【正文】 之進行進一步的分析與仿真，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)我們的計算涉及矩陣運算或畫圖時，利用FORTRAN和C語言等計算機語言進行程序設(shè)計是一項很麻煩的工作。計算機仿真可以真實地反映實物特性，能極其方便、快捷、經(jīng)濟地實現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低產(chǎn)品的開發(fā)費用，提高產(chǎn)品的綜合性能，同時，還可以大大地減小實驗的危險性。從80年代中后期起，晶閘管整流技術(shù)成為了主流，同時，控制電路實現(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)是由交流電動機拖動直流電動機來實現(xiàn)變流，由發(fā)電機給需要調(diào)速的直流電動機供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁電流即可改變其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。電氣調(diào)速就是在同一負載下，人為地改變電動機的電氣參數(shù)，使轉(zhuǎn)速得到控制性的改變。而直流發(fā)電機則能提供無脈動的大功率直流電源，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，直流電動機，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)的直流電機調(diào)速系統(tǒng)的研究與設(shè)計 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 24 buck電路的設(shè)計與MATLAB仿真 24 27 H橋電路的設(shè)計與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 48致 謝 49附 錄 50基于斬波技術(shù)的直流電機調(diào)速系統(tǒng)的研究與設(shè)計第1章 緒論 直流電機是實現(xiàn)直流電能與機械能之間相互轉(zhuǎn)換的電力機械，按照用途可以分為直流電動機和直流發(fā)電機兩類。在直流電機調(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調(diào)速系統(tǒng)的一些基本概念，明確了直流電機調(diào)速的概念，并在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)地描述了直流電機調(diào)速系統(tǒng)的類別以及它的設(shè)計要求與調(diào)速指標(biāo)，同時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)，對他們分別進行了仿真，并在得出的仿真結(jié)果上進行了分析。直流電動機具有寬廣的調(diào)速范圍，平滑的無級調(diào)速特性，可實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)；過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載；能滿足自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中各種特殊運行的要求。調(diào)速可以用機械的、電氣的或機電配合的方法。而因負載變化引起的轉(zhuǎn)速變化則是自動進行的，電動機工作在同一種機械特性上。隨著電力電子器件的發(fā)展，20世紀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)。計算機仿真，是借助高速、大存儲量數(shù)字計算機及相關(guān)技術(shù)，對復(fù)雜真實系統(tǒng)的運行過程或狀態(tài)進行數(shù)字化模擬的技術(shù)。熟練掌握利用計算機進行科學(xué)研究和工程應(yīng)用的技術(shù)，已經(jīng)成為廣大科研設(shè)計人員必須具備的基本能力之一。目前的MATLAB已經(jīng)成為國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)的實用工具箱，廣泛地應(yīng)用于自動控制、圖像信號處理、生物醫(yī)學(xué)工程、語音處理、雷達工程、信號分析、振動理論、時序分析與建模、化學(xué)統(tǒng)計學(xué)、優(yōu)化設(shè)計等領(lǐng)域，并表現(xiàn)出一般高級語言難以比擬的優(yōu)勢。很明顯，這種做法使得一個很復(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)計算不收斂的情況，會給出一定的出錯提示信息，但是這提示不一定準確，這是軟件不夠完善的地方。本文將對這一技術(shù)進行比較系統(tǒng)的介紹與總結(jié)，明確直流斬波技術(shù)對生產(chǎn)實踐的應(yīng)用，發(fā)覺出直流脈寬調(diào)制技術(shù)的優(yōu)勢。第2章 直流電機調(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，起動電流為： （22）為了保持起動過程的平穩(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，電機工作于一組機械特性上，各條特性經(jīng)過相同的理想空載點，而斜率不同。特殊電機設(shè)計可達34的。與串電阻調(diào)速相比較，降低電源電壓調(diào)速在低速范圍運行時，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。在設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)時，通常視為電動機的額定轉(zhuǎn)速。5％或177。(3)一個周期內(nèi)電容充電電荷高于放電電荷時，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)直至達到充放電平衡，此時電壓維持不變；反之，如果一個周期內(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，電感電流增加，電感儲能；而當(dāng)開關(guān)關(guān)斷二反向回路導(dǎo)通時，電感電流減小，電感釋能。 這也是電力電子電路穩(wěn)態(tài)運行時的又一個普遍規(guī)律。 （220）按理想空載轉(zhuǎn)速相同的情況比較，則 = 時： （221）閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質(zhì)在于它的自動調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓，以補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)計算法和調(diào)制法1計算法根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準確計算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，其任一點水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對稱；與任一平緩變化的調(diào)制信號波相交，在交點控制器件通斷，就得到寬度正比于信號波幅值的脈沖，符合PWM的要求。負半周，讓保持通，保持斷，和交替通斷，可得和零兩種電平。波形見圖34。這個值是比較低的，其原因是正弦調(diào)制信號的幅值不能超過三角波幅值。下面對兩種常用形式的PWM變換器做一下簡單的介紹和分析。電容C的作用是濾波，二極管VD在電力晶體管VT關(guān)斷時為電動機電樞回路提供釋放電儲能的續(xù)流回路。的變化范圍在0～1之間，改變即可以實現(xiàn)對電動機轉(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兩個象限中運行。當(dāng)電動機工作在電動狀態(tài)時，在一個周期內(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，VT2截止。 如果電動機在電動運行中要降低轉(zhuǎn)速，可將控制電壓減小，使的正脈沖變窄，負脈沖變寬，從而使電動機電樞兩端的平均電壓降低。在（也就是）期間，因變負，VT2截止，只能沿回路4經(jīng)二極管VD1續(xù)流，對電源回饋制動，同時在VD1上產(chǎn)生的壓降使VT1承受反壓而不能導(dǎo)通。這時VD2兩端的壓降也降為零，而此時由于為正，使VT2得以導(dǎo)通，反電動勢E經(jīng)VT2沿回路3流過反向電流，產(chǎn)生局部時間的能耗制動作用。 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)。在檢測部分中，采用了霍爾片式電流檢測裝置對電流環(huán)進行檢測，轉(zhuǎn)速環(huán)則是采用了測速電機進行檢測，達到了比較理想的檢測效果。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，開始仿真時間為0，結(jié)束仿真時間為4。在前面幾章的理論基礎(chǔ)上，本章簡要介紹了在MATLAB環(huán)境下設(shè)計的三種常用的電路：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，啟動電流很大。電機電動期間，轉(zhuǎn)速與負載轉(zhuǎn)矩均增大?？偨Y(jié)和展望本文主要利用MATLAB對降壓斬波電路、直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)和H橋電路的設(shè)計進行仿真和調(diào)試。本設(shè)計中，為了實現(xiàn)PWM控制，介紹了PWM調(diào)制技術(shù)的原理，并對PWM變換器進行了介紹，簡單介紹了PWM脈寬調(diào)速系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。同時在對電路設(shè)計的過程中，鞏固了我的專業(yè)課知識，使自己受益匪淺。首先要感謝我的指導(dǎo)教師趙紅在設(shè)計上的嚴格要求以及在系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)