整流装置基本一致。当控制电压U c 改变时，PWM 变换器输出平均电压U d 按现行规律变化，但其响应会有延迟，最大的时延是一周开关周期T 。

4.2.1 PWM变换器滞后时间常数

PWM 装置的延迟时间T s ≤T ，变换器滞后时间常数一般选取为：

T s =1=0.001s f

其中，f 为开关器件IGBT 的频率。

4.2.2 反馈系数的确定

转速反馈系数为：

*U nm 10α===0.05V ⋅min/r n max 200

电流反馈系数为：

*U im 10β===1. 351V /A I dm 2⨯3. 7

4.2.3 电流调节器ACR 的参数计算

电流环小时间常数为：

T ∑i =T oi +T s =0.001+0.001=0.002s

电流调节器超前时间常数为：

τi =T i =0.015s

电流环开环增益：要求δi ≤5%，根据典型I 型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系可知，应取K I T ∑i =0.5，因此：

K I =

于是，ACR 的比例系数为：

K i =K I τi R 250⨯0.015⨯8==4.63 K s β4.8⨯1.3510. 50. 51 ==250-s T ∑i 0. 002

4.2.4 转速调节器ASR 的参数计算

为了加快转速的调节，转速环按典型II 型系统设计，选中频段宽度h =5。

电流环超前时间常数为：

hT ∑i =5⨯0.009=0.045s

转速环小时间常数为：

T ∑n =2T ∑i +T on =0.004+0.005=0.009s

转速环的开环增益为：

K N=h +15+1==1481.5s -2 2222h T ∑n 2⨯25⨯0.009

可得ASR 的比例系数为：

K n =(h +1) βC e T m 6⨯1.351⨯0.12⨯0.2==5.4 2h αRT ∑n 2⨯5⨯0.05⨯8⨯0.009

4.2.5 电动机参数计算

C e =U N -I N R a =0.11975 n N

I f =U f =0.2A R f

L af =30C e =1.246H πI f

其中，C e 为电动机常数，U f 、R f 分别为励磁电压和励磁电阻，U N 、R a 、I N 、n N 、I f 分别为电动机额定电压、电枢电阻、额定电流、额定转速和励磁电流[7]。

5 采用MATLAB 对系统进行仿真

5.1 仿真模型的建立与设置

转速、电流双闭环直流脉宽调速系统在MATLAB 中的仿真中，主电路由直流电动机本体模块、Universal Bridge桥式电路模块，负载和电源组成。控制电路由给定信号、转速调节器ASR 、电流调节器ACR 、PWM 发生器、滤波环节、延迟环节等组成[8]。

5.1.1 电机模块的设置

电动机采用DC Machine模块，其模型和参数如图5.1所示。

图5.1 电动机模型及参数设置

5.1.2 给定信号的建立

为了反映出此系统能够在四象限运行，给定信号从10到－10再到10，故给定信号模型采用多重信号叠加，运用了Constant 、Sum 模块组成，给定信号模型及参数设置如图5.2所示。

图5.2 给定信号模型及参数设置

5.1.3 ASR、ACR 模块的建立

ASR 、ACR 采用Discrete PI Controller模块即离散型PI 控制器模块，ASR 、ACR 模型和参数如图5.3和图5.4所示。

5.3 ASR 模型及参数参数设置

图5.4 ACR 模型及参数设置

图

5.1.4 PWM及桥式电路模块的建立

PWM 发生器采用两个Discrete PWM Generator 模块，桥式电路模块采用Universal Bridge 模块。PWM 发生器模型及封装后子系统和桥式电路模块如图5.5和图5.6所示。

图5.5 PWM 发生器模型及封装后子系统

图5.6 桥式电路模块

PWM 模块自带三角波，其幅值为1，且输入信号在-1与1之间，输入信号同三角波信号相比较，比较结果大于0时，占空比大于50%，PWM 波表现为上宽下窄，电动机正转；当比较结果小于0而大于-1时，占空比小于50%，PWM 波表现为上窄下宽，电动机反转，此模块调制波设为外设，载波频率为1kHz 。其次由于电动机运转时，H 桥对角两管触发信号一致，为此采用Select 模块，参数设置Input Type 为Vector 、 Elements 为[1 2 4 3]，使得PWM 发生器信号同H 桥对角两管触发信号相对应[8]。

桥式模块采用Universal Bridge 桥式模块，其参数设置为：整流桥臂数为2，电力电子装置为MOSFET/Diodes，其他参数为模型默认值。

5.1.5 其他模块的设置

由于ACR 输出的数值在-10～10之间，为使ACR 输出的数值同PWM 发生器输入信号相对应，在ASR 输出端加了一个Gain 模块，参数为0.1。这样，当ASR 输出限幅1时，PWM 输入端PWM 发生器为l ，占空比为1；当ASR 输出限幅为-10时，PWM 输入端为-1，占空比为0。

PWM 发生器的载波频率为1kHz ，其直流电源参数为48V 。由于电动机输出信号时角速度ω，须将其转化成转速(n =60ω/2π) 。

5.2 单闭环系统仿真

为了更好的与双闭环PWM 调速系统进行对比，了解双闭环PWM 调速系统的优越性，为此本文先进行单闭环PWM 调速系统的定性仿真。

主电路由直流电动机本体模块，Universal Bridge桥式电路模块、负载模块、电源模块组成。电动机本体模块参数为默认值。电源参数为220V ，励磁电源为220V ，负载为50。

