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一种基于Matlab的无刷直流电机控制系统建模仿真方法一、本文概述无刷直流电机（Brushless DC Motor, BLDC）以其高效率、低噪音、长寿命等优点，在航空航天、电动汽车、家用电器等领域得到广泛应用。
为了对无刷直流电机控制系统进行性能分析和优化，需要建立精确的数学模型并进行仿真研究。
Matlab作为一种强大的数学计算和仿真软件，为无刷直流电机控制系统的建模仿真提供了有力支持。
二、无刷直流电机控制系统原理1、无刷直流电机基本结构和工作原理无刷直流电机（Brushless Direct Current Motor，简称BLDCM）是一种基于电子换向技术的直流电机，其特点在于去除了传统直流电机中的机械换向器和电刷，从而提高了电机的运行效率和可靠性。
无刷直流电机主要由电机本体、电子换向器和功率驱动器三部分组成。
电机本体通常采用三相星形或三角形接法，其定子上分布有多个电磁铁（也称为线圈），而转子上则安装有永磁体。
当电机通电时，定子上的电磁铁会产生磁场，与转子上的永磁体产生相互作用力，从而驱动转子旋转。
电子换向器是无刷直流电机的核心部分，通常由霍尔传感器和控制器组成。
霍尔传感器安装在电机本体的定子附近，用于检测转子位置，并将位置信息传递给控制器。
控制器则根据霍尔传感器提供的位置信息，控制功率驱动器对定子上的电磁铁进行通电，从而实现电机的电子换向。
功率驱动器负责将控制器的控制信号转换为实际的电流，驱动定子上的电磁铁工作。
功率驱动器通常采用三相全桥驱动电路，具有输出电流大、驱动能力强等特点。
无刷直流电机的工作原理可以简单概括为：控制器根据霍尔传感器检测到的转子位置信息，控制功率驱动器对定子上的电磁铁进行通电，产生磁场并驱动转子旋转；随着转子的旋转，霍尔传感器不断检测新的转子位置信息，控制器根据这些信息实时调整电磁铁的通电状态，从而保持电机的连续稳定运行。
由于无刷直流电机采用电子换向技术，避免了传统直流电机中机械换向器和电刷的磨损和故障，因此具有更高的运行效率和更长的使用寿命。
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 =-。
《机电控制系统分析与设计》课程大作业一基于MATLAB的直流电机双闭环调速系统的设计与仿真学院：机电工程学院专业：机械设计制造及其自动化班级：0808108学号：1080810812姓名：林珍坤一、 设计参数转速、电流双闭环直流调速系统，采用双极式H 桥PWM 方式驱动。
电机参数：额定功率 200W ； 额定电压 48V ； 额定电流 4A ；额定转速 500r/min ；电枢回路总电阻 R=8Ω； 允许电流过载倍数 λ=2； 电势系数C e =0.04V ·min/r ； 电磁时间常数T L =0.008s ； 机电时间常数 T m =0.5；电流反馈滤波时间常数T oi =0.2ms ； 转速反馈滤波时间常数T on =1ms要求转速调节器和电流调节器的最大输入电压U *nm =U *im =10V ； 两调节器的输出限幅电压为10V ；PWM 功率变换器的的开关频率f=10kHz ； 放大倍数K=4.8； 动态参数设计指标： 稳态无静差；电流超调量i δ≤5%；空载启动到额定转速时的转速超调量δ≤25%； 过渡过程时间t s =0.5s 。
二、设计计算1. 稳态参数计算根据两调节器都选用PI 调节器的结构，稳态时电流和转速偏差均应为零；两调节器的输出限幅值均选择为12V电流反馈系数；A V A VI U im /25.14210nom *=⨯==λβ转速反馈系数：r V r Vn U nm min/02.0min/50010max *⋅===α 2. 电流环设计（1）确定时间常数电流滤波时间常数T oi =0.2ms ，按电流环小时间常数环节的近似处理方法，则s T T T oi s i 0003.00002.00001.0=+=+=∑（2）选择电流调节器结构电流环可按典型Ⅰ型系统进行设计。
电流调节器选用PI 调节器，其传递函数为ss K s W i i iACR ττ1)(+= （3）选择调节器参数 超前时间常数：i τ=T L =0.008s 电流环超调量为σi≤5%，电流环开环增益：应取5.0=∑i I T K ，则I K =i T ∑5.0=0003.05.0=1666.67 于是，电流调节器比例系数为0.00881666.6717.781.25 4.8i i I s R K K K τβ⨯=⋅=⨯=⨯ （4）检验近似条件电流环截止频率ci ω=I K =1666. 67 1/s1）近似条件1：ci ω ≤sT 31现在，s T 31=0003.01=3333.33>ci ω，满足近似条件。
《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。
