目 录
摘 要.............................................................. I
Abstract........................................................... II
1 绪论.............................................................. 1
1.1 直流调速概念 ................................................ 1
1.2 直流脉宽调速的现状及发展趋势 ................................ 1
1.3 直流脉宽调速系统特点 ........................................ 1
1.4 本章小结 .................................................... 2
2 直流调速系统...................................................... 3
2.1 直流调速系统的调速原理及性能指标 . ............................. 3
2、1.1 直流调速系统的调速原理 ................................. 3
2.1.2 直流调速系统的性能指标 .................................. 3
2.2 电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析 ...................... 8
2.2.1 问题的提出............................................. 8
2.2.2 双闭环直流调速系统的组成及结构图....................... 9
2.3 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析 ................. 12
2.3.1 双闭环直流调速系统的数学模型的建立.................... 12
2.3.2 起动过程分析.......................................... 12
2.3.3 动态抗干扰性分析...................................... 14
2.3.4 转速和电流两个调节器的作用............................ 14
2.4 本章小结 ................................................... 15
3 PWM脉宽调制双闭环系统的方案设计 ................................. 16
3.1 PWM基本介绍................................................ 16
3.2桥式可逆PWM 变换器.......................................... 16
3.3 电动机的参数设置与计算 ..................................... 18
3.4 电流环、转速环的设计 ....................................... 19
3.4.1双闭环的动态结构框图 .................................. 19
3.4.2双环的调节器参数的计算和设定 .......................... 20
3.5本章小结.................................................... 22
4 MATLAB简介与直流调速系统的仿真 .................................. 23
4.1 系统的仿真 ................................................. 23
4.2 仿真图的建模和参数的选择与计算 ............................. 23
4.2.1仿真图的建模 .......................................... 23
4.2.2、设定模型仿真参数..................................... 27
4.3 本章小结 ................................................... 31
5总 结 ........................................................... 32
致 谢............................................................. 33
参考文献........................................................... 34
文献综述........................................................... 36
摘 要
直流调速系统具有调速范围广，精度高，动态性能好和易于控制等优点，所以
在电气传动中获得了广泛应用。本文以控制系统的传递函数和直流电机的调速原
理为基础，采用工程设计方法对最常用的转速、电流双闭环调速系统进行设计，
建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动
态性能，介绍了PWM 脉宽调制和桥式可逆PWM 脉宽调制器。然后按照自动控制原
理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用MATLAB 中的Simulink
和SimpowerSystem 对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过对仿真出的波形
图进行对比观察，验证所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好的静态
和动态性能，达到设计要求。
关键词：直流调速系统 双闭环 系统仿真 直流电机
Abstract
DC motor has been widely used in the area of electric drive because of its neatly
adjustment, simple method and smooth control in a wide range, besides its control
performance is excellent.Based on the transfer function of the control system and
based on the principle of speed regulation of dc motor, the engineering design method
of the most commonly used speed and current double closed loop speed control
system to carry on the design,established the mathematical model of double
closed-loop dc speed regulating system, and the principle of the system are analyzed
in detail and its static and dynamic performance, and introduces the PWM pulse width
modulation and bridge type reversible PWM pulse width modulator.Then according to
the principle of automatic contro,design parameters of the double closed loop speed
control system analysis and calculation, using the Simulink of MA TLAB and
SimpowerSystem to various sets of parameters to the simulation system, based on the
simulation waveform figure compared to observe, verify that the design of double
closed loop speed control system is stable and reliable operation, good static and
dynamic performance, and to meet the design requirements.
