PWM直流脉宽调速系统建模与仿真
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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PWM调速系统设计及MATLAB仿真目录目录 (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。
PWM脉宽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————————————————————————————————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直流脉宽调速系统建模与仿真DOC
课程设计任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：题目: PWM直流脉宽调速系统建模与仿真初始条件：1．技术数据：PWM变流装置：R rec=0.5Ω，K s=44。
负载电机额定数据：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系统主电路：T m=0.07s，T l=0.005s2．技术指标稳态指标：无静差动态指标：电流超调量：δi≤5%，起动到额定转速时的超调量：δn≤8%，动态速降Δn≤10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）t s≤1s 要求完成的主要任务:1．技术要求：(1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作(2) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续2．设计内容：(1) 根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构型式和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图(2) 根据双闭环直流调速系统原理图, 分析转速调节器和电流调节器的作用,(3) 通过对调节器参数设计, 得到转速和电流的仿真波形，并由仿真波形通过MATLAB来进行调节器的参数调节。
(4) 绘制PWM直流脉宽调速系统的电气原理总图（要求计算机绘图）(5) 整理设计数据资料，课程设计总结，撰写设计计算说明书时间安排：课程设计时间为一周半，共分为三个阶段：（1）复习有关知识，查阅有关资料，确定设计方案。
约占总时间的20% （2）根据技术指标及技术要求，完成设计计算。
约占总时间的40% （3）完成设计和文档整理。
约占总时间的40%指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日摘要本文在介绍双闭环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，并运用Matlab的Simulink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。
可逆直流PWM调速控制系统的仿真与设计(电源采用直流电源L298N)
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，主要用proteus仿真，实现电机的加减速和正反转以及控制超调量和稳态误差等要求。
采用L298N芯片来设计电机驱动电路。
用LM331来实现电压频率转换。
在仿真中加上PI调节和三角波比较环节来进行直流PWM调速控制系统。
关键词：直流电机；调速控制系统；驱动电路。
目录摘要 (Ⅰ)目录 (Ⅱ)1前言 (1)2设计基本内容 (1)2.1设计题目 (1)2.2主要内容 (1)2.3具体要求 (1)3电路设计 (2)3.1设计基本框图 (2)3.2电机正反转模块 (2)3.3电机加减速模块 (3)3.4驱动电路模块 (3)3.5频电转换模块 (5)3.6PI调节及三角波比较模块 (7)4仿真结果 (7)5总结体会 (9)参考文献 (10)致谢 (11)仿真原理图 (12)1 前言电动机作为最主要的动力源和运动源之一，在生产和生活中占有十分重要的地位。
电动机的调速控制方法过去多用模拟法，随着单片机的产生和发展以及新型自关断元器件的不断涌现，电动机的控制也发生了深刻的变化。
直流电动机控制技术是一项以直流电动机作为机械本体，融入了电力电子技术、微电子技术、单片机控制技术和传感器技术的多学科交叉机电一体化技术。
单片机在电动机控制中的应用使调速系统具有了数值运算、逻辑判断及信息处理的功能。
自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制的控制方式，形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统。
PWM系统在很多方面有较大的优越性：主电路线路非常简单，需要用到的功率器件比较少；开关频率比较高，电机损耗及发热都比较少，电流很容易连续，并且谐波少；功率开关器件工作在开关状态，导通损耗比较小，装置效率比较高；低速性能比较好，调速范围比较宽，稳速精度比较高；若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应比较快，动态抗干扰能力强；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。
基于PWM控制的直流电动机调速系统设计及MATLAB仿真
┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊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。
无刷直流电机PWM调速控制系统的建模与仿真
数 控 技 术
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２、无 捌 直 流 电机 的 数 学 模 型
以两 相 导 通 三 相 六状 态 的 无 刷 直流 电机 为 例 。 波 无 刷直 流 电 方 动机的主要特征是反 电动势为梯形波 ， 包含有 较多 的高 次谐 波 ， 这 意 味 着 定 子 和 转 子 的 互 感 是 非 正 弦 的 ， 且 无 刷 直 流 电 动 机 的 电 并 感 为非线性【 采用 直、 ｌ １ 。 交变换理论 己经不是有 效的分析方法 ， 因此 应 该 利 用 电机 本 身 的 相 变 量 来 建 立 数 学 模 型 。 简 化 数 学 模 型 的 为 建立 ， 电动 机模型建立 时 ， 在 认为 电动机 气隙 是均匀的 。 并作 以下 假设【． ２ Ｊ （） １电动机 的气 隙磁感应强度在空 间呈梯形（ 近似为方波分布） ； （） 子齿槽的影 响忽 略不计 ； ２定 （） ３ 电枢 反 应 对 气 隙磁 通 的 影 响 忽 略 不 计 ； （） 略 电 动 机 中 的磁 滞 和 涡 流 损 耗 ； ４忽 （） 相 绕 组 完 全 对 称 。 ５三 无刷直流 电动机在运行过程 中， 每相绕组通过的不是持续不变 的 电流 ， 电流和转子作用产生 的转 矩 ， 该 以及绕组上 的感 应电动 势
－ － 一Ｊ － 一
０． ３ ０ ０． ４ ０ ０． ５ ０
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。
PWM电机调速课程设计--直流PWM调速控制系统的仿真与设计
关键词：电机；MATLAB；simulink;双闭环；Proteus
abstract
Servo System is an important professional technology for several mayors such as CNC Technology, robotization, electric engineering, electric engineering's robotization and mechatronics. As a intermediate link, the function of servo system is to connect numerical control device and controled devices, and be a bridge between orders delivering and operating state's feedback. PWM control speed control system has been widely used in the contemporary industrial. Its advantages especilly its speed regulating system with double closed-loop is outstanding and wildly used. In this design, in order to meet the speed governing request of high precision and high accuracy, I used the Current regulator and