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊摘要在电力拖动系统中，调节电压的直流调速是应用最广泛的一种调速方法，除了利用晶闸管整流器获得可调直流电压外，还可利用其它电力电子元件的可控性，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成极性可变，大小可调的直流电压，用以实现直流电动机电枢两端电压的平滑调节，构成直流脉宽调速系统，随着电力电子器件的迅速发展，采用门极可关断晶体管GTO、全控电力晶体管GTR、P-MOSFET、绝缘栅晶体管IGBT等一些大功率全控型器件组成的晶体管脉冲调宽型开关放大器（Pulse Width Modulated）,已逐步发展成熟，用途越来越广。
本文主要讨论了直流调速系统的基本概念，在此基础上系统地介绍了转速负反馈单闭环调速系统，转速电流负反馈双闭环调速系统的组成，工作原理，脉宽调速系统的原理和控制方法，介绍了直流脉宽调速系统的控制电路和系统构成。
最后应用MATLAB的Simulink，采用面向电气原理结构图的仿真技术，对直流脉宽调速系统进行了仿真分析。
关键词：调速，PWM控制，直流电动机，仿真┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊目录第一章引言1.1 直流调速系统简介 (5)1.2 PWM直流调速的研究背景和发展状况 (5)1.3 本设计的主要内容 (6)第二章直流电机调速系统2.1 直流电机调速系统的概述 (7)2.1.1 旋转变流机组直流电机调速系统 (7)2.1.2 静止式可控整流器调速系统 (7)2.1.3 直流斩波器或脉宽调速 (8)2.2 电机基本调速方法 (9)2.2.1 电枢串电阻调速 (9)2.2.2 弱磁调速 (9)2.2.3 调压调速 (10)2.3 转速控制的要求和调速指标 (10)2.4 闭环直流调速系统 (11)2.4.1单闭环直流调速系统 (11)2.4.2 转速电流双闭环调速系统 (14)2.4.2.1 双闭环系统的稳态结构图和静特性 (16)2.4.2.2 各变量的稳态工作点和稳态参数计算 (17)2.4.2.3 双闭环直流调速系统的启动过程分析 (18)2.4.2.4 转速和电流两个调节器的作用 (20)第三章PWM调制技术与PWM变换器3.1 PWM调制技术 (21)3.1.1 模拟式PWM控制 (21)3.1.2 数字式PWM控制 (22)3.2 PWM变换器 (23)3.2.1 简单的不可逆PWM变换器 (23)3.2.2 制动不可逆PWM变换器 (24)3.2.3 H型双极式PWM变换器 (26)第四章PWM直流电动机调速系统的设计4.1 PWM-M直流调速系统的控制电路 (28)4.2 系统设计方案的选择 (29)4.2.1主电路供电方案选择 (29)4.2.2主电路形式的选择 (30)4.2.3控制电路方案的选择 (32)4.3 直流脉宽调速系统的MATLAB仿真 (33)┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊4.3.1 引言 (33)4.3.2双闭环控制的脉宽调速系统的仿真模型 (33)4.3.3 系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析 (36)总结 (39)参考文献 (40)┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊第一章引言1.1 直流调速系统简介调速系统包括直流调速系统和交流调速系统两大类。
基于PWM控制技术的直流电机驱动系统设计摘要：本文基于PWM控制技术，研究了直流电机驱动系统的设计。
文章首先介绍了直流电机的基本原理和结构特点，然后阐述了PWM控制技术的基本原理和实现方法，接着分析了直流电机驱动系统中常见的驱动电路，并通过实验验证了PWM控制技术的优点和应用价值。
最后，总结了本文的研究结论，提出了后续研究的方向和建议。
关键词：PWM控制技术；直流电机；驱动电路；应用价值Abstract: This paper is based on PWM control technology, studying the design of DC motor drive system. Firstly, the basic principle and structural characteristics of DC motor are introduced, then the basic principle and implementation method of PWM control technology are elaborated, and the common drive circuits in DC motor drive system are analyzed. Through experiments, we verified the advantages and application value of PWM control technology. Finally, the research conclusions were summarized, and the direction and suggestions for subsequent research were proposed.Keywords: PWM control technology; DC motor; Drive circuit; Application value一、绪论直流电机作为一种常见的电动机，具有结构简单、容易控制、启动转矩大等优点，广泛应用于机械、电子、汽车等各个领域。