Keywords :DC governing system;double loop control, system,simulink,DC motor
1 绪论
1.1 直流调速概念[3 11]
直流调速是指通过各种方法改变直流电动机的转速，以满足机械的工作要求。
从机械性能角度上看，就是通过改变电动机的参数和方法，如施加的电压来改变
电动机的机械特性，从而改变电动机工作特性和机械特性的交点，使得电动机的
稳定运转速度发生变化。
1.2 直流脉宽调速的现状及发展趋势
国外于20世纪60年代开始研究PWM （脉宽调制）控制技术，最初用于中小
型功率调速控制系统，70年代后期，在中等功率的直流调速系统上越来越广泛
的使用PWM 驱动装置，到80年代，PWM 的应用更加普及。
国内在70年代末，也相继开展了PWM 系统的研究，就PWM 控制电路、驱
动电路、功率转换电路以及系统的分析和设计做了不少工作，取得了一些研究成
果，在一定的范围内达到了工业推广水平，但是由于受到当时技术条件的限制，
大功率晶体管的电压及电流等级还较小。近几年来，巨型功率晶体管电压及电流
等级日益提高，制造出的PWM 驱动装置容量也越来越大，应用范围日益广泛。
在一定功率范围内，由它取代晶闸管驱动装置，已成为明显趋势。直流PWM 作
为一种新型的控制技术，其发展潜力是相当大的，特别是在中、小容量的高动态
性能系统中，已经完全取代了V-M 系统。
目前，我国直流调速控制的发展趋势主要有以下几个方面：
①、提高调速系统的单机容量
②、提高电力电子器件的生产水平，使变流器结构变得简单、紧凑。
③、提高控制单元水平，使其具有控制、监听、保护、诊断及自动复原等多种
功能。
1.3 直流脉宽调速系统特点[14 24][3 21]
直流电动机具有良好的启、制动性能，宜于在大范围内平滑调速。对于要求
在一定范围内无极平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好；改
变电枢电阻只能有极调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往
只是配合调压调速方案，在额定转速以上小范围地升速。所以，直流调速系统往
往是以变压调速为主。
调节电枢电压的直流调速是应用最广泛的一种调速方式。除了可以利用晶闸
管整流器获得可调直流电压外，还可以利用其它电力电子器件的可控性能，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端电压的平滑调节，构成直流脉宽调速系统。
直流脉宽调速系统与V-M 系统（晶闸管-电动机系统）相比，在以下方面具
有较大优越性：[3 20]
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，因而调速范围广；
④、系统快速响应性能好，动态抗干扰能力强；
⑤、主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率高；
⑥、直流电源采用不可控三相整流时，电网功率因数高。
1.4 本章小结
本章主要是直接从直流调速系统入手，首先介绍其国内外现状及发展趋势，其
次分析直流调速系统的特点，通过在网上和图书馆查阅各种资料、期刊等，总结
以上关于直流调速的各方面。
2 直流调速系统
电动机在额定负载下，运行的最高转速与最低转速之比，称为直流调速控制系统的调速范围，用D 表示
D = （2-2） 对于调压调速系统来说，电动机的最高转速n max 等于其额定转速n n 。D 越大，说明系统的调速范围越宽。
②、静差率
静差率是用来表示负载转矩变化时，转速变化的程度，用系数s 来表示。当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时，对应的转速降落∆n n 与理想空载转速n 0之比，用百分数表示 s ⨯100%=⨯100% （2-3）= 显然，它与机械特性硬度有关，特性越硬，静差率就越小，转速的稳定度就越高。
然而静差率和机械特性硬度又是有区别的。图2-1两条相互平行的直线性机械特性的静差率是不同的。对于图2-1中的线1和线2，它们有相同的转速降落, 但由于no2s1。这表明平行机械特性低速时静差率较大，转速的相对稳定性就越差。在1000r/min时降落10r/min，只占1%；在100r/min时也降落10r/min，就占10%；如果no 只有10r/min，再降落10r/min时，电动机就停止转动了。 由此可见，对一个调速系统来说，如果能满足最低转速运行的静差率s ，那么，其它转速的静差率也必然都能满足。
图2-1 不同转速下的机械特性
事实上，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所提静差率要求的转速可调范围，脱离了对静差率的要求，任何调速系统都可以得到极高的调速范围，反过来，脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了。
③、调速范围、静差率和额定速降之间的关系
在实际生产中，电动机正常运行时是不应该超过铭牌上规定的额定转速n 的，因此常以额定转速n nom 为最高转速。若负载为额定负载时，转速降落为∆n nom ，则系统的静差率为： s
故得：
（2-4）= nom -∆n nom =(1-s ) ∆n nom n min =n o min -∆n nom = （2-5） x D =n （2-6） 调速范围是：
将n min 代入得：
D = （2-7） nom ()
对于同一个调速系统，它的特性硬度是一定的，如果要求的静差率越小，系统能够达到的调速范围越小。
(2)、动态性能指标
①、跟随性能指标
直流调速系统的跟随性能指标通常用零初始条件下，系统对阶跃输入信号的输出响应过程来表示。一般希望在阶跃响应中输出量c(t)与其稳态值C(t)的偏差越小越好，达到C(t)的时间越快越好。如图2-2常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间，超调量和调节时间：
