PWM脉宽调制直流调速系统设计及MATLAB仿真验证

PWM脉宽直流调速系统设计及matlab仿真验证1设计任务1.1双闭环调速系统结构图图1输出功率、电流反馈控制直流变频系统原理图为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行嵌套链接，如图1所示。

把转速调节器的输出当做电流调节器的输入，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。

1.2双闭环直流变频系统的稳态结构图1图2双闭环直流变频系统的稳态结构图双闭环直流调速系统的稳态结构图如图2所示，两个调节器均采用带限幅作用的pi调节器。

转速调节器asr的输出限幅电压电流调节器acr的输出限幅电压udmucm?uim同意了电流取值的最大值，限制了电力电子变换器的最大输出电压。

当调节器饱和状态时，输入踢至限幅值，输入量的变化不再影响输入，除非存有反向的输入信号使调节器退出饱和。

当调节器不饱和时，pi调节器工作在线性调节状态，其作用是使输入偏差电压?u在稳态时为零。

为了同时实现电流的实时控制和快速追随，期望电流调节器不要步入饱和状态，因此对于静特性来说，只有输出功率调节器饱和状态与不饱和两种情况。

1.3双闭环直流调速系统的动态结构图图3双闭环直流变频系统的动态结构图双闭环直流调速系统的动态结构图如图3所示，图中表示转速调节和电流调节器的传递函数。

2wasr(s)和wacr(s)分别双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形如图所示：图4双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形例如图4右图，电机的再生制动过程中输出功率调节器asr经历了不饱和、饱和状态、脱饱和状态三种情况：第ⅰ阶段（0-t1）是电流上升阶段；第ⅱ阶段（t1-t2）是恒流升速阶段；第ⅲ阶段（t2以后）是转速调节阶段。

双闭环直流变频系统的再生制动过程存有以下三个特点：1）饱和状态非线性掌控2）输出功率市场汇率3）科东俄时间最优控制1.4系统参数选取1.4.1整流电路平均值失控时间常数ts设定pwm的开关频率为1khz，故h型双极式pwm整流的调制周期为：t=1/f=0.001s1.4.2电流滤波时间常数和输出功率滤波常数h桥式电路每个波头的时间为0.5ms，为了基本滤平波头，应有3(1~2)toi?0.5ms，因此取toi?0.0004s。

PWM脉宽直流调速系统设计及matlab仿真验证————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：目录1．MATLAB简介 (3)3系统设计及参数计算 (5)3.1系统总体设计 (5)3．1.1 H型双极式PWM原理 (5)3．1。

2双闭环调速系统结构图 (7)3．1。

3双闭环调速系统启动过程分析 (8)3。

2电流调节器设计及参数计算 (9)3。

3转速调节器设计及参数计算 (11)4 MATLAB仿真验证 (14)4.1稳定运行时电流环突然断线仿真分析 (14)参考文献 (19)PWM脉宽直流调速系统设计及matlab仿真验证1．MATLAB简介MATLAB是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。

它将数值分析、矩阵计算科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言的编辑模式,代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

[MATLAB和MATHEMATICA、MAPLE并称为三大数学软件。

它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。

MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像MAPLE等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。

2 设计分析直流双闭环调速系统调节器包括转速调节器（ASR）和电流调节器(ACR）,从而分别引入了转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行串级连接.把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。

PWM 脉宽调制直流调速系统设计及MATLAB 仿真验证第一章 系统概述1.1 设计目的1. 掌握转速，电流双闭环控制的双极式PWM 直流调速原理。

2. 掌握并熟练运用MATLAB 对系统进行仿真。

1.2 设计题目转速，电流双闭环控制的H 型双极式PWM 直流调速系统，已知：直流电动机：48, 3.7,200/min,nom nom nom U V I A n r ===允许过载倍数λ=2；时间常数：L T =0.015s ，m T =0.2s ；PWM 环节的放大倍数：S K =4.8,；电枢回路总电阻：R=3Ω；电枢电阻Ra=2Ω。

调节器输入输出电压**nm im U U ==10V.采用MATLAB 对双闭环系统进行仿真，绘制直流调速系统（Id=const ）稳定运行时转速环突然断线（1、有ACR 限幅值；2、无ACR 限幅值）仿真框图，仿真得出启动转速，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。

1.3 设计内容1 简述设计题目及对题目的分析；2 简述双极式PWM 直流调速系统原理；3 简述电流环，转速环的控制原理；4 对电流环、转速环的参数进行计算选取；5 根据电流环、转速换的参数进行MATLAB 仿真；第二章 转速、电流双闭环式的双极式PWM 直流调速系统2.1 双极式PWM 调速原理可逆PWM 变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H 形）电路，如图2-1所示，电动机M 两端电压AB U 的极性随全控型电力电子器件的开关状态而改变。

