下载文档原格式
直流脉宽调速系统的原理
直流脉宽调速系统是一种常用的电动机调速方法，其原理是通过控制电源给电动机供电的脉冲宽度，来调节电机转速。
具体原理如下：
1. 电源模块：系统通过电源提供给电动机稳定的直流电。
2. 控制模块：控制模块根据用户的需求，通过控制信号来调节电源输出的脉冲宽度。
一般常用的调速方法有开关调速和调整调速。
3. 脉冲宽度调制（PWM）：控制模块输出的控制信号经过脉冲宽度调制（PWM），将模拟信号转换为脉冲信号。
脉冲的宽度表示电源供电的时间，具体宽度决定了电机的转速。
4. 电机驱动模块：控制模块输出的脉冲信号通过电机驱动模块传输给电机，控制电机的转速。
5. 反馈信号：在实际应用中，为了保证系统的稳定性和精度，会引入速度或位置的反馈信号，通过传感器采集电机的实际转速或位置，并反馈给控制模块，用于精确调节输出的脉冲宽度。
通过控制脉冲宽度的变化，可以改变电机驱动的平均电压和电流，从而控制电机的转速。
当脉冲宽度增加时，电机驱动的平均电流增大，电机转速也增加。
反之，
当脉冲宽度减小时，电机驱动的平均电流减小，电机转速降低。
总之，直流脉宽调速系统通过控制脉冲宽度来调节电机供电时间，从而控制电机的转速。
该系统具有调速范围广、调速响应快、控制精度高等优点，被广泛应用于各种需要调速控制的场合，如工业生产中的机械设备、自动化系统等。
1目录PWM直流脉宽调速系统 (1)1 概述 (1)2 设计任务及要求 (2)2.1 主要任务 (2)2.2 设计要求 (2)3 理论设计 (3)3.1 方案论证 (3)3.2 系统模型的建立 (5)3.2.1 直流电机模型 (5)3.2.2 调速系统动态模型 (8)3.3 调速系统性能分析 (9)3.3.1 静态性能和启动过程 (9)3.3.2 动态性能 (11)3.3.3 两个调节器的作用 (12)3.4 调节器设计 (13)4 MATLAB仿真 (19)4.1 PWM直流脉宽调速系统仿真 (19)4.2 仿真结果 (19)5 小结 (20)参考文献 (21)附页 (21)1概述直流电动机具有良好的起、制动性能，易于在大范围内平滑调整，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统中得到了广泛的应用。
自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器--直流电动机调速系统，简称直流PWM调速系统。
直流PWM调速系统采用门极可关断晶闸管GTO、全控电力晶体管GTR、MOSFET、IGBT等电力电子器件组成的直流脉冲宽度（PWM）型的调速系统近年来已经发展成熟，用途越来越广泛，与晶闸管可控整流调速系统（V-M系统）相比，在很多方面具有较大的优越性：（1）主电路线路简单，需用的功率元件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；（4）系统频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强；（5）主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高；（6）直流电源采用不可控三相整流时，电网功率因数高。
2 主要任务及要求题目中所给的负载电机额定数据如下：P N=8.5KW，U N=230V，I N=37A，n N=1450r/min，R a=1.0Ω，I fn=1.14A，GD2=2.96N.m2 T m=0.07s，T l=0.005s所给出的PWM变流装置参数如下：R rec=0.5Ω，K s=44。
1．直流脉宽调速系统驱动电源1.1任务和意义生产实习的主要任务是设计一个直流电动机的脉宽调速（直流PWM）驱动电源。
纵观运动控制的发展历史，交、直流两大电气传动并存于各个应用领域。
由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，20世纪30年代起就开始使用直流调速系统。
直流调速系统由最早的旋转变流机组控制，发展为用静止的晶闸管变流装置和模拟控制器实现调速，到现在由大功率开关器件组成的PWM电路实现数字化的调速，系统的快速性、可靠性、经济性不断提高，应用领域不断扩展。
尽管目前对交流系统的研究比较“热门”，但是其控制性能在某些方面还达不到直流PWM系统的水平。
直流PWM控制技术作为一门新型的控制技术，其发展潜力还是相当大的。
而且，直流PWM技术是电力电子领域广泛采用的各种PWM技术的典型应用和重要基础，掌握直流PWM技术对于学习和运用交流变频调速中SPWM技术有很大的帮助和借鉴作用。
1.2技术指标被控直流永磁电动机参数：额定电压20V，额定电流1A,额定转速2000rpm。
驱动系统的调速范围：大于1：100。
驱动系统应具有软启动功能，软启动时间约为2s.1.3设计内容：1）主电路的设计，器件的选型。