a 、上升时间t r
在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零开始第一次上升到稳态值c ∞所经过的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性。
b 、超调量σ
在典型的阶跃响应跟随系统中，输出量超出稳态值的最大偏差与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量：
σ%=C max -C ∞⨯100% （2-8） C ∞
超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。
c 、调节时间t s
在阶跃响应过程中，输出衰减到与稳态值之差进入±5%或±2%的允许误差范围之内所需的最小时间，称为调节时间，又称为过渡过程时间。调节时间是用来衡量系统整个调节过程快慢的，调节时间越小，系统响应的快速性越好。
在实际系统中，快速性和稳定性往往是相矛盾的，减小了超调量往往就延长了过渡过程时间；缩短了过渡过程时间却又增大了超调量。
图2-2 典型的阶跃响应过程和跟随性能指标
②、抗扰性能指标
抗扰性能也是评价和设计系统的重要动态性能指标之一，调速系统的主要扰动有负载变化、电源电压波动等，这些因素的变化都会引起输出量的变化，输出量变化多大，经过多长时间后才能恢复稳定运行，这两个量表示系统抵抗扰动的
能力，如图2-3。常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间：
a 、动态降落∆c max
系统稳定运行时，突加一定数值的扰动后引起转速的最大降落值∆c max 叫做动态降落，用输出量原稳态值c ∞1的百分数来表示。输出量在动态降落后逐渐恢复达到新的稳态值c ∞2时，（c ∞1-c ∞2）是系统在该扰动作用下的稳态降落。动态降落一般都大于稳态降落（即静差）。调速系统突加额定负载扰动时的动态降落称作动态降落∆n max 。
b 、恢复时间t v
从阶跃扰动作用开始，到输出量基本上恢复稳态，距新稳态值c ∞2之差进入c b （抗扰指标中输出量的基准值）的±5%或±2%之内所需的时间，称为恢复时间t v ，如图2-3所示。一般来说，最大动态降落和恢复时间越短，表示系统的抗扰性能越好。
实际系统中对于各种动态指标的要求各有不同，要根据生产机械的具体要求而定。一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。
图2-3 突加扰动时的动态过程和抗扰性能指标
2.2 电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析
2.2.1 问题的提出 [24]
采用PI 调节器的转速负反馈、电流截止负反馈的直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是如果对系统的动态性能要求较高，则单闭环系统就难以满足要求, 这只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中的电流和转矩。如图2-4（a ）所示波形可见，当电流上升到临界截止电流之后，电流截止负反馈起作用，这时虽能限制最大启动电流的冲击，但是维持最大启动电流的时间是短暂的，维持最大启动转矩的时间也极短，这就不能充分利用电动机的过载能力，获得最快起动效应了。如果调速系统在起动过程中电流和转速的波形达到如图2-4（b ）所示的理想快速起动过程，那么电动机在整个起动过程中就能恒加速起动，实现允许条件下的最短起动时间控制了。
图2-4 (a)带电流负载单闭环调速系统启动过程 (b)理想的快速起动过程
此外，在带电流截止环节的转速闭环调速系统中，把转速和电流两种反馈信号都加到同一个调节器上综合，相互关联影响，很难调整调节器的参数，以保证两种调节过程同时具有良好的动态性能。
实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，图2-4（b ）所示的理想起动波形只能得到近似的逼近，不能完全实现。为了实现在允许条件下最快起动关键是要获得一段使电流保持为最大值Id 的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就应该能得到近似的恒流过程，这样就要控制电流和转速两个信号，转速可以认为给定且在整
个运行过程中都要控制，电流信号在恒定运行时由负载决定，无法认为给定，只有在实际转速与给定转速产生误差时，才对其进行控制，且这时的控制值也只是不让电流超过允许的最大值，就这样不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，所以单闭环就不能满足要求了。可以把转速和电流两种反馈信号分开分别进行调节控制，以达到系统具有优良的稳态和动态品质。于是提出转速、电流双闭环直流调速系统。
2.2.2 双闭环直流调速系统的组成及结构图
（1）、双闭环直流调速系统的组成
为了实现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，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。两者之间实行嵌套连接，如图2-5所示。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 。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、电流双闭环调速系统。
图2-5 转速、电流双闭环直流调速系统
为了获得良好的静态和动态性能，转速调节器ASR 和电流调节器ACR 均采用PI 调节器，两个调节器的输出均带有限幅，ASR 的输出限幅电压为U im *，它决定了ACR 给定电压的最大值，也就设定了电动机的最大电流I d m 。
（2）、双闭环直流调速系统的静特性分析