speed regulator to form a double closed-loop including a current loop for inner ring and a speed ring for outer ring. This design can achieve the task requirements of the static and dynamic performance indicators. Especially the performance indicators of double ring which has been corrected into typicalⅠtype and typicalⅡtype is meeting the requirements. The current regulator and voltage regulator of this design are using PI regulator comprising with Op-amp and various electronic components. Servo System is an important professional technology for several mayors such as CNC Technology, robotization, electric engineering, electric engineering's robotization and mechatronics. As a intermediate stem is to connect numerical control device and controled devices, and be a bridge between orders delivering and operating state's feedback. PWM control speed control system has been widely used in the contemporary industrial. Its advantages especilly its speed regulating system with double closed-loop is outstanding and wildly used. In this design, in order to meet the speed governing request of high precision and high accuracy, I used the Current regulator and speed regulator to form a double closed-loop including a current loop for inner ring and a speed ring for outer ring. This design can achieve the task requirements of the static and dynamic performance indicators. Especially the performance indicators of double ring which has been corrected into typicalⅠtype and typicalⅡtype is meeting the requirements. The current regulator and voltage regulator of this design are using PI regulator comprising with Op-amp and various electronic components.
abstract
Servo System is an important professional technology for several mayors such as CNC Technology, robotization, electric engineering, electric engineering's robotization and mechatronics. As a intermediate link, the function of servo system is to connect numerical control device and controled devices, and be a bridge between orders delivering and operating state's feedback. PWM control speed control system has been widely used in the contemporary industrial. Its advantages especilly its speed regulating system with double closed-loop is outstanding and wildly used. In this design, in order to meet the speed governing request of high precision and high accuracy, I used the Current regulator and speed regulator to form a double closed-loop including a current loop for inner ring and a speed ring for outer ring. This design can achieve the task requirements of the static and dynamic performance indicators. Especially the performance indicators of double ring which has been corrected into typicalⅠtype and typicalⅡtype is meeting the requirements. The current regulator and voltage regulator of this design are using PI regulator comprising with Op-amp and various electronic components. Servo System is an important professional technology for several mayors such as CNC Technology, robotization, electric engineering, electric engineering's robotization and mechatronics. As a intermediate stem is to connect numerical control device and controled devices, and be a bridge between orders delivering and operating state's feedback. PWM control speed control system has been widely used in the contemporary industrial. Its advantages especilly its speed regulating system with double closed-loop is outstanding and wildly used. In this design, in order to meet the speed governing request of high precision and high accuracy, I used the Current regulator and speed regulator to form a double closed-loop including a current loop for inner ring and a speed ring for outer ring. This design can achieve the task requirements of the static and dynamic performance indicators. Especially the performance indicators of double ring which has been corrected into typicalⅠtype and typicalⅡtype is meeting the requirements. The current regulator and voltage regulator of this design are using PI regulator comprising with Op-amp and various electronic components.
