【正文】 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)試過(guò)程中給予的幫助，使我的本科學(xué)業(yè)得以順利完成，并激勵(lì)著我在今后的人生道路上不斷開(kāi)拓進(jìn)取。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)。電機(jī)電動(dòng)期間，轉(zhuǎn)速與負(fù)載轉(zhuǎn)矩均增大。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(wèn)題。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(huà)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。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)。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(guò)反向電流，產(chǎn)生局部時(shí)間的能耗制動(dòng)作用。 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。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。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)。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。波形見(jiàn)圖34。等腰三角波應(yīng)用最多，其任一點(diǎn)水平寬度和高度成線(xiàn)性關(guān)系且左右對(duì)稱(chēng)；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。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。脈沖越窄，各響應(yīng)波形的差異也越小。 （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。(4)開(kāi)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(kāi)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。5％或177。不因各種可能的外來(lái)干擾而產(chǎn)生過(guò)大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。特殊電機(jī)設(shè)計(jì)可達(dá)34的。電樞回路串電阻R，起動(dòng)電流為： （22）為了保持起動(dòng)過(guò)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。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。(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。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。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。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)。調(diào)速可以用機(jī)械的、電氣的或機(jī)電配合的方法。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。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。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。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。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。 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。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)。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。(3)PWM調(diào)速系統(tǒng)。R越大，斜率越大，特性越軟，電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性差。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，對(duì)不同轉(zhuǎn)速，電樞電流不變。2靜差率S：當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載變到額定負(fù)載所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱(chēng)為靜差率S，即： (28)是一個(gè)衡量特性的硬度的指標(biāo)。根據(jù)自動(dòng)控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)。圖31 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖面積等效原理：分別將如圖31所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)（RL電路）上，如圖32a所示。要等效不同輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。缺點(diǎn)：繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化。圖33 單相橋式PWM逆變電路單極性PWM控制方式（單相橋逆變）：在和的交點(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷。實(shí)際電路工作時(shí)，考慮到功率器件的開(kāi)通和關(guān)斷都需要時(shí)間，如不采取其他措施，調(diào)制度不可能達(dá)到1。圖35 簡(jiǎn)單的不可逆PWM變換器電路（a）原理圖 （b）電壓和電流波型電力晶體管VT的基極由頻率為、脈沖寬度可調(diào)的脈沖電壓驅(qū)動(dòng)。由于VT在一個(gè)周期內(nèi)具有開(kāi)、關(guān)兩種狀態(tài)，電路電壓平衡方程式也分為兩階段，即在期間： （33）在期間： （34）式中，R，L——電動(dòng)機(jī)電樞回路的總電阻和總電感；E——電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)。此時(shí)，電源電壓加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端，電流沿圖中的回路1流通。在整個(gè)制動(dòng)狀態(tài)中，VT2和VD1輪流導(dǎo)通，VT1始終截止，此時(shí)電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，電壓和電流波型圖36（c）。圖37 可逆PWM變換器電路（a）T 型 　　 （b）H型T型電路由兩個(gè)可控電力電子器件與兩個(gè)續(xù)流二極管組成，所用元件少，線(xiàn)路簡(jiǎn)單，構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)便于引出反饋，適用于作為電壓低于50V的電動(dòng)機(jī)的可控電壓源；但是T型電路需要正負(fù)對(duì)稱(chēng)的雙極性直流電源，電路中的電力電子器件要求承受兩倍的電源電壓，在相同的直流電源電壓下，其輸出電壓的幅值為H型電路的一半。主電路部分采用了以GTR為可控開(kāi)關(guān)元件、H橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)。階躍信號(hào)發(fā)生器參數(shù)： ASR調(diào)節(jié)器參數(shù)： 限幅器參數(shù)： 放大器參數(shù)：二極管整流橋參數(shù)：二極管整流橋參數(shù)1：直流電機(jī)參數(shù)：當(dāng)建模和參數(shù)設(shè)置完成后，即可開(kāi)始進(jìn)行仿真。電樞電壓在一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)相間；電機(jī)在電動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，電樞電壓為正、負(fù)交替：在電樞電壓為正期間，電樞電流增大，同時(shí)在這一期間，轉(zhuǎn)速也跟著增大；在電樞電壓為負(fù)期間，電樞電流減小，但在沒(méi)產(chǎn)生反向電流前轉(zhuǎn)速都跟著增大，但增大速度減緩，直到這一期間結(jié)束。