双闭环稳态结构图如图2-6，分析静特性的关键是掌握PI 调节器的稳态特征，
当调节器输出一旦饱和（限幅）时，就不再受输入的影响了，相当于改调节器开环，调节器工作于非线性段，只有输入信号反向，调节器才能退出饱和状态。当调节器输入不饱和时，调节器工作于线性段才起调节作用。由于两个具有输出限幅特性的PI 调节器相互配合，对系统进行调节控制，所以双闭环系统具有良好的静特性，如图2-7所示。由图可见，系统静特性由两段组成。
图2-6 双闭环直流调速系统的稳态结构图
图2-7双闭环直流调速系统的静特性
①、转速调节器不饱和
系统稳定运行时，两个调节器都不饱和，它们的输入偏差电压都是零，因此有如下关系
Un *=Un =an =an 0
Ui *=Ui =βId
由上式得
n ==n 0 （2-9）
U i
从上述第二个关系可知I d
②、转速调节器饱和
当ASR 输出饱和时，输出达到限幅值U im *，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时：
I d ==I dm （2-10） 式（2-10）中，最大电流I dm 取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度，由上式可得图2-7中的AB 段，它是一条垂直的特性。这种特性只适合于n n 0，则U n >U n 0，ASR 将退出饱和状态。 从上面分析可知，双闭环调速系统的静特性在负载电流小于I dm 时，转速负反馈起主要调节作用，表现为转速无静差；当负载电流达到I dm 后，转速调节器饱和，电流调节器起调节作用，系统表现为电流无静差，自动实现过流保护。显然，双闭环系统这样的静特性比带电流截止负反馈的单闭环调速系统的静特性好，但是，实际的静特性并不是理想化的，而是如图2-7中虚线所示，这是由于运算放大器开环放大系数并非无穷大以及检测存在误差，所以 这两段特性仍都存在很小的静差。
（3）、各变量的稳态工作点和稳态参数计算
由双闭环直流调速系统的稳态结构图可知，双闭环调速系统在稳态工作时，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有以下关系：
U n *=U n =αn =αn 0 （2-11） U i *=U i =βI d =βI dL （2-12）
= （2-13）= U c = s s s
上述关系表明，在稳态工作点上，转速n 是由给定电压U n *决定，ASR 的输出量U i *是由负载电流I dL 决定的，而控制电压U c 的大小则同时取决于n 和I d 。PI
调节器输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI 调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。鉴于这一特点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即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
α= （2-14） x
电流反馈系数
im * β= dm （2-15）
两个给定电压的最大值U nm *、U im *由设计者给定，受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制。
2.3 双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析
2.3.1 双闭环直流调速系统的数学模型的建立
只要把各环节的传递函数填入双闭环直流调速系统稳态结构图相应的方框内，便可绘制出双闭环直流调速系统的动态结构图，如图2-8所示。
图2-8 双闭环直流调速系统的动态结构图
图2-8中W ASR (s ) 和W ACR (s ) 分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能，双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。
2.3.2 起动过程分析
双闭环直流调速系统突加给定电压U n *由静止状态起动时，转速和电流的动态过程如图2-9所示。由于在起动过程中转速调节器ASR 经历了不饱和、饱和、
退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I 、II 、III 三个阶段。
图2-9双闭环直流调速系统起动时的转速和电流波形
第Ⅰ阶段：突加给定电压U n *后，I d 上升，当I d 小于负载电流I dL 时，电机还不能转动。当I d >I dL 后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR 的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值U im *，强迫电流I d 迅速上升。直到，I d =I dm ，U i =U im *时，电流调节器很快就压制了I d 的增长，标志着这一阶段的结束。
第Ⅱ阶段：在这个阶段中，ASR 始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电压U im *给定下的电流调节系统，基本上保持电流I d 恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。与此同时，电机的反电动势E 也按线性增长，对电流调节系统来说，E 是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动，U d 0和U c 也必须基本上按线性增长，才能保持I d 恒定。当ACR 采用PI 调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，I d 应略低于I dm 。 第Ⅲ阶段：当转速上升到给定值时，转速调节器ASR 的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值U im *，所以电机仍在加速，使转速超调。转速超调后，ASR 输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态，U i *和I d 很快下降。但是，只要I d 仍大于负载电流I dL ，转速就继续上升。直到I d =I dL 时，转矩T =T L ，则d n /d t =0，转速n 才到达峰值(t=t3时) 。此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段时间内(t3~t4)，I d