图2-1 桥式可逆PWM 变换电路双极式控制可逆PWM 变换器的四个驱动电压的关系是：1423g g g g U U U U ==-=-。

在一个开关周期内，当0≤t<on t 时 ，AB S U U =，电枢电流id 沿回路1流通；当on t ≤t<T 时，驱动电压反号，id 沿回路2经二极管续流，AB S U U =-。

《单片机原理及接口技术》课程设计报告课题名称直流PWM调速系统的MATLAB仿真学院自动控制与机械工程学院专业机械设计制造及自动化班级姓名（学号）时间2016-1-9摘要直流电机具有良好的启动性能和调速特性，它的特点是启动转矩大，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。

本文设计的直流电机调速系统，主要由51单片机、电源、H桥驱动电路、LED液晶显示器、霍尔测速电路以及独立按键组成的电子产品。

电源采用78系列芯片实现+5V、+15V对电机的调速采用PWM波方式，PWM是脉冲宽度调制，通过51单片机改变占空比实现。

通过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制，LED实现对测量数据（速度）的显示。

电机转速利用霍尔传感器检测输出方波，通过51单片机对1秒内的方波脉冲个数进行计数，计算出电机的速度，实现了直流电机的反馈控制。

关键词：直流电机调速；H桥驱动电路；LED显示器；51单片机ABSTRACTDC motor has a good startup performance and speed characteristics, it is characterized by starting torque, maximum torque, in a wide range of smooth, economical speed, speed, easy control, speed control after the high efficiency. This design of DC motor speed control system, mainly by the microcontroller 51, power supply, H-bridge driver circuits, LED liquid crystal display, the Hall velocity and independent key component circuits of electronic products. Power supply with 78 series chip +5 V, +15 V for motor speed control using PWM wave mode, PWM is a pulse width modulation, duty cycle by changing the MCU 51. Achieved through independent buttons start and stop the motor, speed control, turning the manual control, LED realize the measurement data (speed) of the display. Motor speed using Hall sensor output square wave, by 51 seconds to 1 microcontroller square wave pulses are counted to calculate the speed of the motor to achieve a DC motor feedback control.Keywords: DC motor speed control；H bridge driver circuit；LED display目录第1章引言1.1 概况现代工业的电力拖动一般都要求局部或全部的自动化，因此必然要与各种控制元件组成的自动控制系统联系起来，而电力拖动则可视为自动化电力拖动系统的简称。

摘要本文介绍双闭环PWM直流调速系统原理基础上，根据系统的动、静态性能指标采用工程设计方法设计调节器参数。

调速方案的优劣直接关系到系统调速的质量，根据电机的型号及参数选择最优方案，以确保系统能够正常，稳定地运行。

并运用MATLAB的Simulink 和Power System工具箱、面向系统电气原理结构图的仿真方法，实现了转速电流双闭环PWM直流调速系统的建模与仿真。

文章重点介绍了调速系统的建模和PWM发生器、直流电机模块互感等参数的设置。

给出了PWM直流可逆调速系统的仿真模型和仿真结果，验证了仿真模型及调节器参数设置的正确性。

关键词：直流调速；PWM；双闭环；PI调节AbstractAccording to dynamic and static performance，the method uses engineering design to set parameters of controllers based on principle of Double Close Loop PWM speed system．Governor the pros and cons of the program directly related to the quality of the system governor, according to the motor model and parameters to choose the best program to ensure that the system to normal, stable operation.The approach using electrical principle and toolbox of simulink and power system in Matlab has completed the modeling and simulation of system．The model of simulation and parameters controllers and PWM generator is introduced emphatically．As well as mutual inductance parameter in DC motors．The results of simulationale obtained and the results are close to actual situation，it shows the correction of the model and parameters of controllers．Keywords：DC Timing System; PWM;Double Close Loop; PI Adjust1绪言直流调速系统具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计及MATLAB仿真验证双闭环可逆直流脉宽调制（PWM）调速系统是一种常见的电机调速控制方案。

该系统通过两个闭环来实现电机的速度控制和电流控制，从而实现精准的调速效果。

本文将介绍双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统的设计原理，并使用MATLAB进行仿真验证。