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单闭环直流调速控制系统设计方案稿一、概述本文将介绍一种基于PWM单闭环直流调速控制系统的设计方案。
该控制系统采用先进的数字信号处理技术，结合现代控制理论，实现了对直流电机的速度闭环控制。
通过控制电机的输入电压和电流，可以实现对电机的速度和转矩的调节。
二、系统组成系统由控制器、电源、电机、位置传感器等组成。
1. 控制器控制器采用单片机作为核心，结合高性能数字信号处理器（DSP）实现对直流电机的控制。
控制器的输入信号包括电机的速度信号和电流信号，输出信号为PWM波形输出信号。
控制器还可以接受外部命令，以实现自动控制。
2. 电源电源模块主要提供DC电压和电流，以驱动电机运转。
电源还需要具备良好的稳定性和可靠性，以确保电机的顺畅运行。
3. 电机电机是系统中最重要的组成部分，它产生的动力能够驱动机械系统的运动。
电机主要由电路板、转子和定子组成。
电机所选定子是具有良好导电、高强度、低热膨胀系数、低扭矩波动等性能的材料。
4. 位置传感器位置传感器主要用于检测电机的运动状态和位置。
这里采用霍尔效应传感器，它可以通过感应磁场的变化来检测转子位置和转速。
三、控制原理PWM（Pulse Width Modulation）可以用来控制电机的速度和转矩，可实现大功率的低损耗控制，是电动汽车等应用领域的重要技术。
PWM单闭环直流调速控制系统采用电流控制和速度控制两个环节，实现对直流电机的闭环控制。
电流控制环节主要用来控制电流大小和方向。
在此环节中，通过对电机的PWM控制信号来控制电机的输入电流，可以实现对电机转矩的调节。
2. 速度控制环节本系统的控制器选用TI的C2000系列数字信号处理器作为核心，主要用于PWM输出信号的实现和电机控制功能的实现。
该数字信号处理器具有高性能、低功耗、高可靠性等优点，能够满足本系统的控制要求。
控制器主要由PWM模块、ADC模块、PID控制器、位置检测器等组成。
其中，PWM模块用来实现电机的PWM信号输出，ADC模块用来实现电机的电流量测和速度量测，PID控制器用来根据电机的速度信号和目标速度信号计算出PWM信号，位置检测器用来检测电机的位置。
基于PWM技术的无刷直流电机的调速系统设计Brushless DC Motor Speed Control System Based On PWM摘要无刷直流电机(BLDCM)具有调速性能优异、运行性能可靠和维护方便等优点，相较于有刷直流电机，其采用电子换向取代机械换向，有效地提高了电动机的运行效率，也使得其成品体积更加的轻巧。
但是无刷直流电机也存在转矩脉动、控制器复杂、成本较高等缺陷，这些缺陷的存在也一定程度上影响了无刷直流电机作为高效、先进电机在应用上的普及，因此研究如何改善以及解决无刷直流电机存在的问题便具有更加明显的现实意义。
MATLAB是一款用于数据分析与计算、算法开发以及动态系统建立与仿真的数学软件。
最初是由美国MathWorks公司出品的商用数学软件，其由Matlab和Simulink 两个重要组成部分构成，现在更是应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。
本文通过对无刷直流电机结构以及工作原理的研究与分析，找出导致其具有较大转矩脉动的原因，并先从理论上得到如何抑制转矩脉动的方法，再通过Matlab 建立起无刷直流电机的仿真模型，对其仿真结果进行分析与改善，从而有效地抑制无刷直流电机的转矩脉动。
关键词：无刷直流电机，转矩脉动，仿真模型AbstractBrushless DC motor (BLDCM) has excellent speed performance, reliable performance and easy maintenance, etc., compared to a brush DC motor, which uses electronically commutated replace mechanical commutation, effectively improve the operating efficiency of the motor, but also so that the volume of the finished product more compact. But there brushless DC motor torque ripple controller complexity, high cost and other defects, the presence of