器参数整定得不够好，也会有一段振荡过程。在最后的转速调节阶段内，ASR 和ACR 都不饱和，同时起调节作用，由于转速调节在外环，ASR 起主导的转速调节作用，而ACR 得作用是力图使I d 尽快地跟随其给定值U i *的变化，电流内环处于从属地位，成为一个电流随动子系统。
2.3.3 动态抗干扰性分析
一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能，对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能，主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动。
（1）、抗负载扰动
由双闭环直流调速系统的动态结构图上可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此，只能靠转速调节器ASR 来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR 时，应要求有较好的抗扰性能指标。
（2）、抗电网电压扰动
电网电压变化对调速系统也产生扰动作用。在图2-7所示的双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会小得多。
2.3.4 转速和电流两个调节器的作用
（1）转速调节器的作用
①、转速调节器是调速系统的主导调节器，它能使转速n 很快地跟随给定电压[24] U n *的变化，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。 ②、对负载变化起抗扰作用。
③、其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。
（2）电流调节器的作用
①、作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压U i *（即外环调节器的输出量）的变化。
②、对电网电压的波动起及时干扰作用。
③、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、当电动机过载甚至堵转时，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，系统立即恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说十分重
要。
2.4 本章小结
本章只要是介绍直流调速系统，从直流调速的原理及性能开始，然后对转速、电流双闭环调速系统理论进行分析，双闭环结构组成图的静态性能分析等，接着是双闭环直流调速系统的建模和动态性能分析，以及最后对转速调节器和电流调节器的作用讨论。通过对直流调速系统的介绍，更加清楚明了直流调速的方法和意义。
3 PWM脉宽调制双闭环系统的方案设计
[11] 3.1 PWM基本介绍
自从全控型整流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： ①、主电路线路简单，需用的功率器件少；
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，可达1：10000左右；
④、与快速响应的电动机配合，系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强； ⑤、功率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，因而装置效率较高；
⑥、直流电源采用不控整流时，电网效率因数比相控整流器高。
由于有上述优点，在中、小容量的高动态性能系统中，直流PWM 调速系统的应用日益广泛。
3.2桥式可逆PWM 变换器
可逆PWM 变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H 型）电路，如图3-1所示。
双极式控制可逆PWM 变换器的4个驱动电压波形如图3-2所示。
U g 1=U g 4=-U g 2=-U g 3 。 它们之间的关系是：在一个开关周期内，当0
时，U ab =U s ，电枢电流i d 沿回路1流通；当t on
图3-2也绘出了双极式控制时的输出电压和电流波形。I d 1相当于一 般负载的情况，脉动电流的方向始终为正；I d 2相当于轻载情况，电流可在正负方向之间脉动，但平均值仍为正，等于负载电流。电动机的正反转则体现在驱动电压正、负脉冲的宽度上。当正脉冲较宽时，t on >T /2，则U ab 的平均值为正，电动机正转，反之，则反转；如果正、负脉冲相等，t =T /2，平均输出电压为零，则电动机停止。图3-2所示的波形是电动机正转时的情况。
图3-1 桥式可逆PWM 变换器
图3-2 双极式控制可逆PWM 变换器的驱动电压、输出电压和电流波形
双极式控制可逆PWM 变换器的输出平均电压为：
U d =U s -T -t on U s =(-1) U s （3-1） 调速时，ρ的可调范围为0到1，相应的当ρ>1/2时，电动机正转；当ρ
时，电动机反转；当ρ=1/2时，电动机停止。但电动机停止时电枢电压并不等于
零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而，电流也是交变的。这个交变电流