设计原理：该系统由以下几个主要部分组成：1.输入信号：输入信号一般是一个速度设定值，表示期望电机的转速。

该信号可以通过人机界面或其他控制系统输入。

2.速度控制环：速度控制环根据输入信号和反馈信号之间的差异来控制电机的转速。

常见的速度控制算法有比例控制、积分控制和微分控制。

3.脉宽调制器：脉宽调制器根据速度控制环输出的控制信号来生成PWM信号，控制电机的转速。

通常使用的脉宽调制算法有定时器计数法和比较器法。

4.电流控制环：电流控制环根据PWM信号和反馈信号之间的差异来控制电机的电流。

常见的电流控制算法有比例控制、积分控制和微分控制。

5.电机驱动器：电机驱动器将电流控制环输出的控制信号转换为电机驱动信号，驱动电机正常运转。

MATLAB仿真验证：为了验证双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统的性能，可以使用MATLAB进行仿真。

以下是一种基本的MATLAB仿真流程：1.定义电机模型：根据电机的参数和特性，定义一个数学模型来表示电机的动态响应，例如通过电机的转矩-转速曲线或电机的方程。

2.设计速度控制器：根据系统要求和电机模型，设计一个适当的速度控制器。

可以使用PID控制器或其他控制算法。

3.设计PWM调制器：根据速度控制器输出的控制信号，设计一个PWM调制器来生成PWM信号。

根据电机模型和控制要求，选择合适的PWM调制算法。

4.设计电流控制器：根据PWM信号和电机模型，设计一个电流控制器。

可以使用PID控制器或其他控制算法。

5. 仿真验证：将以上设计参数输入到MATLAB仿真模型中，并进行仿真验证。

可以使用Simulink工具箱来搭建仿真模型，并通过逐步增加负载或改变速度设定值等方式来验证系统的性能。

基于Matlab／SIMULINK的桥式直流PWM变换电路实验仿真分析本文以MATLAB软件的SIMULINK仿真软件包为平台，对桥式直流PWM 变换电路进行仿真分析文章对每个电路首先进行原理分析，进而建立相应的仿真模型，经过详细计算确定并设置仿真参数进行仿真，对于每次仿真结果均采用可视化波形图的方式直接输出。

在对仿真结果分析的基础上，不断优化仿真参数，使其最大化再现实际物理过程，并根据各个电路的性能进行参数改变从而观察结果的异同。

标签：SIMULINK；PWM；电路仿真1 桥式直流PWM变换电路简介桥式直流PWM变流器仿真实验是对全控型器件的应用。

实验电路中，前端为不可控整流、后端为开关型逆变器，此结构形式应用最为广泛。

逆变器的控制采用PWM方式。

对这个实验有所掌握的话，对后续课程设计直流调速系统也会有很大启发。

因为直流PWM-M调速系统近年来发展很快，直流PWM-M调速系统采用全控型电力电子器件，调制频率高，与晶闸管直流调速系统相比动态响应速度快，电动机转矩平稳脉动小，有很大优越性，因此在小功率调速系统和伺服系统中的应用越来越广泛。

2 桥式直流PWM变换电路的工作原理本实验系统的主电路采用双极性PWM控制方式，其中主电路由四个MOSFET（VT1～VT4）构成H桥。

Ub1～Ub4分别由PWM调制电路产生后经过驱动电路放大，再送到MOSFET相应的栅极，用以控制MOSFET的通断。

在双极性的控制方式中，VT1和VT4的栅极由一路信号驱动，VT2和VT3的栅极由另一路信号驱动，它们成对导通。

控制开关器件的通断时间可以调节输出电压的大小，若VT1和VT4的导通时间大于VT2和VT3的导通时问，输出电压的平均值为正，VT2和VT3的导通时间大于VT1和VT4的导通时间，则输出电压的平均值为负，所以可以用于直流电动机的可逆运行。

3 计算机仿真实验（1）桥式直流PWM变换电路仿真模型的建立。

根据所要仿真的电路，在SIMULINK窗口的仿真平台上构建仿真模型。

基于Multisim 的PWM 直流电机调速控制电路设计与仿真李容，谢东，李俊凡，唐俊斌，何佳盈重庆科技学院，电气与信息工程学院，重庆，400050摘要：以Multisim 仿真软件为平台设计PWM 直流电机调速控制电路，对电机驱动电路和脉宽控制电路的设计原理及构成方法作了详细的介绍。

使用Multisim 仿真软件的虚拟示波器、逻辑分析仪等虚拟元件，完成电路的设计与仿真。

关键词：Multisim PWM 直流电动机 电机驱动 脉宽控制Design and Simulation of PWM DC Motor Speed Based on MultisimAbstract: The paper presents a PWM DC motor speed control circuit based on Multisim simulation software. The circuit principle and its composition for the motor drive and the pulse width control are introduced detailedly. Using Multisim simulation software of virtual oscilloscope, logic analyzer and some virtual element, the circuit design and simulation has been completed.Keywords: Multisim PWM dc motor driving pulse width control1 引言电子设计自动化(EDA)技术是电子设计领域的一场革命,它改变了以变量估算和电路实验为基础的电路设计方法。