these defects also affected to some extent, a brushless DC motor as efficient and advanced motor universal in application, how to improve and therefore research solve the problems of the brushless DC motor will have more obvious practical significance.MATLAB is a tool for data analysis and computation, algorithm development, and simulation of dynamic systems to establish and mathematical software. MathWorks was originally developed by the US company produced commercial mathematical software, which consists of Matlab and Simulink are two important parts, and now it is used in engineering calculations, control design, signal processing and communications, image processing, signal detection, financial modeling design and analysis and other fields.Based on the brushless DC motor structure and working principle of research and analysis to identify the cause of which has a large torque ripple, and theoretically first get how to suppress torque ripples, established through Matlab brushless Simulation Model DC motor, its simulation results are analyzed and improved in order to effectively suppress the torque ripple of the brushless DC motorKeywords:Brushless DC motor; The torque pulsation; The simulation model目录第一章绪论 (6)1.1 研究背景及研究意义 (6)1.2 无刷直流电机调速系统的国内外研究现状 (7)1.3 本文的主要研究内容及章节安排 (8)第二章无刷直流电机的基本原理 (9)2.1 无刷直流电机的基本结构 (9)2.1.1 电机本体 (9)1.电动机定子 (9)2. 电动机转子 (10)2.1.2 位置传感器 (10)2.2 无刷直流电机的工作原理及换相过程 (12)2.2.1 无刷直流电机的工作原理 (13)2.2.2 无刷直流电机的换相过程 (15)2.3 无刷直流电机的应用 (16)2.4 本章小结 (16)第三章基于PWM技术的无刷直流电机转矩脉动抑制 (17)3.1 PWM控制技术简介 (17)3.1.1 PWM控制技术的基本原理 (17)3.1.2 PWM控制技术的控制方法 (18)3.2 Buck变换器的原理及控制方式 (19)3.2.1 Buck变换器的原理 (19)3.2.2 Buck变换器的控制方式 (20)3.3 无刷直流电机转矩脉动的产生 (20)3.3.1传导区转矩脉动 (21)3.3.2换相区转矩脉动 (22)3.4 无刷直流电机转矩脉动的抑制 (24)3.5 本章小结 (27)第四章无刷直流电机的仿真分析 (28)4.1 MATLAB和SIMULINK的介绍 (28)4.2 无刷直流电机的数学模型 (29)4.2.1电机本体模块 (30)4.2.2转矩计算模块 (31)4.2.3速度控制模块 (32)4.2.4电流控制模块 (32)4.2.5电压逆变模块 (33)4.3无刷直流电机的仿真结果 (33)4.4本章小结 (38)结论 (39)致谢 (40)参考文献 (41)附录 (42)第一章绪论1.1 研究背景及研究意义对于工厂生产和社会发展而言，电力拖动都有着举足轻重的地位，为了满足生产工艺的需求，通过控制电机的转矩以及转速来控制电动机的转速以及位置，这样就可以形成一个自动化系统，称之为电力拖动。
单闭环直流调速系统的仿真研究【基于MATLAB软件的仿真】《论文》1引言调速方法通常有机械的、电气的、液压的、气动的几种，仅就机械与电气调速方法而言，也可采用电气与机械配合的方法来实现速度的调节。
