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——PWM直流调速系统的动态建模与仿真
学院：电气与控制工程学院
班级：自动化1104班
姓名：钟传琦
学号：1106050430
日期： 2014年6月27日
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一、课程设计的目的及任务
《运动控制系统》是自动化专业的一门主干专业课程，在该课程学习结束后单独安排了1周的控制系统仿真课程设计。其目的是要求学生针对某个电机控制系统功能模块或整个控制系统进行设计与实现，使学生能进一步加深对课堂教学内容的理解，了解典型的电机控制系统基本控制原理和结构，掌握基本的调试方法，提高综合应用知识的能力、分析解决问题的能力和工程实践能力，并初步培养实事求是的工作作风和撰写科研总结报告的能力。
二、课程设计的基本要求
《运动控制系统》被控对象是交、直流电动机，能量转换是由电力电子器件构成的变换器，微机构成控制器。因此控制系统仿真课程设计学生应掌握以下基本内容：
（1）交、直流电动机；
（2）电力电子变换器；
（3）微机控制器；
（4）转速、电流等检测电路；
（5）输入输出转换电路、调理电路和功放电路等。
三．课程设计的内容及基本要求
1．设计题目
1) 开环直流调速系统的动态建模与仿真
2) 单闭环有静差转速负反馈调速系统的动态建模与仿真
3) 单闭环无静差转速负反馈调速系统的动态建模与仿真
4) 带电流截止转速负反馈的单闭环调速系统的动态建模与仿真
5) 单闭环电压负反馈调速系统的动态建模与仿真
6) 双闭环直流调速系统的动态建模与仿真
7) 有环流可逆直流调速系统的动态建模与仿真
8) 逻辑无环流可逆直流调速系统的动态建模与仿真
9)三相异步电动机数学模型的建立
10) PWM直流调速系统的动态建模与仿真
本文所选题目为：10) PWM直流调速系统的动态建模与仿真。
2．设计内容
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（1）设计系统各单元电路和主控电路；
（2）分析并测定系统各环节的输入输出特性及其参数，调试各单元电路；
（3）系统性能分析与程序设计；
（4）系统校正，修正系统静、动态性能。
3．设计要求
（1）初步掌握控制系统的分析和设计的基本方法。包括设计任务，进行设计题目的方案论证。通过调查研究、设计计算，确定方案，写出总结报告。
（2）培养一定的自学能力和独立分析问题、解决问题的能力。包括学会自己分析解决问题的方法，对设计中遇到的问题，能通过独立思考、查阅工具书、参考文献，寻找答案。
（3）通过严格的科学训练和工程设计实践，逐步树立严肃认真、一丝不苟、实事求是的科学作风，并培养学生在实际工作中应具有的生产观点，经济观点和全局观点。
4. 控制对象参数
直流调速系统的基本数据如下:晶闸管三相桥式全控整流电路供电的双闭环直流调速系统,直流电动机:220V,136A,1460r/min,电枢电阻Ra=,允许过载倍数λ=;电枢回路总电阻:R=,电枢回路总电感:L= 15mH,电动机轴上的总飞轮力矩:GD2= ·m2,晶闸管装置:放大系数Ks=40,电流反馈系数:β=,转速反馈系数:α=,滤波时间常数:Toi= ,Ton=。
四．PWM直流调速系统简介
可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路，如图1所示，电动机M两端电压的极性随全控型电力电子器件的开关状态而改变。
双极式控制可逆PWM变换器的四个驱动电压的关系是：。在一个开关周期内，当0t<时，，电枢电流id沿回路1流通；当t<T时，驱动电压反号，id沿回路2经二极管续流，。因此，在一个周期内具有正负相间的脉冲波形，这是双极式名
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称的由来。
2 PWM 发生器的matlab建模
直流脉宽调速系统仿真的关键是PWM 发生器的建模。从双闭环调速系统的动态结构框图可知， 电流调节器ACR 输出最大限幅时，H 桥的占空比为1。对于PWM 发生器， 采用两个Discrete PWM Generator 模块。由于此模块中自带三角波，其幅值为1，且输入信号应在-1 与1 之间，将输入信号同三角波信号相比较， 当比较结果大于0时， 占空比大于50 %，PWM 波表现为上宽下窄，电机正转；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， 电机反转。Discrete PWM Generator 模块的参数设置为：调制波为外设，载波频率根据电力电子开关频率确定。其次，由于电机运转时，H 桥应与对角两管触发信号一致，为此采用Selector 模块（路径为：Simulink/Signal Routing/Selector），其参数设置为：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。PWM 发生器模型及封装后子系统如图2所示：
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发生器模型及封装后子系统
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， 。这样，当ASR 输出限幅10 时，PWM 输入端为1， 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。
五．Matlab仿真设计
开环PWM可逆直流调速系统仿真模型如图3所示。
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（1）当给定值为5时，PWM发生器波形、桥式电路输出电压波形、以及直流电机转速、电枢电流、励磁电流和电磁转矩波形分别如下：
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、电枢电流、励磁电流和电磁转矩波形
（2）当给定值为0时，PWM发生器波形、桥式电路输出电压波形、以及直流电机转速、电枢电流、励磁电流和电磁转矩波形分别如下：
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、电枢电流、励磁电流和电磁转矩波形
仿真结果分析
PWM发生器产生脉冲宽度可调、频率一定的方波。其中波1、4相同，2、3相同，切两种波形互补，从而驱动H桥式可逆PWM电路。在PWM波驱动下桥式电路产生脉冲电压，从而给直流电机供电。
当给定为5时，，，平均电压为110V，电机转速应为额定空载转速的一半。
当给定为0时，，，电机稳态转速为0。
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当给定为负时，PWM发生器输出占空比为0--1，PWM变换器输出占空比0-，平均电压小于0V，电机反转。
图6、9为直流电机在空载时的启动响应曲线。需要说明的是由于想使PWM观察更明显，故将PWM频率设置较小，仅为200Hz，所以转速、电枢电流、电磁转矩的脉动比较大，但并不失仿真的一般性，而且原理更为清楚。
单闭环PWM可逆直流调速系统仿真模型
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当给定值为7时，PWM发生器波形、桥式电路输出电压波形、以及直流电机转速、电枢电流、励磁电流和电磁转矩波形分别如下：
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