控制电路由转速调节器ASR 、PWM 发生器、转速反馈和给定信号等组成。PWM 模块载波频率为1080 kHz ，反馈系数为0.1，给定信号开始为10，在2s 时给定信号变为-10。

系统仿真参数设置：仿真中所选择的算法为ode23tb ，Start 设为0，Stop 设为5s 。

5.2.1 仿真模型

单闭环直流脉宽可逆调速系统仿真模型如图5.7所示。

5.2.2 仿真结果

单闭环直流脉宽调速系统转速和电流曲线如图5.8和图5.9所示。

图5.7 单闭环直流脉宽可逆调速系统仿真模型

图5.8 单闭环直流脉宽可逆调速系统转速曲线图

图5.9 单闭环直流脉宽可逆调速系统电流曲线图

5.3 双闭环系统仿真

5.3.1 仿真模型

双闭环PWM 直流调速系统的定量仿真模型如图5.10所示。在双闭环PWM 直流调速系统模型中把工程设计方法得到的调节器参数运用到了仿真模型中。

双闭环PWM 直流调速系统与单闭环PWM 直流调速系统的主电路相同，由给定模块，直流电动机本体模块、Universal Bridge桥式电路模块、负载模块、电源模块组成。只是负载转矩参数设置为0，直流电源参数设置为48V 。桥式电路模块参数设置为：桥臂数为2，电力电子装置设为MOSFET/Diodes，其他参数为默认值。控制电路由滤波环节、延迟环节、反馈环节等组成，并根据工程设计方法得到的调节器参数应用到各个模块。

系统仿真参数设置：仿真中所选择的算法为ode23tb ，Start 设为0，Stop 设为12s 。

5.3.2 仿真结果

双闭环PWM 调速系统转速和电流曲线如图5.11和图5.12所示。

图5.10 双闭环直流脉宽可逆调速系统仿真模型

图5.11 双闭环PWM 直流调速系统转速曲线图

图5.12 双闭环PWM 直流调速系统电流曲线图

5.4 结果分析

从仿真结果可以看出，在单闭环直流脉宽可逆调速系统性能要好于晶闸管控制的调速系统，表现为转速上升快，动态响应较快，开始起动阶段，功率器件处于全开状态，电流波动不大。但当转速达到稳态时，电力电子开关频率较高，电流呈脉动形式。

在双闭环直流脉宽可逆调速系统中，当给定信号为10V 时，在电动机启动过程中，电流调节器作用下的电动机电枢电流接近最大值，使得电动机以最优时间准则开始上升，最高转速236r/min，稳态时转速为200r/min；给定信号变成-10V 时，电动机从电动状态变成制动状态，当转速为零时，电动机开始反向运转，说明仿真模型及参数设置的正确性。

结论

本设计首先介绍了直流调速系统的基本知识，包括直流脉宽调速系统的发展史、双闭环调速系统的优缺点，并重点讲了直流脉宽调速系统的基本原理及双闭环系统的基本原理。并进一步介绍了直流PWM 调速系统中H 桥式PWM 变换器的基本工作原理。使其在本文下一步设计并仿真双闭环PWM 调速系统做理论基础。然后设计了双闭环PWM 调速系统，并依据工程设计方法进行了参数计算。最后根据工程设计方法得到的数据进行了MATLAB 中的建模仿真，包括单闭环的定性仿真与双闭环的定量仿真。最后分析了结果证明系统仿真模型与参数设计的正确性，具体的说有以下结论：

(1) 直流脉宽调速系统由于具有很多优点，其优越性使脉宽调速系统的应用日益广泛，特别是在中、小容量的高动态性能系统中的应用；

(2) 开环调速系统只能试用于调速精度和调速范围要求低的场合，如果对调速系统的静态性能指标要求较高则必须减小静态速降，采用闭环控制是其有效途径之一；

(3) 如果对系统要求快速起制动、突加负载动态速降小、抗干扰能力强等，单闭环系统就难以满足要求，这就需要双闭环调速系统，双闭环系统具有比较满意的动态性能；

(4) 在进行工程设计设计时先选择调节器的结构，再选择调节器的参数，由于典型系统的参数与性能指标的关系都以找到，故具体选择参数时只要按照现成的公式进行计算就可以了，大大减少了设计工作量，而且经过实际调试，一般都能达到预期目的；

(5) 双极式控制桥式可逆变换器比单级式变换器有更好的静、动态性能但开关损耗大，而且有可能发生直通事故，因此应设置逻辑延时。

致谢

本设计的工作是在张斌老师的悉心指导下完成的，张斌老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢张斌老师对我的关心和指导。

毕业设计是学生在校期间最后一个重要的综合性实践环节，是学生全面运用所学基础理论、专业知识基本技能，对实际问题进行设计和研究的综合训练。正是有了这次设计，让我在大学四年的最后一个学期过的丰富而又充实，我应该拿出作毕业设计的这份精神和态度去面对以后工作中所面临的难题，为以后的发展打下坚实的基础。

在撰写毕业设计期间，廖小猛、任培勇等同学对我设计工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。

参考文献

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