直流电机PWM调速系统理论设计和仿真实验
一、直流电机PWM 调速理论设计和仿真实验1、直流电机调速原理直流电动机根据励磁方式不同,分为自励和他励2种类型。
不同励磁方式的直流电动机,其机械特性曲线有所不同。
但是对于直流电动机的转速,总满足下式:r n e e R U T C C C =-内式中：U-电压，R-励磁绕组的内阻，Ce-电势常数，Cr-转矩常量由上式可知，直流电机的速度控制既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。
磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。
电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上来控制电机的转速。
传统的改变电压方法是在电枢回路中串联一个电阻，通过调节电阻改变电枢电压，达到调速的日的，这种方法效率低平滑度差，由于串联电阻上要消耗电功率，因而经济效益低，而且转速越慢，能耗越大。
随着电力电子的发展，出现了许多新的电枢电压控制方法。
2 、PWM 技术简介在直流电机系统中，开关放大器提供驱动电机所需要的电压和电流，通过改变加在电动机上的电压的平均值来控制电机的运转。
在开关放大器中，常采用晶体管作为开关器件，晶体管如同开关一样，总是处在接通和断开的状态。
在晶体管处在接通时，其上的压降可以略去；当晶体管处在断开时，其上压降很大，但是电流为零，所以不论晶体管接通还是断开，输出晶体管中的功耗都是很小的。
一种比较简单的开关放大器是按照一个固定的频率去接通和断开放大器，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”的相位宽窄，这样的放大器被称为脉冲调制放大器。
PWM(Pulse Width Modulation)脉冲宽度调制技术就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)的技术。
根据PWM 控制技术的特点，到目前为止主要有八类方法：相电压控制PWM 、线电压控制PWM 、电流控制PWM 、空间电压矢量控制PWM 、矢量控制PWM 、直接转矩控制PWM 、非线性控制PWM 、谐振软开关PWM 。
运控课设PWM直流调速系统建模与仿真 (2)
PWM直流脉宽调速系统建模和仿真主电路设计1.1设计任务描述要求设计PWM直流脉宽调速系统，可完成以下任务：(1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，具有较宽的调速范围（D≥10），系统在工作范围内能稳定工作；(2) 系统静特性良好，无静差（静差率s≤2）；(3) 动态性能指标：转速超调量δn ＜8%，电流超调量δi＜5%，动态速降Δn≤10%，调速系统的过渡过程时间（调节时间）ts≤1s ；(4) 系统在5%负载以上变化的运行范围内电流连续；(5) 调速系统中设置有过电压、过电流等保护，并且有制动措施。
1.2电路设计及分析根据设计任务可知，要求系统在稳定的前提下实现无静差调速，并要求较好的动态性能，可选择PI控制的转速、电流双闭环直流调速系统，以完全达到系统需要。
转速、电流双闭环直流调速系统框图如图1-1所示。
图1-1 转速、电流双闭环调速系统系统框图两个调节器的输出均带限幅作用的,转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子电换器的最大输出电压。
双闭环直流调速系统原理框图如下图1-2所示：图1-2 双闭环直流调速系统原理框图由此得到系统电气原理图见附图1。
1.2.1电流调节器电流调节器使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。
对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。
由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不影响调节器的输入，需加低通滤波。
1.2.2转速调节器转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。
它对负载变化起抗扰作用。
其输出限幅值决定电机允许的最大电流。
由于测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波。
图1-2 系统实际动态原理框图1.3系统稳态分析P 调节器的输出量总是正比于其输入量，而PI 调节器则不然，其输出量在动态过程中决定于于输入量的积分，到达稳态时，输入为零，输出的稳态值和输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。
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PWM脉宽直流调速系统设计及MATLAB仿真验证1设计意义双闭环（电流环、转速环）调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统。
它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。
我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。
采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。
但如果对系统的动态性能要求较高，例如要求起制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足要求。
