武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书
Ug1ton它们的关系是： ? U g 4 ? ? U g 2 ? ? U g 3。在一个开关周期内，当 0 ? t ? 时，晶体管
VT1、VT4饱和导通而VT2、VT3截止，这时 U AB ? 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 U AB ? -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、电流波形如图2-6所
Tt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， on ? ，则UAB2Tton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， ? ，平
2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：
tonT-ton2tonUd?Us??（-1）UsTTT(1)
UdtonT1调速时，?的可调范围为0~1，相应的??-1~1。当 ? ? 时，?为正，电动机正转；当
211 ? ? 时，?为负，电动机反转；当 ? ? 时，?=0，电动机停止。但是电动机停止时电
22? 2 如果定义占空比 ? ? ，电压系数 ? ? ，则在双极式可逆变换器中 ? ? -1 (2)
Us枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。
3 系统参数的选取
3.1 PWM变换器滞后时间常数Ts
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
Uc改变时，PWM变换器输出平均电压Ud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。
PWM装置的延迟时间Ts?T，一般选取
1 T s ? =0.001s (3)
f 其中，f------开关器件IGBT的频率。
3.2 电流滤波时间常数和转速滤波时间常数
PWM变换器电流滤波时间常数的选择与晶闸管控制电路有所区别，这里选择电流
0.001s滤波时间常数： Toi ? 1 ms ? (4) 根据所有发电机纹波情况，取Ton?0.005s
3.3 反馈系数的确定
转速反馈系数：
U*10??nm??0.056V?min/rnmax1806
(5)
武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书
电流反馈系数：
U*10??im??1.35V/AIdm2?3.7
(6)
4 电流调节器ACR的设计
4.1 电流环小时间常数计算
按小时间按常数近似处理，T?i取T?i?Toi?Ts?0.001?0.001?0.002s (7)
4.2 电流调节器结构选择
根据设计要求?i?5%，并保证稳态时在电网电压的扰动下系统无静差，可以按典型?型系统设计电流调节器，电流环控制对象是双惯性的，因此可以采用PI调节器，其传递函数：
?（）i?is?1 ?is(8)
Tl0.015??7.5检查对电源电压的抗扰性能： ，分析可知，各项指标都是可以接受的。 T?i0.002WACR（s）?4.3 电流调节器参数计算
电流调节器超前时间常数：?i?Tl?0.015s。
电流环开环增益：要求?i?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KIT?i?0.5，因此
KI?0.50.5??250s?1 (9) T?i0.002于是，ACR的比例系数为：
?i??I?iR250?0.015?2??1.157?s?4.8?1.35(10)
4.4 校验近似条件
电流环截止频率：?ci??I?250s?1 （1）PWM变换装置传递函数的近似条件：
11??333.3s?1??ci (11) 3Ts3?0.001满足近似条件。
（2）校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：
311?3??54.7s?1??ci (12) TmTl0.2?0.015 7
武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书
满足近似条件。
（3）电流环小时间常数近似处理条件： 1111??333.3s?1??ci (13)
3TsToi30.001?0.001满足近似条件。
4.5 调节器电容和电阻值计算
按所用运算放大器取R0?20k?，各个电阻和电容值的计算如下：
Ri?KiR0?1.563?20?31.26k? 取40k?
Cii??R?0.01540?103?0.37?F 取0.37?F iC4ToiR?4?0.001oi?3?0.2?F 取0.2?F 020?10PI型电流调节器原理图如图4-1所示。
图4-1 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器
由以上计算可得电流调节器传递函数为：
W(0.015s?1)ACR（s）?Ki(?is?1)1.563??.015s is0校正成典型I型系统的电流环动态结构图如图4-2所示。
图4-2 电流环的动态结构图
8
(14)
武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书
5 速度调节器ASR设计
5.1 时间常数的设定
在电流调节器的设计中为了达到电流超调的要求（?i?5%），KIT?i?0.5，所以电流
1环等效时间常数 为：
KI1(15) ?2??i?2?0.002?0.004sKI 速度环小时间常数??n。按小时间常数处理处理，取
1(16) ??n???on?0.004?0.005?0.009s?I5.2 速度调节器结构选择
为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中。现在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此速度环开环调节器应该有两个积分环节，所以应该设计成典型II型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为：
WASR（s）?Kn(?ns?1) (17)
?ns5.3 速度调节器参数计算
电动机的电动势常数为：
?n?h??n?5?0.009?0.045s (18)
按跟随性和抗扰性好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为：
U-IR48-3.7?2Ce?nomnoma??0.203V?min/rnnom200 速度环的开环增益为：
h?15?1???22??1481.1s?222h??n2?25?0.009于是可得ASR的比例系数为：
?n?(h?1)?Ce?m6?1.35?0.203?0.2??36.542h?R??n2?5?0.05?2?0.009(19)
(20)
(21)
5.4 校验近似条件
速度环的截止频率为：? cn??N?1??N?n?1481.1?0.045?66.7s?1 （1）电流环传递函数简化条件：
1K?1250??117.8s?1??cn (22) 3??i30.0029
武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书
满足简化条件。
（2）速度环小时间常数近似处理条件：
1??1250??74.5s?1??cn (23)
3?on30.005满足简化条件。
（3）校核转速超调量
当h=5时，由典型II型系统的阶跃输入跟随性能指标的关系可知，?n?37.6%，不能满足设计的要求。实际上，突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。
5?2 ??(?Cmax)?nb?2(?Cmax)(??z)?nb??n?2?0.812?2?0.056?0.009?13.05%n**CnCn?m2000.2bb
满足要求。
系统空载启动到额定转速时的转速超调量：
5.5 调节器电容和电阻值计算
按所用运算放大器取R0?20k?，各电阻和电容值计算如下：
Rn??nR0?19.3?20k??386k? 取400k?