的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电动机的损耗，这是双极式控制的缺
点。但它也有好处，在电动机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时
的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。
双极式控制的桥式可逆PWM 变换器有下列优点：
①、电流一定连续；
②、可使电动机在四象限运行；
③、电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；
④、低速平稳性好，系统的调速范围可达1：20000左右；
⑤、低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。 双极式控制方式的不足之处是：在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关
状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直
通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。为了克服上述缺点，可采
用单极式控制，使部分器件处于常通或常断状态，以减少开关次数和开关损耗，提高可靠性，但系统的静、动态性能会略有降低。
3.3 电动机的参数设置与计算
本设计为直流调速系统，电路基本数据如下：
直流电机：额定电压440V ，额定电流15.4A ，额定转速1480r/min，电枢回路电阻R a =3. 01Ω，电枢回路电感L a =30. 5mH ，转动惯量J=0.128kg.㎡，励磁功率
P=500W，磁场电感L f =6.8H，取放大倍数K=20
C e =U -IR a =n 440-15. 4⨯3. 01=0. 266 1480
W L =Li *i ⇒i =12. 127
L af =C m I f =9. 55C f =0. 209
电流环、转速环都先采用PI 调节器，在第二种方案中，在转速环加入D 调节，比较两种方案的速度超调大小和上升的时间长短。
3.4 电流环、转速环的设计
3.4.1双闭环的动态结构框图
双闭环直流调速系统是由电流和转速两个调节器进行综合调节，可获得良好的
静、动态性能（两个调节器均采用PI 调节器），由于调整系统的主要参量为转速，故将转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面。建立双闭环直流脉宽
调速系统的仿真图之前，要先对电流环、转速环设计，以下就是电流环、转速换
的结构框图。
（1）、电流环的结构框图
电流环按照图3-3进行设计
图3-3 电流环的结构框图
（2）、转速环的结构框图
转速环按照图3-4进行设计
图3-4 转速换得结构框图
3.4.2双环的调节器参数的计算和设定
电机转矩时间常数：
T m =GD *GDR ∑5. 0176⨯3. 01==0. 06 375C e C m 375⨯0. 266⨯2. 54
电机电磁时间常数：
T l =L ∑0. 0305==0. 01 R ∑3. 01
取过载倍数λ=2，电流反馈滤波时间常数T oi =0.001s，转速反馈滤波时间常数
T on =0.005s，整流装置滞后时间常数T s =0.0017s，取额定转速是转速给定
U n *=10V。
（1）、电流调节器参数计算
①、参数的计算
电流反馈系数：
β=
电流环的最小时间常数为： U im *10==0. 325 λI 2⨯15. 4
T ∑i =T s +T oi =0. 0027s
电流环按典型I 型系统设计，电流调节器选用PI 调节器，其传递函数为
W ACR (S ) =K Pi +11+τi s =K i K Ii S τi s
其中：
τi =T l =0. 01
K pi =τi R 0. 01⨯3. 01==0. 86 2T ∑i βK s 2⨯0. 0027⨯0. 325⨯20
0. 01=0. 01163 K i 0. 86
11K i ===85. 69 K Ii 0. 01163K Ii ==τi
②、校验近似条件
电流环截止频率：W ci =K I =0. 5=185. 2s -1
T ∑i
a、晶闸管装置传递函数近似条件：
W ci 185. 2，满足近似要求。 , 现为3T s 3T s 3⨯0. 0017
b、忽略反电动势对电流环影响的条件：
W ci >=3111，先为3=3=122. 5
c、小时间常数近似处理条件：
W ci 185. 2，3T s T oi 3T s T oi 30. 0017⨯0. 001
d、电流环安I 型系统设计，超调为4.3%，满足设计要求。
（2）、转速调节器参数计算
①、参数的计算
转速反馈系数：
α=U nom 10==0. 00676 n nom 1480
为加快转速的调节速度，转速环按典型II 系统设计，并选中频段宽度h=5，转速调节器的传递函数为
W ASR (S ) =K Pn +11+τn S =K n K In S τn S
其中：
τn =hT ∑n =h (2T ∑i +T on ) =5⨯(0. 0054+0. 005) =0. 052
K Pn =(h +1) βC e T m 6⨯0. 325⨯0. 266⨯0. 06==14. 2 2h αRT ∑n 2⨯5⨯0. 00676⨯3. 01⨯0. 0104
τn 0. 052K In ===0. 0037 K n 14. 2
11K n ===270. 27 K In 0. 0037
②、校验近似条件
转速截止频率为：W cn =K N h +1=K N τn =τn =57. 69s -1
2h *hT ∑n *T ∑n w 1
a 、电流环传递函数简化条件：
11==74. 1>57. 69，满要求足。 5T ∑i 5⨯0. 0027
b 、转速环小时间常数近似处理条件：