这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。
在单闭环系统中，只有电流截止至负反馈环节是专门用来控制电流的。
但它只是在超过临界电流值以后，强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。
在实际工作中，我们希望在电机最大电流限制的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过度过程中始终保持电流（转矩）为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。
这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。
这是在最大电流转矩的条件下调速系统所能得到的最快的启动过程。
2主电路设计2.1设计任务要求设计PWM直流脉宽调速系统，可完成以下任务：(1) 该调速系统能进行平滑的速度调节，负载电机可逆运行，系统在工作范围内能稳定工作；(2) 系统静特性良好，无静差；(3) 动态性能指标：转速超调量δn ＜20%，电流超调量δi＜5%，PWM环节的放大倍数： Ks=4.8。
直流电动机： UN=48V，IN=3.7A，nN=200r/min，Ra=2.0Ω，R=3Ω 系统主电路：Tm=0.2s，Tl=0.015s最大允许电流 Idbl =2IN调节器输入输出电压：Unm *=10V , Uim*=10V , Ucm=10V2.2电路设计及分析根据设计任务可知，要求系统在稳定的前提下实现无静差调速，并要求较好的动态性能，可选择PI控制的转速、电流双闭环直流调速系统，以完全达到系统需要。
转速、电流双闭环直流调速系统框图如图1所示。
图1 转速、电流双闭环调速系统系统框图两个调节器的输出均带限幅作用的,转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子电换器的最大输出电压。
双闭环直流调速系统原理框图如下图2所示：图2 双闭环直流调速系统原理框图直流电机是调压调速,一般用调电枢电压的方法来调速,用串电阻的方法或者可调电源都可以。
电流调节器使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。
对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。
由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不影响调节器的输入，需加低通滤波。
电流调节器作用：（1）跟随作用－－作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。
（2）抗扰作用－－对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
（3）加快动态过程－－在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。
（4）过流自动保护作用－－当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。
一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。
这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。
转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差。
它对负载变化起抗扰作用。
其输出限幅值决定电机允许的最大电流。
双闭环一般分为3个阶段：电流上升，恒流生速，转速调节。
在第一个阶段，转速调节器（ASR）因为转速很慢故偏差电压很大，ASR很快进入饱和，使转速环处于开环状态，而电流调节器（ACR）的输入就是ASR的输出，故电流开始很快上升并出现一定的超调，那就需要电流环来进行控制了，使其稳定，第二阶段，ACR一直处于饱和状态，电流经过调节稳定在饱和值，这时转速开始上升，转速环仍然是开环状态，转速迅速上升，第三阶段，转速超过了预期的值有了超调量，这时ASR的偏差电压<0，有反向输入，开始退饱和，直至转速达到稳定，电流下降到稳定的值，由于测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波。
图3 系统实际动态原理框图2.3系统稳态分析P 调节器的输出量总是正比于其输入量，而PI 调节器则不然，其输出量在动态过程中决定于于输入量的积分，到达稳态时，输入为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。
根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数转速反馈系数 max*n U nm =α （1—1） 电流反馈系数 dmm I U *i =β （1—2） 2.4电流调节器的设计在图2虚线框内的电流环中，反电动势与电流反馈的作用相互交叉，这将给设计工作带来麻烦。
实际中，对电流环来说，反电动势是一个变化比较慢的扰动，在电流的瞬变过程中，可以认为反电动势基本不变，即ΔE ≈0.其中忽略反电动势对电流环的近似条件是 lm T T 13ci ≥ω （1—3） 式中 ωci ——电流环开环频率特性的截止频率。
如果把给定滤波和反馈滤波两个环节都等效地移到环内，同时把给定信号改为β)(*s U i ，则电流环便等效成单位负反馈系统，如图1—3b 所示，从这里可以看出两个滤波时间常数取值相同的方便之处。
