【正文】 大連海事大學(xué)畢 業(yè) 論 文二零一一年六月 基于斬波技術(shù)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)班級(jí)：電氣工程及其自動(dòng)化6班 姓 名： 指導(dǎo)教師： 輪機(jī)工程學(xué)院 摘 要在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)電壓的直流調(diào)速是應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)速方法,除了利用晶閘管整流器獲得可調(diào)直流電壓外，還可利用其他電力電子元件的可控性，采用脈寬調(diào)制技術(shù)，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成極性可變、大小可調(diào)的直流電壓用以實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓的平滑調(diào)節(jié)，構(gòu)成直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。本文主要討論了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的一些基本概念，明確了直流電機(jī)調(diào)速的概念，并在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)地描述了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的類(lèi)別以及它的設(shè)計(jì)要求與調(diào)速指標(biāo)，同時(shí)概要地介紹了降壓斬波電路的工作原理。在直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，脈寬調(diào)速系統(tǒng)的地位不可忽略。本文有選擇性地對(duì)脈寬調(diào)速控制技術(shù)進(jìn)行了探討，為之后的仿真電路的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。進(jìn)過(guò)理論方面的學(xué)習(xí)后，本文著重介紹了在MATLAB環(huán)境下設(shè)計(jì)的斬波電路中的buck斬波電路、帶轉(zhuǎn)速閉環(huán)負(fù)反饋的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)以及H橋式電路的組成、工作原理、和參數(shù)設(shè)置。最后應(yīng)用MATLAB中的SIMULINK仿真工具，采用面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖的仿真技術(shù)，對(duì)他們分別進(jìn)行了仿真，并在得出的仿真結(jié)果上進(jìn)行了分析。關(guān)鍵詞: 調(diào)速，PWM控制，直流電動(dòng)機(jī)，仿真AbstractIn the electric drive system, The DC Driving System which adjusts voltage is the widest used in the speed control methods. Besides to use the thyristor rectifier to adjust DC voltage, also it could use the other power electronic ponents’ controlled performance. Using pulse width modulation technology. Directly to modulate the constant DC voltage into variablepolarity, size adjustable DC voltage. to achieve the smooth regulation of the dc motor voltage,constituting a DC motor PWM speed control system. In this paper, it primarily discusses the basic concepts of the DC motor speed control system describing the concept of DC motor speed control, and on this basis it systematically introduces the type, design requirements and speed indicators of DC motor speed control system, also giving an overview of the stepdown chopper circuit works. In the DC motor speed control system, PWM System status can not be ignored. This article has selectively discussed the pulse width speed control techniques providing a theoretical basis for the simulation later. Been to study the theory, this paper highlights the form ,the working principle and parameter settings of the designed circuit of the buck chopper , the DC PWM system with the negative feedback loop speed control system and Hbridge circuit in matlab environment. Finally making use of simulation tool of the MATLAB Simulink and using the simulation technology of the electrical schematic diagram, we severally make the simulation to them, and analysis the simulation results obtained. Keywords: speed regulation, PWM control, DC motor, simulation目 錄基于斬波技術(shù)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 1第1章 緒論 1 1 1 2 2： 2 SIMULINK環(huán)境： 2 3 4第2章 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) 5 5 5 5 6 8 8 8 性能指標(biāo)： 8 10 buck電路基本結(jié)構(gòu) 10 buck電路基本規(guī)律 10 12 14第3章 基于斬波技術(shù)的直流調(diào)速系統(tǒng) 15 PWM控制技術(shù) 15 PWM控制的基本原理 15 PWM逆變電路及其控制方法 16 PWM變換器 19 23 24第4章 MATLAB環(huán)境下直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 24 buck電路的設(shè)計(jì)與MATLAB仿真 24 27 H橋電路的設(shè)計(jì)與MATLAB仿真 31 34第五章 仿真結(jié)果與分析 36 buck電路仿真結(jié)果與分析 36 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)電路仿真結(jié)果與分析 40 H橋電路仿真結(jié)果與分析 42 46總結(jié)和展望 47參考文獻(xiàn) 48致 謝 49附 錄 50基于斬波技術(shù)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)第1章 緒論 直流電機(jī)是實(shí)現(xiàn)直流電能與機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換的電力機(jī)械，按照用途可以分為直流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)兩類(lèi)。