电气调速有许多优点，如可简化机械变速机构，提高传动效率，操作简单，易于获得无极调速，便于实现远距离控制和自动控制，因此，在生产机械中广泛采用电气方法调速。
1.1直流调速系统的概述由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。
就目前来看，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。
在我国许多工业部门，如海洋钻探、纺织、轧钢、矿山、采掘、金属加工、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合，仍然广泛采用直流调速系统。
而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。
随着GTO晶闸管、GTR、P-MOSFET、IGBT和MCT等全控型功率器件的问世，这些有自断能力的器件逐步取代了原来普通晶闸管系统所必须的换向电路，简化了电路的结构，提高了效率和工作频率，降低了噪声，缩小了电力电子装置的体积和重量。
谐波成分大、功率因素差的相控变流器逐步被斩波器或脉冲宽度调制器所代替，明显的扩大了电动机控制的调速范围，提高了调速精度，改善了快速性、效率和功率因素。
PWM电源终将取代晶闸管相控式可控功率电源，成为电源的主流。
随着信息、控制与系统学科以及电力电子的发展，电力拖动系统获得了迅猛发展，从旋转交流机组到水银整流器静止交流装置、晶闸管整流装置，再到众多集成电力模块。
目前完全数字化的控制装置已成功应用于生产，以微机作为控制系统的核心部件，并具有控制、检测、监视、故障诊断及故障处理等多功能电气传动系统正处在形成和不断完善之中。
1.2本章小结本章介绍了直流调速系统的研究前景及其优点。
单片机原理及应用课程设计报告设计题目：学院：专业：班级：学号：学生姓名：指导教师：年月日目录设计题目 (1)1 设计要求及主要技术指标： (1)1.1 设计要求 (1)1.2 主要技术指标 (2)2 设计过程 (2)2.1 题目分析 (4)2.2 整体构思 (4)2.3 具体实现 ................... 错误!未定义书签。
3 元件说明及相关计算 (5)3.1 元件说明 (5)3.2 相关计算 (6)4 调试过程 (6)4.1 调试过程 (6)4.2 遇到问题及解决措施 (7)5 心得体会 (7)参考文献 (8)附录一：电路原理图 (9)附录二：程序清单 (9)设计题目：PWM直流电机调速系统本文设计的PWM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；定时中断；电动机；PWM波形；LED显示器；51单片机1 设计要求及主要技术指标：基于MCS-51系列单片机AT89C52，设计一个单片机控制的直流电动机PWM调速控制装置。
1.1 设计要求（1）在系统中扩展直流电动机控制驱动电路L298，驱动直流测速电动机。
（2）使用定时器产生可控的PWM波，通过按键改变PWM占空比，控制直流电动机的转速。
（3）设计一个4个按键的键盘。
K1:“启动/停止”。
K2：“正转/反转”。
K3：“加速”。
K4:“减速”。
（4）手动控制。
在键盘上设置两个按键----直流电动机加速和直流电动机减速键。
直流调速系统的MATLAB 仿真一、开环直流速系统的仿真开环直流调速系统的电气原理如图1所示。
直流电动机的电枢由三相晶闸管整流电路经平波电抗器L 供电，通过改变触发器移相控制信号c U 调节晶闸管的控制角α，从而改变整流器的输出电压，实现直流电动机的调速。
该系统的仿真模型如图2所示。
图1 开环直流调速系统电气原理图图2 直流开环调速系统的仿真模型为了减小整流器谐波对同步信号的影响，宜设三相交流电源电感s 0L =，直流电动机励磁由直流电源直接供电。
触发器（6-Pulse ）的控制角（alpha_deg ）由移相控制信号c U 决定，移相特性的数学表达式为minc cmax9090U U αα︒-=︒-在本模型中取min 30α=︒，cmax 10V U =，所以c 906U α=-。
在直流电动机的负载转矩输入端L T 用Step 模块设定加载时刻和加载转矩。
仿真算例1 已知一台四极直流电动机额定参数为N 220V U =，N 136A I =，N 1460r /min n =，a 0.2R =Ω，2222.5N m GD =⋅。
励磁电压f 220V U =，励磁电流f 1.5A I =。
采用三相桥式整流电路，设整流器内阻rec 0.3R =Ω。
平波电抗器d 20mH L =。
仿真该晶闸管-直流电动机开环调速系统，观察电动机在全压起动和起动后加额定负载时的电机转速n 、电磁转矩e T 、电枢电流d i 及电枢电压d u 的变化情况。
N 220V U =仿真步骤：1）绘制系统的仿真模型（图2）。
2）设置模块参数（表1） ① 供电电源电压N rec N 2min 2200.3136130(V)2.34cos 2.34cos30U R I U α++⨯==≈⨯︒② 电动机参数 励磁电阻：f f f 220146.7()1.5U R I ===Ω 励磁电感在恒定磁场控制时可取“0”。