包括含整流变压器在内的整流电路设计和H桥可逆斩波电路的设计（要求采用IPM作为DC/DC变换的主电路，型号为PS21564）。
2）PWM控制电路的设计（指以SG3525为核心的脉宽调节电路）。
3）IPM接口电路设计（包括上下桥臂元件的开通延迟，及上桥臂驱动电源的自举电路）。
4）DC15V控制电源的设计（采用LM2575系列开关稳压集成电路，直接从主电路的直流母线电压经稳压获得）。
2.脉宽调制技术脉宽调制技术简称PWM,PWM控制技术就是半导体开关元件的导通和关断时间比，即调节脉冲宽度或周期来控制输出电压的一种控制技术。
近年来，随着全控型器件的不断发展和PWM技术的日益完善，已广泛应用于变频调速和开关电源等领域。
PWM常用于电压型逆变器，它可消除或减小低次谐波，滤波器体积可减小，有利于小型化和降低成本。
直流脉宽调速系统脉宽调速系统的主电路采纳脉冲宽度调制（PWM）式变换器，脉宽调制式变换器是采纳脉冲宽度调制的一种斩波器。
直流斩波器节能效果显著，最初应用于直流电力机车，目前在中、小容量的调速系统中已得到广泛的应用。
与“晶闸管--直流电动机”系统相比，直流脉宽调速系统具有如下特点：1）采纳绝缘栅双极性晶体管(IGBT)、功率场效应管(P-MOSFET)、门极可关断晶闸管(GTO)、全控电力晶体管等电子器件，主电路简洁，所需功率元件少；且主电路工作在开关状态，损耗少、效率高。
2）开关频率高、电流连续、谐波成分低、电动机损耗小。
3）系统频带宽，快速性好、动态抗干扰力量强。
4）系统低速性能好、调速范围宽、稳态精度高。
直流脉宽调速系统的静、动态特性分析方法和晶闸管相位掌握的直流调速系统基本相同，区分仅在于主电路和脉宽调制掌握电路。
与前述晶闸管直流调速系统不同，直流脉宽调速系统的脉宽调制放大器常采纳电力晶体管（GTR）、功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管(IGBT)或功率集成芯片等器件替换晶闸管变流器，因而它具有功率元件比晶闸管直流调速系统少、线路简洁、系统功率因数好、脉宽调制频率高（达2kHz～3kHz）、系统反应快、电机低速运转平稳、调速范围宽等优点。
1. PWM直流不行逆调速系统图5-51为PWM直流不行逆调速系统原理图，图中ASR为转速调整器，ACR为电流调整器，GT为三角波发生器，GP为脉冲发生器，AOP为过电流爱护单元，BC为电流变换器，BV为速度变换器，其技术数据如表所示。
表PWM直流不行逆调速装置技术参数型号规格见各厂样本直流额定电压直流额定电流静差度调速范围适用电动机功率180V或220V10A、30A、60A≤+0.4%（最高速）1:500(测速发电机反馈)1kW～10kW 2. PWM直流可逆调速系统。
目录1绪论 (2)1.1直流电动机的调速方法 (2)1.2选择PWM控制系统的理由 (3)1.3采用转速电流双闭环的理由 (3)1.4设计技术指标要求 (4)2 PWM直流调速系统主电路设计 (5)2.1主电路结构设计 (6)2.2主电路逆变工作原理 (7)2.3 PWM变换器介绍 (8)2.4 参数设计 (11)3直流脉宽调速系统触发电路设计 (13)3.1触发控制电路设计 (13)3.2 PWM信号发生器 (14)3.3 SG3525芯片的主要特点 (15)4转速、电流双闭环设计 (19)4.1电流调节器设计 (19)4.2转速调节器设计 (20)5参数测定 (20)5.1测定晶闸管直流调速系统主电路电阻值R、电感值L (20)5.2测定晶闸管直流调速系统主电路电磁时间常数Td (22)5.3测定直流电动机电势常数Ce和转矩常数Cm (22)5.4测定晶闸管直流调速系统机电时间常数Tm (23)6系统调试 (24)6.1单元部件调试 (24)6.2闭环系统特性测试 (25)6.3系统动态特性观察 (26)7结束语 (28)8参考文献 (29)1绪论1.1直流电动机的调速方法直流调速技术的研究和应用已达到比较成熟的地步，尤其是随着全数字直流调速的出现，更提高了直流调速系统的精度及可靠性。
目前国内各大专院校，科研单位和厂家也都在开发直流调速装置，但大多数调速技术都是结合工业生产中，而在民用中应用相对较少，所以应用已有的成熟技术开发性能价格比高的，具有自主知识产权的直流调速单元，将有广阔的应用前景。
本系统采用转速环和电流环双闭环结构,因此需要实时检测电机的电枢电流并把它作为电流调节器的反馈信号。
由电动机理论知，直流电动机的机械特性方程为T R C C C U n m e e Nφφ2N -=式中 n N ——直流电动机的转速（r/min ）U N ——电动机的额定电压(v)：R ——电动机电枢电路总电阻(Ω)C e——电动势常数(v·min／r)； C m ——转矩常数，C m ＝9.55C e ;T ——电动机电磁转矩(N·m)；φ——电动机磁通(wb)。
PWM脉宽直流调速系统设计1.系统框图设计PWM脉宽直流调速系统主要由三部分组成：电源模块、控制模块和驱动模块。