Cn??nRn?0.07F?0.175?F 取0.2?F
400?103Con?4?on4?0.01?F?2?F 取2?F R020?103 PI型转速调节器原理图如图5-1所示。
图5-1 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器
10
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
1 设计任务及需求
1.1 初始条件
由课程设计任务书给出的初始条件：
直流电动机：Unom?48V,Inom?3.7A,nnom?200r/min； 允许过载倍数：??2；
时间常数：TL?0.015S，Tm?0.2S； PWM环节的放大倍数：KS?4.8； 电枢回路总电阻：R?3?,； 电枢电阻：Ra?2?；
**调节器输入输出电压：Unm?Uim?10V；
设计要求：
稳态指标：在负载和电网电压的扰动下稳态无静差；
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%。
1.2 要求完成的任务
控制电路的设计：
1.系统参数的选取[给定环节及反馈环节的滤波时间常数（Ton、Toi）、（Ts）]
2.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）。 3.速度环的设计（速度环结构图、速度调节器结构和参数、校验近似条件）。
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。即设计步骤）
采用Matlab对双闭环系统进行仿真，绘制直流调速系统（Id=const）稳定运行时磁场突然减半仿真框图，方针的初起动转速，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。
2 双闭环PWM控制电路设计
2.1 双闭环调速系统结构图
转速、电流反馈控制直流调速系统原理图如图2-1所示。
1
武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书
图2-1 转速、电流反馈控制直流调速系统原理图
图2-1中，将转速调节器和电流调节器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，转速和电流调节器一般选择PI调节器。
在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---输出达到限幅值，不饱和---输出未达到限幅值。当调节器饱和时，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，此时相当于调节环开环。当调节器不饱和时，PI调节器的作用是使输入偏差电压始终为零。
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2-2所示：
2
武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书
图2-2 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2-3所示。
图2-3双闭环直流调速系统的动态结构图
图中WASR（s）和WACR（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Id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2-4中的三个阶段。双闭环直流调速系统启动过程的转速和电流波形如图2-4所示。
3
武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书
图2-4 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形
图2-4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Idm，ASR饱和、ACR不饱和；阶段Ⅱ时恒流升速阶段，Id基本保持在Idm，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。
2.2 H桥PWM变换器
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。
由于题目中给定为转速、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。H型双极性PWM变换器如图2-5所示。
4
武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书
图2-5 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2-6所示。
图2-6 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
5
武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书
由以上计算可得转速调节器的传递函数为： WASR（s）??n(?ns?1)91.35(0.045s?1) (24) ??ns0.045s 校正成典型II型系统的转速环的动态结构图如图5-2所示。
图5-2 转速环的动态结构图
6 采用MATLAB对系统进行仿真
利用MATLAB-SIMULINK对系统进行仿真，系统框图和仿真结果如下所示。
6.1 空载至额定运行框图及仿真
空载至额定运行框图见附件1。 其仿真结果如图6-1所示：
图6-1空载至额定运行仿真结果
11
武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书
6.2 磁场减半框图及仿真
磁场减半框图见附件2。 其仿真结果如下所示： Ud输出波形图如图6-2所示：
图6-2 Ud输出波形图
ACR输出波形图如图6-3所示：
图6-3 ACR输出波形图
12
武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书
ASR输出波形图如图6-4所示：
图6-4 ASR输出波形图
13
武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书
设计心得体会
对PWM脉宽直流调速系统的设计，再一次熟悉了课本所学知识，对双闭环系统的设计步骤和设计过程有了更深入的了解。
课程设计发端之始，思绪全无，举步维艰，对于理论知识学习不够扎实的我深感“书到用时方恨少”，于是想起圣人之言“温故而知新”，便重拾教材，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。当初没有思路，诚如举步维艰，茫茫大地，不见道路。在对理论知识梳理掌握之后，茅塞顿开，柳暗花明，思路如泉涌，高歌“条条大路通罗马”。顿悟，没有思路便无出路，原来思路即出路。
在设计中收获知识、收获阅历、收获成熟，在此过程中，通过查找大量资料，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。努力的去弥补自己的缺点，发展自己的优点，去充实自己，只有在了解了自己的长短之后，则会更加珍惜我所拥有的，更加努力的去完善它，增进它。只有不断的测试自己，挑战自己，才能拥有更多的成功和快乐！享受过程，而不是结果！认真对待每一件事，珍惜每一分一秒，学到最多的知识和方法，锻炼自己的能力，这个是我课程设计中学到的最重要的东西，也是以后都将受益匪浅的！
14
武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书
参考文献
[1] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统. 机械工业出版社，2002 [2] 邹伯敏. 自动控制理论. 机械工业出版社，2003
[3] 徐月华，汪仁煌. Matlab在直流调速设计中的应用.广东工业大学，2001 [4] 马葆庆，孙庆光. 直流电动机的动态数学模型.电工技术，1997 [5] 周渊深. 交直流调速系统与MATLAB仿真.中国电力出版社，2003
15
武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书
附件1：
图1空载至额定运行框图
16
武汉理工大学《运动控制系统》课程设计说明书
附件2：
图2磁场减半框图
17