1111==64. 2>57. 69，满足要求。 32T ∑i T on 32⨯0. 0027⨯0. 005
（3）、转速环的PID 控制
在转速环中加入D 微分调节，转速调节器则采用PID 控制，PID 控制的优点： ①、原理简单，使用方便，可以根据过程动态特性及时调整。
②、适应性强。
③、其控制品质对被控对象特性的变化不太敏感。
表3-1 转速电流闭环控制系统模型主要参数
3.5本章小结
本章介绍了PWM 脉宽调制和双闭环的设计，通过对PWM 系统、桥式可逆
PWM 变换器以及双极式控制可逆PWM 变换器的驱动电压、输出电压和电流波形的基本介绍和分析，明白桥式可逆PWM 变换器的基本工作原理和在可逆直流脉宽调速
系统中的基本应用，以及双极式控制的桥式可逆PWM 变换器本身的优点和缺点。然后就是系统的双闭环设计以及调节器参数的计算，和满足设计要求需要满
足的条件。
4 MATLAB简介与直流调速系统的仿真
MATLAB 是由美国博士Clever Moler 于1980年开发的，在公司及许多专家的
努力下，经过多次扩充修改，历经升级，现已发行到MATLAB7.0以上的版本，成为流行全球、深受用户欢迎的计算机辅助设计软件工具。
基于框图仿真平台的Simulink 是在1993年发行的，它是以MATLAB 强大计算功能为基础，以直观的模块框图进行仿真和计算的，Simulink 提供了各种仿真
工具，尤其是它不断扩展的、内容丰富的模块库，为系统仿真提供了极大地便利。 电源系统模型库（SimPower Systems ）是专门用于RLC 电路、电力电子、电
动机传动控制系统和电力系统仿真的模型库。在电力拖动控制系统中主要使用该
模型库的模型。在SimPower Systems 模块库中有很多模块组，主要有电源、元
件、电力电子、电机、测量、附加模块组等。
4.1 系统的仿真
在仿真模型的建立过程中，控制部分中的SIMULINK 模块参数的设置比较困
难，也很关键，为了获得比较好的仿真效果，为现实系统的实现提供设计依据，需要在仿真过程中不断调整参数，直到获得满意的效果。
系统的仿真分为三个步骤，分别是：建模、设置参数、仿真及仿真结果分析。 在建模的时候，首先要分析系统原理结构的每个细节，从SIMULINK 模块箱
中找到合适的模块；然后进行参数设置，参数设置是一个难点，可以将实际系统
中的主电路参数作为初始值，根据需要，不断调整控制部分的参数。
4.2 仿真图的建模和参数的选择与计算
4.2.1仿真图的建模
(1)、 双闭环直流脉宽调速系统的仿真模型如图4-1所示
图4-1 直流PWM-M 可逆调速系统仿真模型
（2） 、PWM 驱动信号发生电路如图4-2所示
图4-2 PWM驱动信号发生电路
（3）、由表3-1参数，设置参数如图4-3所示
图4-3 电动机参数设置
（4）、由表3-1电流环的参数可知，直流电动机电流环的仿真模型如图4-4所示
图4-4电流环的仿真模型
（5）、由表3-1转速环参数可知，直流电动机转速环的仿真模型如4-5所示
图4-5 转速环的仿真模型
（6）、转速环的PID 调节，直流电机转速换的PID 调节仿真模型如图4-6所示
图4-6 转速环的仿真模型
（7）、PID 的控制参数如图4-7所示
图4-7 PID 的控制参数
4.2.2、设定模型仿真参数
仿真算法ode23，仿真时间5s 。在3s 时突加负载。
4.2.3、仿真波形图及波形图分析
图4-8（a ） PI 调节转速波形图
(b) PID 调节转速波形图
图4-8（a ）为PI 调节器时的转速波形图，（b ）为加入D 微分之后的波形图，对比两图可知，图（a ）转速在0.4s 左右达到稳定，但是转速峰值达到1580，超调相对比较大，而加入D 微分之后，转速峰值为1500，减少了超调量，但是达到稳定的时间为0.8s ，相对比较长。所以，PID 控制是通过积分提高系统的稳定性能，通过微分，改善系统的动态性能。
图4-9（a ） PI 调节电枢电流波形图
（b ） PID 调节电枢电流波形图
图4-9（a ）为PI 调节器时的电枢电流，（b ）为PID 调节时的电枢电流，由图（a ）（b ）对比可知PI 调节时，达到稳定所用时间为0.4S 左右，加入微分D 之后，转速超调时间长，达到稳定的时间为0.7S 左右，相对于PI 调节增加了超调调节时间，所以系统达到稳定时的时间也较长。
图4-10 (a) PI 调节励磁电流波形图
(b) PID 调节励磁电流波形图
由图4-10可知，图（a ）（b ）波形图完全相同，所以对双环调节器的改变不影响励磁电流。
图4-11（a ）PI 调节负载转矩波形图
（b ）PID 调节负载转矩波形图
PI 调节和PID 调节对负载转矩的影响如上电枢电流的分析。
从仿真结果可以看到，电动机的启动经历电流上升、恒流升速和转速超调后的调节三个阶段。第一阶段是电流上升阶段，突加给定电压，ASR 的输入很大，其输出很快达到限幅值，电流上升也很快，接近其峰值。第二阶段，ASR 饱和，转速环相当于开环状态，系统表现为恒值电流给定作用下的电流调节系统，电流基本上保持不变，拖动系统恒加速，转速线性增长。第三阶段，当转速达到给定值后，由于积分的作用，其输出还是很大，所以出现超调。转速超调之后，ASR 输入端出现负偏差电压，使它推出了饱和状态，进入线性调节阶段，使速度保持恒定。在1S 时突加负载后电动机电流上升转速下降，经过0.1S 左右时间的调节，
转速恢复到给定值仿真结果基本上反映了这一点。
4.3 本章小结
本章介绍了MATLAB 软件与直流调速系统的仿真，首先从系统仿真开始，介绍仿真图的模型，PWM 驱动信号发生电路，直流电动机转速、电流环的仿真模型以及个环节参数的选择、计算和设置。然后是仿真图波形的分析，通过模型仿真出的波形图分析结论，以验证该设计达到任务要求。
5总 结