其中將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能的電機(jī)稱(chēng)為直流發(fā)電機(jī)；將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電機(jī)稱(chēng)為直流電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)與交流電動(dòng)機(jī)相比，具有優(yōu)良的調(diào)速性能和啟動(dòng)性能。直流電動(dòng)機(jī)具有寬廣的調(diào)速范圍，平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速特性，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；過(guò)載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載；能滿(mǎn)足自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)中各種特殊運(yùn)行的要求。而直流發(fā)電機(jī)則能提供無(wú)脈動(dòng)的大功率直流電源，且輸出電壓可以精確地調(diào)節(jié)和控制。由于直流電動(dòng)機(jī)具有這些優(yōu)點(diǎn)，故常應(yīng)用于對(duì)啟動(dòng)和調(diào)速有較高要求的場(chǎng)合，如大型可逆式軋鋼機(jī)、賓館高速電梯、龍門(mén)刨床、電力機(jī)車(chē)、內(nèi)燃機(jī)車(chē)、城市電車(chē)、地鐵列車(chē)、電動(dòng)自行車(chē)、造紙和印刷機(jī)械、船舶機(jī)械、大型精密機(jī)床和大型起重機(jī)等生產(chǎn)機(jī)械中，是機(jī)電行業(yè)人員的重要工作對(duì)象之一。在現(xiàn)代工業(yè)中，由于生產(chǎn)機(jī)械在不同的工作情況下，要求有不同的運(yùn)行速度，因此需要對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。調(diào)速可以用機(jī)械的、電氣的或機(jī)電配合的方法。電氣調(diào)速就是在同一負(fù)載下，人為地改變電動(dòng)機(jī)的電氣參數(shù)，使轉(zhuǎn)速得到控制性的改變。調(diào)速是為了生產(chǎn)需要而人為地對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行的一種控制，它和電動(dòng)機(jī)在負(fù)載變化時(shí)而引起的轉(zhuǎn)速變化是兩個(gè)不同的概念。調(diào)速是通過(guò)改變電氣參數(shù)，有意識(shí)地使電動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)由一種機(jī)械特性轉(zhuǎn)換到另一種機(jī)械特性上，從而在同一負(fù)載下得到不同的轉(zhuǎn)速。而因負(fù)載變化引起的轉(zhuǎn)速變化則是自動(dòng)進(jìn)行的，電動(dòng)機(jī)工作在同一種機(jī)械特性上。最初的直流調(diào)速系統(tǒng)是由交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)變流，由發(fā)電機(jī)給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流即可改變其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種方法簡(jiǎn)單易行，設(shè)備制造方便，加個(gè)低廉。但缺點(diǎn)是效率低、機(jī)械特性軟、不能在較寬范圍內(nèi)調(diào)速。隨著電力電子器件的發(fā)展，20世紀(jì)50年代靜止變流技術(shù)成了主要的調(diào)速技術(shù)，其調(diào)速系統(tǒng)可分為靜止可控整流器和直流斬波或脈寬調(diào)制變換器調(diào)速系統(tǒng)。從80年代中后期起，晶閘管整流技術(shù)成為了主流，同時(shí)，控制電路實(shí)現(xiàn)了高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術(shù)的應(yīng)用，使直流調(diào)速的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展。仿真是對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的某一層次抽象屬性的模仿。計(jì)算機(jī)仿真，是借助高速、大存儲(chǔ)量數(shù)字計(jì)算機(jī)及相關(guān)技術(shù)，對(duì)復(fù)雜真實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程或狀態(tài)進(jìn)行數(shù)字化模擬的技術(shù)。計(jì)算機(jī)仿真可以真實(shí)地反映實(shí)物特性，能極其方便、快捷、經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)，縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，降低產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)費(fèi)用，提高產(chǎn)品的綜合性能，同時(shí)，還可以大大地減小實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性。：電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的巨大成就之一。它對(duì)科學(xué)技術(shù)的幾乎一切領(lǐng)域，特別是對(duì)數(shù)值計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計(jì)分析、人工智能以及自動(dòng)控制等方面產(chǎn)生了極其深遠(yuǎn)的影響。熟練掌握利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行科學(xué)研究和工程應(yīng)用的技術(shù)，已經(jīng)成為廣大科研設(shè)計(jì)人員必須具備的基本能力之一。當(dāng)我們的計(jì)算涉及矩陣運(yùn)算或畫(huà)圖時(shí)，利用FORTRAN和C語(yǔ)言等計(jì)算機(jī)語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)是一項(xiàng)很麻煩的工作。 MATLAB正是為了免除無(wú)數(shù)類(lèi)似上述的尷尬局面而產(chǎn)生的。在1980年前后，美國(guó)的Cleve博士在New Mexico大學(xué)講授線(xiàn)性代數(shù)課程時(shí)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用其它高級(jí)語(yǔ)言編程極為不便，便構(gòu)思并開(kāi)發(fā)了MATLAB（MATRIX LABORATORY，即矩陣實(shí)驗(yàn)室），它是集命令翻譯、科學(xué)計(jì)算于一身的一套交互式軟件系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)在該大學(xué)進(jìn)行了幾年的試用之后，于1984年推出了該軟件的正式版本，矩陣的運(yùn)算變得異常容易。