在此基礎(chǔ)上，本文首先對(duì)直流電機(jī)調(diào)速的狀況進(jìn)行介紹，并介紹了幾種常見(jiàn)的改變轉(zhuǎn)速的方法以及調(diào)速指標(biāo)。總之，通過(guò)本次設(shè)計(jì)不僅進(jìn)一步強(qiáng)化了專(zhuān)業(yè)知識(shí)，還掌握了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的方法、步驟等，為今后的工作和學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。我對(duì)他們致以真誠(chéng)的謝意和衷心的祝福。通過(guò)學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)工作原理以及如何利用仿真軟件進(jìn)行仿真，我查閱了大量相關(guān)資料，學(xué)會(huì)了許多相關(guān)知識(shí)，培養(yǎng)了我獨(dú)立解決問(wèn)題的能力。在第四章所設(shè)計(jì)的仿真電路與參數(shù)設(shè)置基礎(chǔ)上，本章分別介紹了buck斬波電路、直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)和H橋式電路三種常見(jiàn)電路仿真后獲得的各種波形圖，并在此基礎(chǔ)上對(duì)其分別進(jìn)行了觀(guān)察與分析，進(jìn)一步論證了這三種常見(jiàn)電路的一些主要結(jié)論。論證了前面所述理論的正確。選擇ode23tb算法，將相對(duì)誤差設(shè)置為1e3， 脈沖參數(shù)：IGBT開(kāi)關(guān)參數(shù)：二極管參數(shù)：進(jìn)行仿真，得出仿真結(jié)果。為了獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)特性，調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了校正。 綜上所述，具有制動(dòng)作用的不可逆PWM變換器構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)電樞回路中的電流始終是連續(xù)的；而且，由于電流可以反向，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)二象限運(yùn)行，有較好的靜、動(dòng)態(tài)性能。在期間，VT2在正的和反電動(dòng)勢(shì)E的作用下飽和導(dǎo)通，由產(chǎn)生的反向電流沿回路3通過(guò)VT2流通，產(chǎn)生能耗制動(dòng)，一部分能量消耗在回路電阻上，一部分轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能存儲(chǔ)在回路電感中，直到為止。VT1和VT2的基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓大小相等，極性相反，即。電源電壓一般由交流電網(wǎng)經(jīng)過(guò)不可控整流電路提供。正弦波調(diào)制的三相PWM逆變電路，調(diào)制度a為1時(shí)，輸出相電壓的基波幅值為/2，輸出線(xiàn)電壓的基波幅值為?？刂埔?guī)律：正半周，通，斷，和交替通斷，負(fù)載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段為正，一段為負(fù)，負(fù)載電流為正區(qū)間，和導(dǎo)通時(shí)，等于，關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過(guò)和續(xù)流，負(fù)載電流為負(fù)區(qū)間，為負(fù)，實(shí)際上從和流過(guò)，仍有，斷，通后，從和續(xù)流，總可得到和零兩種電平。PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實(shí)用的幾乎都是電壓型。圖32 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形用一系列等幅不等寬的脈沖來(lái)代替一個(gè)正弦半波，正弦半波N等分，看成N個(gè)相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點(diǎn)重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。 PWM控制技術(shù) PWM控制的基本原理PWM控制的理論基礎(chǔ)：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。 （214）此增量將產(chǎn)生一個(gè)平均感應(yīng)電勢(shì)，此電勢(shì)將減小電感電流的上升速度并同時(shí)降低電感電流的下降速度，最終將導(dǎo)致一個(gè)周期內(nèi)電感電流平均增量為零；一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感上磁鏈增量小于零的狀況也一樣。電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，輸出電容上電壓由微小的紋波和較大的直流分量組成，宏觀(guān)上可以看作是恒定直流，這就是開(kāi)關(guān)電路穩(wěn)態(tài)分析中的小紋波近似原理。 (2)電路工作頻率很高，一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電容充放電引起的紋波ripple(t)很小，相對(duì)于電容上輸出的直流電壓有： （212） 性能指標(biāo)：直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)有：(1)靜態(tài)指標(biāo)：1調(diào)速范圍D在額定負(fù)載條件下電動(dòng)機(jī)能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比稱(chēng)為調(diào)速范圍，用字母D表示，即： （27）對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可以采用實(shí)際負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速來(lái)計(jì)算。(2)降低電源電壓，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性斜率不變，即硬度不變。(3)串電阻調(diào)速時(shí)，由于R上流過(guò)很大的電樞電流，R上將有較大的損耗，轉(zhuǎn)速越低，損耗越大。(2)VM系統(tǒng)。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)。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。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。仿真是對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的某一層次抽象屬性的模仿。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。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。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)。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)。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。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。 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。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)。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。這類(lèi)系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電。(2)串電阻調(diào)速時(shí)，如果負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩的，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于不同的轉(zhuǎn)速，和時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電樞電流是不變的。圖23調(diào)壓調(diào)速特性曲線(xiàn)調(diào)壓調(diào)速的特點(diǎn)：(1)改變電樞電壓，可得到一簇與固有機(jī)械特性平行且低于固有機(jī)械特性的人為機(jī)