在可逆直流脉宽调速系统的仿真设计中，首先是对于建模过程中单闭环双闭环的选择，考虑到双闭环具有良好的稳定性能和动态性能，在进一步了解了转速、电流环的工程设计方法、基本原理、系统组成及其静态、动态特性后根据设计任务的要求，选择了双闭环调速系统。然后是对于转速、电流双环的模型建立和参数的计算，在调节器参数的计算上，由于超调的要求，电流环按典型I 型系统设计，电流调节器选用PI 调节器。而为加快转速的调节速度，转速环按照典型II 系统设计，并选用中频宽度，然后根据工程设计方法选择适当的参数计算。最后就是关于MATLAB 软件的运用，由于之前对于这个软件没有很深的了解，和改软件是全英文的，所以在刚开始接触MATLAB 软件的时候存在很多问题，基本操作比较生疏，在建立原理图和调试结果过程中遇到很多困难。不过，总的来说，在整个设计过程中，不仅掌握了MATLAB 软件的操作，学到很多新知识，还学会了自己独立思考发现问题，分析解决问题的能力。通过毕业设计让我更深入理解了直流调速系统的控制，扩展了知识面，各门课程综合应用，收益颇多。
致 谢
整个毕业设计中首先要感谢我的指导老师，我能顺利的完成本次毕业设计，是离不开他细心的指导和支持的。设计一开始他就为我们指出了设计方向并且制定了周密科学的工作任务安排，在设计过程中他更是细心的解答我们在设计中所运到的疑难问题，定期检查我们的设计成果。使我们能顺利的完成设计，当然本次设计能够顺利完成与同组的同学的帮助是密不可分的，我们一起讨论相关的课题，帮助我查阅相关的资料，使我的思路得以极大的开阔，并能发现自己在某些内容上的欠缺，所以我要感谢我的同学和所有在毕业设计中给予我帮助的人，在此没有一一列出，但我还是非常的感谢他们，谢谢！！
参考文献
[1] 陈伯时. 电力拖动制动控制系统 [M]．2006年．北京：机械工业出版社
[2] 王兆安等．电力电子技术 [M]．2010年. 北京：机械工业出版社
[3] 周渊深. 交直流调速系统与MATLAB 仿真. 2004年. 北京：中国电力出版社
[4] 王胜开、王琪. PWM 变频调速及软件开关电力交换技术. 2001年. 北京：机械工业出版社
[5] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统——远动控制系统. 2003年. 北京：机械工业出版社
[6] 洪及刚. 电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB 仿真. 2003年. 北京：机械工业出版社
[7] 周渊深. 交直流调速系统与MATLAB 仿真. 2003年. 北京：中国电力出版社
[8] 阮毅、陈伯时. 电力拖动自动控制系统. 2009年. 北京：机械工业出版社
[9] 王兆安、黄俊. 电力电子技术. 2002年. 北京：机械工业出版社
[10] 王兆安. 电力电子技术. 2000年. 北京：机械工业出版社
[11] 顾春雷、陈中. 电力拖动自动控制系统与MATLAB 仿真. 2011年. 北京：清华大学出版社
[12] 洪乃刚. 电力电子、电机控制系统的建模和仿真. 2010年. 北京：机械工业出版社
[13] 王正林、陈国顺等. MATLAB/Simulink与控制系统仿真. 2008年. 北京：电子工业出版社
[14] 阮毅、陈伯时. 电力拖动自动控制系统——运动控制系统. 2009年. 北京：机械工业出版社
[15] 刘金琨. 先进PID 控制及其MATLAB 计算仿真 [M]. 2003年. 北京：电子工业出版社
[16] 唐永哲. 电力传动自动控制系统. 1998年. 西安：西安电子科技大学出
版社
[17] 王离九. 电力拖动自动控制系统. 1991年. 武汉：华中理工大学出版社
[18] 余成波、张莲等. 自动控制原理. 2009年. 北京：清华大学出版社
[19] 郑有根. 自动控制原理. 2003年. 重庆：重庆大学出版社
[20] 陈坚. 电力电子学——电力电子变换和控制技术[M]. 2004年. 北京：高等教育出版社
[21] 张兴、张崇巍. PWM 整流器及其控制[M]. 2005年. 北京：机械工业出版社
[22] 林岳中. 现在电力电子应用技术[M]. 2007年. 北京：科学出版社
[23] 孙亮. MATLAB语言与控制系统仿真. 2006年. 北京：北京大学出版社
[24] 倪忠远. 直流调速系统. 1996年. 北京：机械工业出版社
[25] F Blaschke. Das Prinzip Feldorientierung,die Gtundlage fur die
TRANSVEKTOR-Regelung von Asynchron-maschinen[J]. 1971年.
Siemens-Zeitschrift45
[26] W Leonhard. Processing with Conthold AC-Drives[J]. EPE Journal. 1991年. vol.1 No.1 and No.2.
[27] R Gabril,W Leonhard. Microprocessor Control of Induction Motor[J]. 1982年. IEEE.
[28] A Nabae,et al.An Approach to Flux Control of Induction Motor Operated with Variable-Frequency Power Supply[J]. 1980年. IEEE vol IA-16,vol.
[29] M Depenbrock. Drehmomenteneinstellung im Feldschwachbereich bei
StromrichtErgespeisten Drehfeldantrieben mit Direkter Selbstregelung
(DSR)[J].1987年. ETZ-Archiv,Band9.
[30] Leonhard W. Control of Electrical Drives[M]. 1996年. 2nd ed. Springer-Verlag.
[31] Xingyi Xu, Rik De Doncker, Donald W Novotny,A stator flux oriented induction machine drive[J]. 1988年. IEEE PESC.
文献综述