电枢电阻：a 0.2R =Ω电枢电感由下式估算：N a N N 0.422019.119.10.0021(H)2221460136CU L pn I ⨯==⨯≈⨯⨯⨯电枢绕组和励磁绕组间的互感af L ：N a N e N 2200.21360.132(V min/r)1460U R I K n --⨯==≈⋅T e 60600.132 1.262π2πK K ==⨯≈ T af f 1.260.84(H)1.5K L I === 电机转动惯量2222.50.57(kg m )449.81GD J g ==≈⋅⨯③ 额定负载转矩L T N 1.26136171.4(N m)T K I ==⨯≈⋅表1 开环直流调速系统主要模型参数3）设置仿真参数：仿真算法odel5s ，仿真时间5.0s ，直流电动机空载起动，起动2.5s 后加额定负载L 171.4N m T =⋅。
双闭环直流电动机调速系统设计及M A T L A B仿真(共21页)-本页仅作为预览文档封面，使用时请删除本页-目录1、引言..................................................错误!未定义书签。
二、初始条件：...........................................错误!未定义书签。
三、设计要求：...........................................错误!未定义书签。
四、设计基本思路.........................................错误!未定义书签。
五、系统原理框图.........................................错误!未定义书签。
六、双闭环调速系统的动态结构图...........................错误!未定义书签。
七、参数计算.............................................错误!未定义书签。
1. 有关参数的计算 ...................................错误!未定义书签。
2. 电流环的设计 .....................................错误!未定义书签。
3. 转速环的设计 .....................................错误!未定义书签。
七、双闭环直流不可逆调速系统线路图.......................错误!未定义书签。
1.系统主电路图 ......................................错误!未定义书签。
2.触发电路 ..........................................错误!未定义书签。
3.控制电路 ..........................................错误!未定义书签。
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊摘要在电力拖动系统中，调节电压的直流调速是应用最广泛的一种调速方法，除了利用晶闸管整流器获得可调直流电压外，还可利用其它电力电子元件的可控性，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成极性可变，大小可调的直流电压，用以实现直流电动机电枢两端电压的平滑调节，构成直流脉宽调速系统，随着电力电子器件的迅速发展，采用门极可关断晶体管GTO、全控电力晶体管GTR、P-MOSFET、绝缘栅晶体管IGBT等一些大功率全控型器件组成的晶体管脉冲调宽型开关放大器（Pulse Width Modulated）,已逐步发展成熟，用途越来越广。
本文主要讨论了直流调速系统的基本概念，在此基础上系统地介绍了转速负反馈单闭环调速系统，转速电流负反馈双闭环调速系统的组成，工作原理，脉宽调速系统的原理和控制方法，介绍了直流脉宽调速系统的控制电路和系统构成。
最后应用MATLAB的Simulink，采用面向电气原理结构图的仿真技术，对直流脉宽调速系统进行了仿真分析。
关键词：调速，PWM控制，直流电动机，仿真┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊目录第一章引言1.1 直流调速系统简介 (5)1.2 PWM直流调速的研究背景和发展状况 (5)1.3 本设计的主要内容 (6)第二章直流电机调速系统2.1 直流电机调速系统的概述 (7)2.1.1 旋转变流机组直流电机调速系统 (7)2.1.2 静止式可控整流器调速系统 (7)2.1.3 直流斩波器或脉宽调速 (8)2.2 电机基本调速方法 (9)2.2.1 电枢串电阻调速 (9)2.2.2 弱磁调速 (9)2.2.3 调压调速 (10)2.3 转速控制的要求和调速指标 (10)2.4 闭环直流调速系统 (11)2.4.1单闭环直流调速系统 (11)2.4.2 转速电流双闭环调速系统 (14)2.4.2.1 双闭环系统的稳态结构图和静特性 (16)2.4.2.2 