最后，由于S T 和oi T 一般都比l T 小得多，可以当作小惯性群而近似看作是一个惯性环节，其时间常数为oi s T T T +=i Σ （1—4）则电流环结构框图最终简化成图4-c 所示。
简化的近似条件为 oi s T T 131ci ≤ω （1—5） (a)(b)(c)图4电流环的动态结构框图及其简化(a)忽略反电动势的动态影响 (b)等效成单位负反馈(c)小惯性环节近似处理从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，由图3-c 可以看出，采用Ｉ型系统就够了。
再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素。
为此，电流环应跟随性能为主，即应选用典型Ｉ型系统。
图4-c 表明，电流环的控制对象是双惯性型的，要校正成典型Ｉ型系统，显然应采用PI 型的电流调节器，其传递函数可以写成s s K s W i ACR i i )1()(ττ+=（1—6） 式中 i K ——电流调节器的比例系数；i τ——电流调节器的超前时间常数。
为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择l T =i τ （1—7）则电流环的动态结构框图便成为图5所示的典型形式，其中 βτs i K R K K I i =（1—8） 图5 校正成典型Ｉ型系统的电流环动态结构框图上述结果是在一系列假定条件下得到的，现将用过的假定条件归纳如下，以便具体设计时校验。
（1） 电力电子变换器纯滞后的近似处理 sT 31ci ≤ω （1—9） （2） 忽略反电动势变化对电流环的动态影响lm T T 13ci ≥ω （1—10） （3） 电流环小惯性群的近似处理T ois ci T 131≤ω （1—11） 由式（1-5）可以看出，电流调节器的参数是i K 和，其中i τ已选定，见式（1-6），待定的只有i K ，可根据所需要的动态性能指标选取。
根据电流超调量，由表1，可选ξ和i ΣT K I 的值。
一般%5i ≤σ，取ξ=0.707，5.0i =ΣT K I ，则ici 21ΣωT K I == （1—12） 表1 典型Ｉ型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系再利用式（1—7）和式（1—6）得到⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛==i l s i s l i T T K R T K R T K ΣΣββ22 （1—13） 如果实际系统要求的跟随性能指标不同，式（1—11）和式（1—12）当然应作相应的改变。
此外，如果对电流环的抗扰性能也有具体的要求，还得再校验一下抗扰性能指标是否满足。
含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI 型电流调节器原理图如图6所示。
图中*i U 为电流给定电压。
d I β-为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压c U 。
图6 含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI 型电流调节器原理图根据运算放大器的电路原理，可以容易地导出oi i R R K = （1—14） i i C R =i τ （1—15）oi o oi C R T 41=（1—16） 2.5转速调节器的设计 由校正后的电流结构框图可知 1s 11)()()(2i *cli ++==I I i d K s K T s U s I s W Σβ （1—17） 忽略高次项，)(cli s W 可降阶近似为 1s 11)(cli +≈I K s W （1—18） 近似条件为 icn 31ΣωT K I ≤ （1—19） 式中 ωcn——转速环开环频率特性的截止频率。
接入转速环内，电力换等效环节的输入量为)(*s U i ，因此电流环在转速环中应等效为1s 11)()(U (s)cli *i d +≈=I K s W s I ββ （1—20） 这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数I K 1的一阶惯性环节。
把电流环的等效环节接入转速环后，整个转速控制系统的动态结构框图如图7-a 所示。
和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成α)(*ns U ，再把时间常数为I K 1和on T 的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为n ΣT 的惯性环节，其中on n 1T K T I +=Σ （1—21） 则转速环结构框图可简化成图7-b由于需要实现转速无静差，而且在后面已经有一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型Ⅱ型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。
由此可见，ASR 也应该采用PI 调节器，其传递函数为 s s K s W ASR n n n )1()(ττ+=（1—22） 式中 n K ——转速调节器的比例系数；n τ ——转速调节器的超其时间常数。
（a ）（b ）（c ）图7 转速环的动态结构框图及其简化（a ）用等效环节代替电流环（b ）等效成单位负反馈系统和小惯性系统的近似处理（c ）校正后成为典型Ⅱ型系统这样，调速系统的开环传递函数为不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构框图如图7-c 所示。
转速调节器的参数包括n K 和n τ。