目前的MATLAB已經(jīng)成為國(guó)際上最為流行的軟件之一，它除了傳統(tǒng)的交互式編程外，還提供了豐富可靠的矩陣運(yùn)算、圖形繪制、數(shù)據(jù)處理、圖像處理、方便的Windows編程等便利工具，出現(xiàn)了各種以MATLAB為基礎(chǔ)的實(shí)用工具箱，廣泛地應(yīng)用于自動(dòng)控制、圖像信號(hào)處理、生物醫(yī)學(xué)工程、語(yǔ)音處理、雷達(dá)工程、信號(hào)分析、振動(dòng)理論、時(shí)序分析與建模、化學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，并表現(xiàn)出一般高級(jí)語(yǔ)言難以比擬的優(yōu)勢(shì)。 SIMULINK環(huán)境：為了準(zhǔn)確地把一個(gè)控制系統(tǒng)的復(fù)雜模型輸入給計(jì)算機(jī)，然后對(duì)之進(jìn)行進(jìn)一步的分析與仿真，1990年MATHWORKS軟件公司為MATLAB提供了新的控制系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具，并定名為SIMULINK，該工具很快在控制界得到了廣泛的應(yīng)用。但因其名字與著名的軟件SIMULA類(lèi)似，所以在1992年正式改名為SIMULINK。此軟件有兩個(gè)明顯的功能：仿真與連接，亦即可以利用鼠標(biāo)器在模型窗口上畫(huà)出所需要的控制系統(tǒng)模型，然后利用該軟件提供的功能來(lái)對(duì)系統(tǒng)直接進(jìn)行仿真。很明顯，這種做法使得一個(gè)很復(fù)雜系統(tǒng)的輸入變得相當(dāng)容易。SIMULINK的出現(xiàn)，更使得以MATLAB為控制系統(tǒng)的仿真與其在CAD中的應(yīng)用打開(kāi)了嶄新的局面。SIMULINK作為面向系統(tǒng)框圖的仿真平臺(tái)，它具有如下特點(diǎn)：(1)以調(diào)用模塊代替程序的編寫(xiě)，以模塊連成的框圖表示系統(tǒng)，點(diǎn)擊模塊即可以輸入模塊參數(shù)。以框圖表示的系統(tǒng)應(yīng)包括輸入（激勵(lì)源）、輸出（觀(guān)測(cè)儀器）和組成系統(tǒng)本身的模塊。(2)畫(huà)完系統(tǒng)框圖，設(shè)置好仿真參數(shù)，即可啟動(dòng)系統(tǒng)仿真。這時(shí)，會(huì)自動(dòng)完成仿真系統(tǒng)的初始化過(guò)程，將系統(tǒng)框圖轉(zhuǎn)換為仿真的數(shù)學(xué)方程，建立仿真的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并計(jì)算系統(tǒng)在給定激勵(lì)下的響應(yīng)。(3)系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)可以通過(guò)波形和曲線(xiàn)觀(guān)察，這和實(shí)驗(yàn)室中用示波器觀(guān)察的效果幾乎一致。(4)，并可以用其它數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行處理。(5)如果系統(tǒng)框圖繪制不完整或仿真過(guò)程中出現(xiàn)計(jì)算不收斂的情況，會(huì)給出一定的出錯(cuò)提示信息，但是這提示不一定準(zhǔn)確，這是軟件不夠完善的地方。(6)以框圖形式對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真是SIMULINK的最早功能，后來(lái)在SIMULINK的基礎(chǔ)上又開(kāi)發(fā)了數(shù)字信號(hào)處理、通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、模糊控制等十種模型庫(kù)，但是SIMULINK的窗口界面是其他工具箱公用的平臺(tái)，在此平臺(tái)上可以進(jìn)行控制系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等各種系統(tǒng)的仿真。盡管目前對(duì)交流系統(tǒng)的研究比較熱門(mén)，但是其控制性能在某些方面還達(dá)不到直流PWM系統(tǒng)的水平。直流PWM控制技術(shù)作為一門(mén)新型的控制技術(shù)，其發(fā)展?jié)摿€是相當(dāng)大的；而且，直流PWM技術(shù)是電力電子領(lǐng)域廣泛采用的各種PWM技術(shù)的典型應(yīng)用和重要基礎(chǔ)。本文將對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行比較系統(tǒng)的介紹與總結(jié)，明確直流斬波技術(shù)對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐的應(yīng)用，發(fā)覺(jué)出直流脈寬調(diào)制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。本文共分為五章，主要針對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的PWM控制進(jìn)行相關(guān)研究。第一章主要概述了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及仿真軟件的介紹；第二章介紹了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)、降壓斬波電路和閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論知識(shí)；第三章介紹了PWM控制技術(shù)及對(duì)PWM變換器進(jìn)行了描述；第四章在MATLAB環(huán)境下對(duì)基于PWM控制技術(shù)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真軟件對(duì)其進(jìn)行了仿真研究；第五章主要分析了設(shè)計(jì)電路的仿真結(jié)果；最后對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)。 本章主要介紹了直流電機(jī)調(diào)速的概念與直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展概況；同時(shí)，簡(jiǎn)要介紹了仿真軟件MATLAB，明確了計(jì)算機(jī)仿真的意義與本文研究工作的主要內(nèi)容。第2章 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)變電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專(zhuān)門(mén)的可控直流電源。根據(jù)所用可控直流電源的不同可將直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)分為以下三類(lèi)：(1)GM系統(tǒng)。這類(lèi)系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電。(2)VM系統(tǒng)。這類(lèi)系統(tǒng)由靜止可控整流器供電。(3)PWM調(diào)速系統(tǒng)。這類(lèi)系統(tǒng)由直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器供電。由電機(jī)