各变量的稳态工作点和稳态参数计算 (17)2.4.2.3 双闭环直流调速系统的启动过程分析 (18)2.4.2.4 转速和电流两个调节器的作用 (20)第三章PWM调制技术与PWM变换器3.1 PWM调制技术 (21)3.1.1 模拟式PWM控制 (21)3.1.2 数字式PWM控制 (22)3.2 PWM变换器 (23)3.2.1 简单的不可逆PWM变换器 (23)3.2.2 制动不可逆PWM变换器 (24)3.2.3 H型双极式PWM变换器 (26)第四章PWM直流电动机调速系统的设计4.1 PWM-M直流调速系统的控制电路 (28)4.2 系统设计方案的选择 (29)4.2.1主电路供电方案选择 (29)4.2.2主电路形式的选择 (30)4.2.3控制电路方案的选择 (32)4.3 直流脉宽调速系统的MATLAB仿真 (33)┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊4.3.1 引言 (33)4.3.2双闭环控制的脉宽调速系统的仿真模型 (33)4.3.3 系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析 (36)总结 (39)参考文献 (40)┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊第一章引言1.1 直流调速系统简介调速系统包括直流调速系统和交流调速系统两大类。
由于直流电动机的电压、电流和磁通之间的耦合较弱，使直流电动机具有良好的机械特性，能够在大范围内平滑调速，启动、制动性能良好，故其在20世纪70年代以前一直在高精度、大调速范围的传动领域内占据主导地位。
但随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显示出来。
由于换向从20世纪80年代起，在电气传动自动化领域中出现了一个革命性的变化，这就是交流电动机调速技术取得了突破性进展。
众所供1.2 PWM直流调速的研究背景和发展状况有许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地起动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是说，需要可逆的调速系统。
改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电机的旋转方向。
控制技术已居世界先进水平。
但由于造价较高，目前在国内应用局限性较大，在较短的时间内难以取代较为落后的直流调速。
相对而言，PWM直流调速系统主电路线路简单，功率元件少，开关频率高，其控制水平从1000Hz可达到4000Hz，电机电流连续，低速性能好，谐波少，稳态精度高，脉动小，损耗和发热都较小，调速范围宽，调速系统频带宽，快速响应性好，动态抗扰能力强。
直流电机脉冲宽度调制调速系统产生于70年代中期.最早用于不可逆、小功率驱动,例如自动跟步研究，在调速精度要求较高的场合，对解决传统直流调速系统调速精度低、稳定性差的难题，具有广泛的意义和价值。
1.3本设计的主要内容本文共分为四章，主要针对直流调速系统的PWM控制进行相关研究。
第一章主要概述了直流电机调速系统的研究背景与发展现状；第二章介绍了直流电机调速系统的理论基础，简要介绍了调速的原理和结构；第三章介绍了脉宽调制原理及对目前常用的各种PWM变换器进行了分析；第四章对基于PWM控制技术的直流电机调速系统进行了设计，并运用计算机软件对其进行了仿真研究；最后对全文进行了总结。
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊第二章直流电机调速系统2.1直流电机调速系统的概述直流电动机调速系统经历不同的三个阶段：2.1.1旋转变流机组直流电机调速系统如图2-1，旋转变流机组直流电动机调速系统（G-M系统）由交流电动机（异步机或同步机）拖动直流发电机G实现变流，由G给需要的直流电动机M供电，调节G的励磁电流f i即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n。
这种调速系统在60年代曾广泛使用，但该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，因此设备多，体积大，费用高，效率低，安装须打地基，运行有噪声，维护不方便。
图2-1旋转变流机组直流电动机调速系统（G-M系统）2.1.2静止式可控整流器调速系统自从晶闸管（俗称“可控硅”）问世，到了60年代，已生产出成套的晶闸管整流装置，并应用于直流电动机调速系统，即晶闸管可控整流器供电的直流调速系统┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊（V-M系统）。
如图2-2，VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压cU来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压dU，从而实现平滑调速。
