武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书
目 录
1设计任务与要求 .................................................... 1
1.1初始条件 ................................................... 1 1.2设计任务 ................................................... 1 2 设计分析.......................................................... 1 3系统设计及参数计算 ................................................ 2
3.1系统总体设计 ............................................... 2 3．1.1 H型双极式PWM原理 .................................... 2 3．1.2双闭环调速系统结构图 .................................. 4 3．1.3双闭环调速系统启动过程分析 ............................ 5 3.2电流调节器设计及参数计算 ................................... 7 3.3转速调节器设计及参数计算 ................................... 9 4 Matlab仿真验证 .................................................. 12
4.1 空载至额定转速仿真分析 .................................... 12 4.2 稳定运行时磁场突然减半仿真分析 ............................ 12 5心得及体会 ....................................................... 15 参考文献........................................................... 16
武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书
PWM脉宽直流调速系统设计及
matlab仿真验证
1设计任务与要求
1.1初始条件
转速、电流双闭环控制的H型双极式PWM直流调速系统，已知，直流电动机：允许过载倍数?Unom?48V,Inom?3.7A,nnom?200r/min，
TL?0.015S，Tm?0.2S?2；时间常数：
；PWM环节的放大倍数：KS?4.8；电枢回路总电阻：
R?3?**?Uim?10V。 ，电枢电阻Ra?2?；调节器输入输出电压：Unm1.2设计任务
⑴稳态指标：在负载和电网电压的扰动下稳态无静差；
⑵动态指标：电流超调量?i?5%，空载启动到额定转速时的转速超调量
?n?20%；
⑶控制电路的设计：包括系统参数的选取[（给定环节及反馈环节的滤波时间数
Ton、Toi）、 TS]；电流环的设计（电流环固有部分传函、选择电流调节器结构
和参数、校验近似条件）；速度环的设计（速度结构图、速度调节器结构和参数、校验近似条件）；
⑷采用Matlab对双闭环系统进行仿真，绘制直流调速系统（Id?n）稳定运行时磁场突然减半仿真框图，仿真得出起动转速，起动电流，直流电压Ud，ASR、ACR输出电压的波形，并对结果进行分析；
⑸书写设计报告书（系统原理图、稳态结构图和动态结构图、确定的参数及设计步骤）。
2 设计分析
直流双闭环调速系统调节器包括转速调节器（ASR）和电流调节器（ACR）,从而分别引入了转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行串级连接。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控
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制电力电子变换器UPE。电流环称为内环，转速环称为外环。其中转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压Un*变化，稳态时可减小转速误差，同时可以对负载变化起抗扰作用，其输出限幅电压决定了电流给定的最大值；电流调节器作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压Ui*（即外环调节器的输出量）变化，同时对电网电压的波动起及时抗扰作用，在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程，并在电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起到自动保护与恢复的作用。根据设计要求，系统要求稳态无误差，故选用带限幅作用的PI调节器。系统原理图如图2-1所示。
图2-1 双闭环调速系统原理图
3系统设计及参数计算
3.1系统总体设计
3．1.1 H型双极式PWM原理
系统整流装置采用脉宽调制器。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。
对于转速、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UAB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，其原理图如
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图3-1所示。H型双极性PWM变换器及其四个驱动电压波形分别如图3-2所示。
图3-1 桥式可逆PWM变换器电路
图3-2 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
t?ton时，
Ug1?Ug4??Ug2??Ug3。它们的关系是：在一个开关周期内，当0?晶体管VT1、VT4饱和导通而VT2、VT3截止，这时UAB?Us。当ton?t?T时，
VT1、VT4截止，但VT2、VT3不能立即导通，电枢电流Id经VD2、VD3续流，这时UAB?-Us。UAB在一个周期内正负相间，这是双极式
PWM变换器的特征，
其电压、电流波形上图所示。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，ton?T/2，则UAB的平均值为正，电动机正转；当正脉冲较窄
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时，则反转。如果正负脉冲相等，ton?T/2，平均输出电压为零，则电动机停止转动。
双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为 Ud?如果定义占空比??tonTtoTnUs?T-toTnU（?s2toT）-1n U s (3-1)
，电压系数??UdUs，则在双极式可逆变换器中
??2?-1 (3-2) 调速时，?的可调范围0~1，相应的??-1~1。 当??当??当??121212，?为正，电动机正转； 时，?为负，电动机反转； 时，?=0，电动机停止。
电动机停止时电枢电压不等于零，是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。
3．1.2双闭环调速系统结构图
系统稳态结构图如图3-3所示。
?RIdR*Un??Ui*??UiUcKsIdR?Ud0E?1CenUn?图3-3 双闭环调速系统稳态结构图
系统的动态结构图如图3-4所示。
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