沈阳理工大学课程设计
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
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目录
1 绪论 ································· 1
1.1 背景 ······························ 1 1.2 直流调速系统的方案设计 ····················· 1
1.2.1 设计已知参数 ······················· 1 1.2.2 设计指标 ························· 2 1.2.3 现行方案的讨论与比较 ··················· 2 1.2.4 选择PWM控制系统的理由 ·················· 2 1.2.5 选择IGBT的H桥型主电路的理由 ··············· 3 1.2.6 采用转速电流双闭环的理由 ················· 3
2 直流脉宽调速系统主电路设计 ······················ 4
2.1 主电路结构设计 ························· 4
2.1.1 PWM变换器介绍 ······················· 4 2.1.2 泵升电路 ························· 7 2.2 参数设计 ···························· 8
2.2.1 IGBT管的参数 ······················· 8 2.2.2 缓冲电路参数 ······················· 8 2.2.3 泵升电路参数 ······················· 9
3 直流脉宽调速系统控制电路设计 ····················· 9 3.1 PWM信号发生器 ························· 9 3.2 转速、电流双闭环设计 ······················ 9
3.2.1 电流调节器设计 ····················· 11 3.2.2 转速调节器设计 ····················· 13
4 系统调试 ······························ 18
4.1 系统结构框图 ························· 18 4.2 系统单元调试 ························· 18
4.2.1 基本调速 ························ 18 4.2.2 转速反馈调节器、电流反馈调节器的整定 ·········· 19 4.3 实验结果 ··························· 19 4.3.1 开环机械特性测试 ···················· 4.3.2 闭环系统调试及闭环静特性测定 ··············
4.3.3 实验测试波形图 ····················· 5 总结 ································ 参考文献 ······························· 附录A ·································
A.1 晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定 ············
19 21 22 25 26 27 27
I
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直流脉宽（PWM）调速系统设计与研究——主电
路设计
1 绪论
1.1 背景
在现代科学技术革命过程中，电气自动化在20世纪的后四十年曾进行了两次重大的技术更新。一次是元器件的更新，即以大功率半导体器件晶闸管取代传统的变流机组，以线形组件运算放大器取代电磁放大器件。后一次技术更新主要是把现代控制理论和计算机技术用于电气工程，控制器由模拟式进入了数字式。在前一次技术更新中，电气系统的动态设计仍采用经典控制理论的方法。而后一次技术更新是设计思想和理论概念上的一个飞跃和质变，电气系统的结构和性能亦随之改观。在整个电气自动化系统中，电力拖动及调速系统是其中的核心部分。
现代的电力拖动控制系统都是由惯性很小的晶闸管、电力晶体管或其他电力电子器件以及集成电路调节器等组成的。经过合理的简化处理，整个系统一般都可以用低阶近似。而以运算放大器为核心的有源校正网络（调节器），和由 R、C等元件构成的无源校正网络相比,又可以实现更为精确的比例、微分、积分控制规律,于是就有可能将各种各样的控制系统简化和近似成少数典型的低阶系统结构。
目前，随着大功率电力电子器件的迅速发展，交流变频调速技术已日臻成熟并日渐成为实际应用的主流，但这并不意味着传统的直流调速技术已经完全退出了实际应用的舞台。相反，近几年交流变频调速在控制精度的提高上遇到了瓶颈，于是直流调速的优势就显现了出来。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。譬如在对控制精度有较高要求的造纸，转台，轮机定位等系统中仍离不开直流调速装置，因此加强对直流调速系统的研究还是很有必要的。
1.2 直流调速系统的方案设计
1.2.1 设计已知参数
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1、拖动设备：直流电动机： PN?185W UN?220V IN?1.1A n?1600r/minN，过载倍数??1.5。
2、负载：直流发电机：PN?100W UN?220V IN?0.5A n?1500r/minN 3、机组：转动惯量GD2?0.065Nm2
1.2.2 设计指标
1、D＝４，稳态时无静差。
2、稳态转速n=1500r/min, 负载电流0.8A。
3、电流超调量?i?10%，空载起动到稳态转速时的转速超调量?n?10%。
1.2.3 现行方案的讨论与比较
直流电动机的调速方法有三种：调节电枢供电电压U、改变电动机主磁通?、改变电枢回路电阻R。
改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。
改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有三种：旋转变流机组、静止可控整流器、直流斩波器或脉宽调制变换器。
由于旋转变流机组缺点太多，采用汞弧整流器和闸流管这样的静止变流装置来代替旋转变流机组，形成所谓的离子拖动系统。离子拖动系统克服旋转变流机组的许多缺点，而且缩短了响应时间。目前，采用晶闸管整流供电的直流电动机调速系统已经成为直流调速系统的主要形式。
由于以上种种原因，所以选择了脉宽调制变换器进行改变电枢电压的直流调速系统。
1.2.4 选择PWM控制系统的理由
SG3525是一种性能优良，功能全，通用性强的单片集成PWM控制器。由于它简单、可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试，故获得广泛使用。
PWM系统在很多方面具有较大的优越性 ：
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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。
变频调速很快为广大电动机用户所接受，成为了一种最受欢迎的调速方法，在一些中小容量的动态高性能系统中更是已经完全取代了其他调速方式。由此可见，变频调速是非常值得自动化工作者去研究的。在变频调速方式中，PWM调速方式尤为大家所重视，这是我们选取它作为研究对象的重要原因。
1.2.5 选择IGBT的H桥型主电路的理由
IGBT的优点：
1)IGBT的开关速度高，开关损耗小。
2)在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。
3)IGBT的通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。 4)IGBT的输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。
5)与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时可保持开关频率高的特点。
在众多PWM变换器实现方法中，又以H型PWM变换器更为多见。这种电路具备电流连续、电动机四象限运行、无摩擦死区、低速平稳性好等优点。本次设计以H型PWM直流控制器为主要研究对象。
1.2.6 采用转速电流双闭环的理由
同开环控制系统相比，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。由于闭环系统的这些优点因此选用闭环系统。
单闭环速度反馈调速系统，采用PI控制器时，可以保证系统稳态速度误差为零。但是如果对系统的动态性能要求较高，如果要求快速起制动，突加负载动态速降小等，单闭环系统就难以满足要求。
在要求较高的调速系统中，一般有两个基本要求：一是能够快速启动制动；二是能够快速克服负载、电网等干扰。通过分析发现，如果要求快速起动，必须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
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