【正文】 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。當(dāng)我們的計(jì)算涉及矩陣運(yùn)算或畫圖時(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。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)品的開發(fā)周期，降低產(chǎn)品的開發(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。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。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。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。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。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。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。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。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)；過載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載；能滿足自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)中各種特殊運(yùn)行的要求。調(diào)速可以用機(jī)械的、電氣的或機(jī)電配合的方法。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。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)。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)行過程或狀態(tài)進(jìn)行數(shù)字化模擬的技術(shù)。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。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)。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。(2)畫完系統(tǒng)框圖，設(shè)置好仿真參數(shù)，即可啟動(dòng)系統(tǒng)仿真。(5)如果系統(tǒng)框圖繪制不完整或仿真過程中出現(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。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)覺出直流脈寬調(diào)制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。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門的可控直流電源。這類系統(tǒng)由靜止可控整流器供電。電樞回路串電阻R，起動(dòng)電流為： （22）為了保持起動(dòng)過程的平穩(wěn)性，希望串入電阻平滑調(diào)節(jié)，一般采用分段切除的方法。(4)串電阻調(diào)速時(shí)，電機(jī)工作于一組機(jī)械特性上，各條特性經(jīng)過相同的理想空載點(diǎn)，而斜率不同。特殊電機(jī)設(shè)計(jì)可達(dá)34的。與串電阻調(diào)速相比較，降低電源電壓調(diào)速在低速范圍運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性要好得多。不因各種可能的外來干擾而產(chǎn)生過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。在設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，通常視為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。5％或177。(3)一個(gè)周期內(nèi)電容充電電荷高于放電電荷時(shí)，電容電壓升高，導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷減小、放電電荷增加，使電容電壓上升速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達(dá)到充放電平衡，此時(shí)電壓維持不變；反之，如果一個(gè)周期內(nèi)放電電荷高于充電電荷，將導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷增加、放電電荷減小，使電容電壓下降速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達(dá)到充放電平衡，最終維持電壓不變。(4)開關(guān)S導(dǎo)通而主回路導(dǎo)通時(shí)，電感電流增加，電感儲(chǔ)能；而當(dāng)開關(guān)關(guān)斷二反向回路導(dǎo)通時(shí)，電感電流減小，電感釋能。 這也是電力電子電路穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的又一個(gè)普遍規(guī)律。 （220）按理想空載轉(zhuǎn)速相同的情況比較，則 = 時(shí)： （221）閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)在于它的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓，以補(bǔ)償電樞回路電阻壓降。沖量是指窄脈沖的面積；效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同，低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。脈沖越窄，各響應(yīng)波形的差異也越小。SPWM波形——脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形。PWM波形可等效的各種波形：直流斬波電路：等效直流波形2SPWM波：等效正弦波形，還可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面積原理。(1)計(jì)算法和調(diào)制法1計(jì)算法根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形。等腰三角波應(yīng)用最多，其任一點(diǎn)水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱；與任一平緩變化的調(diào)制信號(hào)波相交，在交點(diǎn)控制器件通斷，就得到寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖，符合PWM的要求。負(fù)半周，讓保持通，保持?jǐn)?，和交替通斷，可得和零兩種電平。波形見圖34。這個(gè)值是比較低的，其原因是正弦調(diào)制信號(hào)的幅值不能超過三角波幅值。下面對(duì)兩種常用形式的PWM變換器做一下簡(jiǎn)單的介紹和分析。電容C的作用是濾波，二極管VD在電力晶體管VT關(guān)斷時(shí)為電動(dòng)機(jī)電樞回路提供釋放電儲(chǔ)能的續(xù)流回路。的變化范圍在0～1之間，改變即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。這種電路組成的PWM調(diào)速系統(tǒng)可在第I、II兩個(gè)象限中運(yùn)行。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)平均電流就為正值，電流分為兩段變化：在期間，為正，VT1飽和導(dǎo)通；為負(fù)，VT2截止。 如果電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)運(yùn)行中要降低轉(zhuǎn)速，可將控制電壓減小，使的正脈沖變窄，負(fù)脈沖變寬，從而使電動(dòng)機(jī)電樞兩端的平均電壓降低。在（也就是）期間，因變負(fù)，VT2截止，只能沿回路4經(jīng)二極管VD1續(xù)流，對(duì)電源回饋制動(dòng)，同時(shí)在VD1上產(chǎn)生的壓降使VT1承受反壓而不能導(dǎo)通。這時(shí)VD2兩端的壓降也降為零，而此時(shí)由于為正，使VT2得以導(dǎo)通，反電動(dòng)勢(shì)E經(jīng)VT2沿回路3流過反向電流，產(chǎn)生局部時(shí)間的能耗制動(dòng)作用。 可逆PWM變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式有T型和H型兩種，其基本電路如圖37所示，圖中(a)為T型PWM變換器電路，(b)為H型PWM變換器電路。整個(gè)系統(tǒng)上采用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。在檢測(cè)部分中，采用了霍爾片式電流檢測(cè)裝置對(duì)電流環(huán)進(jìn)行檢測(cè)，轉(zhuǎn)速環(huán)則是采用了測(cè)速電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，達(dá)到了比較理想的檢測(cè)效果。圖41 buck電路原理圖(2)建立仿真模型：根據(jù)原理圖用MATLAB軟件畫出正確的仿真電路圖，如圖：圖42 buck仿真電路圖主要參數(shù)設(shè)置：輸入直流電壓源＝100V。(1)原理圖：圖43 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)原理圖(2)建立仿真模型：圖44 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的仿真電路圖仿真參數(shù)：220V交流電壓源，10F電容，220V直流電壓源；算法為ode45，開始仿真時(shí)間為0，結(jié)束仿真時(shí)間為4。在前面幾章的理論基礎(chǔ)上，本章簡(jiǎn)要介紹了在MATLAB環(huán)境下設(shè)計(jì)的三種常用的電路：直流降壓斬波電路、直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)和H橋式電路，并解決了幾種仿真電路的參數(shù)設(shè)置問題。 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)電路仿真結(jié)果與分析經(jīng)過仿真，獲得仿真波形：轉(zhuǎn)速波形：圖58 轉(zhuǎn)速波形圖電樞電流波形：圖59 電樞電流波形圖轉(zhuǎn)速與電樞電流波形比較：圖510 轉(zhuǎn)速與電樞電流波形比較圖電樞電壓波形：圖511 電樞電壓波形圖仿真結(jié)果分析：由于系統(tǒng)中沒有限流措施，啟動(dòng)電流很大。電機(jī)電動(dòng)期間，轉(zhuǎn)速與負(fù)載轉(zhuǎn)矩均增大。總結(jié)和展望本文主要利用MATLAB對(duì)降壓斬波電路、直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)和H橋電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真和調(diào)試。本設(shè)計(jì)中，為了實(shí)現(xiàn)PWM控制，介紹了PWM調(diào)制技術(shù)的原理，并對(duì)PWM變換器進(jìn)行了介紹，簡(jiǎn)單介紹了PWM脈寬調(diào)速系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。同時(shí)在對(duì)電路設(shè)計(jì)的過程中，鞏固了我的專業(yè)課知識(shí)，使自己受益匪淺。首先要感謝我的指導(dǎo)教師趙紅在設(shè)計(jì)上的嚴(yán)格要求以及在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)