电源模块负责为系统提供稳定的直流电源，控制模块负责根据设定的参数控制驱动模块的输出，驱动模块负责将控制信号转换成适合直流电机的驱动信号。
系统框图如下所示：```+-------------+Control signa------------->， Controlmodul+-------------+PWM signa+-------------+Power supply------------->， Powermodul+-------------+DC voltag+-------------+PWM signal------------->， Drivemodul+-------------+DC motor```2.电源模块设计电源模块的目标是提供稳定的直流电源。
常见的设计是使用整流电路将交流电转换为直流电，然后通过滤波电路去除纹波，最后使用稳压电路提供稳定的直流电压。
3.控制模块设计控制模块的目标是将输入的调速信号转换为合适的占空比控制信号。
通常使用微控制器或FPGA来实现，通过编程来实现对占空比的控制。
控制模块需要接收输入的设定转速信号，并根据反馈信号进行闭环控制。
4.驱动模块设计驱动模块的目标是将控制信号转换为适合直流电机的驱动信号。
在PWM调速系统中，常见的驱动模块是H桥驱动器。
H桥驱动器可根据输入信号的极性和占空比，选择合适的电平输出。
驱动模块还需要保证输出的电压和电流能满足直流电机的工作要求。
5.系统控制策略选择综上所述，PWM脉宽直流调速系统的设计包括系统框图设计、电源模块设计、控制模块设计和驱动模块设计。
设计时需要合理选择控制策略，并根据具体应用场景确定系统的参数和性能要求。
随着技术的不断发展，PWM脉宽直流调速系统的控制精度和响应速度也在不断提高，使其在工业控制和自动化领域中得到广泛应用。
沈阳理工大学课程设计摘要调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一中系统。
目前对调速性能要求较高的各类生产机械大多采用直流传动，简称为直流调速。
早在20世纪40年代采用的是发电机－电动机系统，又称放大机控制的发电机－电动机组系统。
这种系统在40年代广泛应用，但是它的缺点是占地大，效率低，运行费用昂贵，维护不方便等，特别是至少要包含两台与被调速电机容量相同的电机。
为了克服这些缺点，50年代开始使用水银整流器作为可控变流装置。
这种系统缺点也很明显，主要是污染环境，危害人体健康。
50年代末晶闸管出现，晶闸管变流技术日益成熟，使直流调速系统更加完善。
晶闸管－电动机调速系统已经成为当今主要的直流调速系统，广泛应用于世界各国。
近几年，交流调速飞速发展，逐渐有赶超并代替直流调速的趋势。
直流调速理论基础是经典控制理论，而交流调速主要依靠现代控制理论。
不过最近研制成功的直流调速器，具有和交流变频器同等性能的高精度、高稳定性、高可靠性、高智能化特点。
同时直流电机的低速特性，大大优于交流鼠笼式异步电机，为直流调速系统展现了无限前景。
单闭环直流调速系统对于运行性能要求很高的机床还存在着很多不足，快速性还不够好。
而基于电流和转速的双闭环直流调速系统静动态特性都很理想。
关键字：调速系统直流调速器晶闸管晶闸管－电动机调速系统沈阳理工大学课程设计目录1 绪论 (1)1.1 背景 (1)1.2 直流调速系统的方案设计 (1)1.2.1 设计已知参数 (1)1.2.2 设计指标 (2)1.2.3 现行方案的讨论与比较 (2)1.2.4 选择PWM控制系统的理由 (2)1.2.5 选择IGBT的H桥型主电路的理由 (3)1.2.6 采用转速电流双闭环的理由 (3)2 直流脉宽调速系统主电路设计 (4)2.1 主电路结构设计 (4)2.1.1 PWM变换器介绍 (4)2.1.2 泵升电路 (7)2.2 参数设计 (7)2.2.1 IGBT管的参数 (7)2.2.2 缓冲电路参数 (8)2.2.3 泵升电路参数 (8)3 直流脉宽调速系统控制电路设计 (9)3.1 PWM信号发生器 (9)3.2 转速、电流双闭环设计 (9)3.2.1 电流调节器设计 (10)3.2.2 转速调节器设计 (13)4 系统调试 (17)4.1 系统结构框图 (17)4.2 系统单元调试 (17)4.2.1 基本调速 (17)4.2.2 转速反馈调节器、电流反馈调节器的整定 (18)4.3 实验结果 (18)4.3.1 开环机械特性测试 (18)4.3.2 闭环系统调试及闭环静特性测定 (19)5 总结 (20)参考文献 (21)附录A (22)A.1 晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定 (22)A.2 双闭环可逆直流脉宽调速系统性能测试 (26)沈阳理工大学课程设计1 绪论背景在现代科学技术革命过程中，电气自动化在20世纪的后四十年曾进行了两次重大的技术更新。