Multisim 是一个专门用于电子线路仿真与设计的EDA 工具软件, 内台有数万种元器件和l3种常用的虚拟仪嚣仪表，能完成从电路的仿真设计到电路版图生成的全过程。

PWM 直流调速系统的建模与仿真设计PWM双闭环直流脉宽调速系统建模与仿真设计一、设计内容1.1设计目的1. 掌握转速，电流双闭环控制的PWM直流调速原理。

2. 掌握并熟练运用MATLAB对系统进行仿真。

1.2设计参数调速系统的基本数据如下:晶闸管三相桥式全控整流电路供电的双闭环直流调速系统,直流电动机:220V,136A,1460r/min,电枢电阻R a=0.2Ω,允许过载倍数λ= 1.5;电枢回路总电阻:R= 0.5Ω,电枢回路总电感:L= 15mH,电动机轴上的总飞轮力矩:GD2= 22.5N·m2,晶闸管装置:放大系数K s=40,电流反馈系数:β=0.05V/A,转速反馈系数:α=0.007Vmin/r,滤波时间常数:T oi=0.002s ,T on=0.01s1.3设计要求(1)稳态指标:转速无静差;(2)动态指标:电流超调量σi≤5%,空载起动到额定转速的转速超调量σn≤10%二、设计思路2.1 PWM调速原理可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路，如图所示，电动机M两端电压U的极性随全控型电力电子器件的开关状态而改AB变。

双极式控制可逆PWM 变换器的四个驱动电压的关系是：1423g g g g U U U U ==-=-。

在一个开关周期内，当0≤t<o n t 时，AB S U U =，电枢电流id 沿回路1流通；当o n t ≤t<T 时，驱动电压反号，id 沿回路2经二极管续流，AB S U U =-。

因此，AB U 在一个周期内具有正负相间的脉冲波形，这是双极式名称的由来。

2.2 PWM 发生器的建模直流脉宽调速系统仿真的关键是PWM 发生器的建模。

从双闭环调速系统的动态结构框图可知， 电流调节器ACR 输出最大限幅时，H 桥的占空比为1。

对于PWM 发生器， 采用两个Discrete PWM Generator 模块。

双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计及MATLAB仿真验证专业：电力传动学号：201020305139姓名：杨耀指导老师：王笑宇目录目录 (1)中英文摘要 (2)摘要 (2)Abstract (2)正文 (3)双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计 (3)设计分析 (3)主电路设计 (8)电流调节器参数计算 (9)信号产生电路 (11)GTR驱动电路原理 (12)辅助回路设计 (13)转速给定电路设计 (13)转速检测设计 (14)MATLAB仿真设计 (15)双闭环调速系统仿真框图 (15)仿真结果 (15)结果分析 (19)总结 (20)参考文献 (21)中英文摘要摘要直流电机由于具有速度控制容易，启、制动性能良好，且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工业等工业部门中得到广泛应用。

直流时机转速的控制方法可以分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。

本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。

长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单等特点，一直在传动领域占有统治地位。

本文对双闭环可逆直流PWM调速系统进行了较深入的研究，从直流调整系统原理出发，逐步建立了闭环直流PWM调整系统的模型。

AbstractWith dc motor speed control is easy, rev, braking performance is good, smooth and in wide range speed adjustment characteristics in metallurgy, machinery manufacturing, light industry, etc. Is widely used in the industrial sector. The rotational speed of dc timing control method can be divided into two categories, namely excitation control method with the armature voltage control method. This paper mainly studies the dc speed regulation system, it mainly consists of three parts, including parts, power control, direct current motor. For a long time, the dc motor because of its adjustment speed is more flexible, simple method and so on, have been occupied dominant position in the field of transmission.In this paper, the double closed-loop irreversible dc PWM speed regulating system, a further study from the principle of dc adjusting system, gradually establish a closed-loop dc PWM adjustment model of the system.正文双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计设计分析双闭环调整系统的传动系统结构图直流PWM控制系统是直流脉宽调制式调速控制系统的简称，与晶闸管直流调速系统的区别在于用直流PWM变换器取代了晶闸管变流装置，作为系统的功率驱动器，系统构成原理图如下所示：直流PWM传动系统结构图其中属于脉宽调制调速系统主要由调制波发生器GM、脉宽调制器UPM、逻辑延时环节DLD和电力晶体管基极的驱动器GD和脉宽调制（PWM）变换器组成。