和旋转变的散热条件。
另外，由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，因此必须添置无功补偿和谐波滤波装置。
图2-2晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）2.1.3 直流斩波器或脉宽调速图2-3直流斩波器—电动机系统的原理图和电压波形2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。
3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽。
4）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗绕能力强。
5）开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而全取代了V—M系统。
2.2电机基本调速方法由电机学基本理论可知，直流电动机转速特性方程式为┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊Φ—励磁磁通（Wb）；eK—由电机结构决定的电动势常数；由上式可见，直流电动机调速方案可有以下三种。
2.2.1电枢串电阻调速图2-4调阻调速特性曲线如围窄，不能实现无级平滑调速，只用于一些要求不高的场合。
2.2.2弱磁调速图2-5磁调速特性曲线普也增大。
弱磁调速虽然能实现平滑调速，但其调速范围太小，特性较软，因而只是在额定转速以上作小范围升速时才采用。
2.2.3调压调速┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊图2-6调压调速特性曲线如图2-6，额定励磁保持不变，理想空载转速n随U减小而减小，各特性线斜率不变，由此可动系统中被广泛采用。
2.3转速控制的要求和调速指标对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面：1）调速2）备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。
为了进行定maxminDnn=（2-2）2）静差率：负载由理想空载增加到额定值时，对应的转速降落Nn∆，与理想空载转速n之比，称作静差率s，即Nnsn∆=（2-3）一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的。
对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。
对于同一个调速系统，项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义，一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。
2.4 闭环调速系统┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊2.4.1 单闭环调速系统根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差图2-7a 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图将给定量和扰动量看成两个独立的输入量，只考虑给定作用时的闭环系统：p seK KKCα=（2-5）它相当于在测速反馈电位器输出端把反馈回路断开后，从放大器输入起直到测速反馈输出为止总的电压放大系数，是各环节单独的放大系数的乘积。
电动机环节放大系数为：eECn=（2-6）只考虑扰动作用时的闭环系统：图2-7cnU*=0时de(1)RInC K=-+（2-7）由于已认为系统是线性的，可以把二者叠加起来即得系统的静特性方程式：如果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为*p s n0d00e ed dp peK K UU I R RIn n nC C C-==-=-∆（2-9）而闭环时的静特性可写成┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊*p s n0de e(1)(1)(1)d dcl cleK K UU I R RIn n nC K C K C K-==-=-∆+++（2-10）其中0pn和0cln分别表示开环和闭环系统的理想空载转速，opn∆和cln∆分别表示开环和闭环系统的稳态速降。
clclclnsn∆=（2-15）按理想空载转速相同的情况比较，则0opn=0cln时：1opclssK=+（2-16）如调制的输出电压dU，使系统工作在新的机械特性上，因而转速有所回升，速度降落降低。
由此看来，闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降。
