一 任 务 书
设计步骤：
1 画出系统的仿真模型
2 主电路的建模与模型的参数设置
3 控制电路的建模与模型的参数设置
4 系统的仿真参数设置
5 系统的仿真，仿真结果的输出及结果分析
6 打印说明书（B5），并交软盘（一组）一张
注意事项：
1 系统建模时，将其分成主电路和控制电路两部分分别进行
2 在进行参数设置时，晶闸管整流桥，平波电抗器，直流电动机等装置的参数设计原则如下：如果针对某个具体装置进行参数设置，则对话框中的有关参数应取装置的实际值；如果不针对某个具体装置的一般情况，可先取这些装置的参数默认值进行仿真。若仿真结果不理想，则通过仿真实验，不断进行参数优化， 最后确定其参数。
3 给定信号的变化范围，调节器的参数和反馈检测环节的反馈系数等可调参数的设置，其一般方法是通过仿真试验，不断进行参数优化。 4 仿真时间根据实际需要而定，以能够仿真出完整的波形为前提。
5 仿真算法的选择：通过仿真实践，从仿真能够进行，仿真的速度，仿真的精度等方面进行比较选择。
二 实验设计方法及其步骤
（一）概述
直流电动机因其性能宜于在广泛范围内平滑调速，其调速控制系统历来在工业控制具有及
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其重要的地位。直流调速控制系统中最典型的一种调速系统就是转速电流双闭环调速系统。自从全控型电力电子器件问世以来，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。直流PWM调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。 PWM型系统在很多方面有较大的优越性：主电路线路简单，需要的功率器件少：开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；动态性应快，动态抗扰能力强等。因其众多优点，直流PWM调速系统的应用日益广泛，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。
在当今社会，仿真技术已经成为分析，研究各种系统尤其是复杂系统的重要工具，为了简便工程设计和解决设计中可能出现的问题，利用Matlab中SIMULINK实用工具对直流电动机的双闭环调速系统进行仿真和系统分析就成为我们今天继续探索的课题。
（二）设计原理及步骤
1. 设计原理图及工作原理
转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。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。二者之间实行嵌套（或称串级）联接如下图(1)所示。
图（1）双闭环直流调速系统电路原理图
ASR-转速调节器 ACR-电流调节器 TG-测速发电机 UPE-电力电子变换器 TA-电流互感器
图中，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。
为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原理图示于下图。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的，并考虑到运算放大器的倒相作用。
图（2）双闭环直流调速系统电路原理图
图中表出，两个调节器的输出都是带限幅作用的。转速调节器ASR的输出限幅电压U*im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Ucm限制了电力电子变换器
的最大输出电压Udm。
下图是本次设计的实验原理图。
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操作条件反射图（3） 双闭环控制的直流脉宽调速系统原理框图
工作原理：给定值Ug与速度反馈量Ufn叠加后经速度调节器的比例积分调节作为电流环的给定输入，它与电流反馈量Ufn叠加后经电流调节器的比例积分调节向脉宽调制器输出控制电平Uc,脉宽调制器产生一个频率不变的矩形脉冲波，其脉冲宽度即占空比将随Uc值的变化而变化，其占空比可调范围为0<ρ<1。此脉宽调制脉冲经逻辑延时，功放，隔离等处理后，送到开关器件的栅极。外加直流电源Us经H全桥逆变电路输出一个与占空比ρ相对应的调制电压，经平坡电抗器Ld驱动直流电动机M，发电机G则作为电动机的负载，由同轴上的测速发电机取得速度反馈信号。电流返回信号取自助电路的取样电阻Rs两端。
2. 脉宽调制的原理图及其生成原理
PWM变换器的作用是：用PWM调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速
在图（3）中，脉宽调制器用于产生一路脉宽调制脉冲波，它是由专用芯片TL494产生的，其内部原理图如下图（4）所示。
图（4） TL494的内部结构
脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的电流电源电压调制成频率一定，宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。在本实验中，把脉宽调制器接成如下图（5）所示。图（5）中只利用了TL494的一组输出脉冲。只要控制TL494的输入端即“1”脚输入电平，即可以在输出端“8”脚相应的得到占空比可调节的脉宽调制脉冲，其中脉宽调制脉冲的频率为5.7KHz。
图（5） 脉宽调制波形发生器外围接线图
3. 两个调节器的作用
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，它使转速 n 重庆航运建设发展有限公司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。
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（2）对负载变化起抗扰作用。
（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。
电流调节器的作用:（1）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）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
（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. H桥逆变电路结构原理
双闭环H桥DC/DC变换直流调速系统功能原理框图如图（6）所示。
断肠猿图（6）双闭环H桥DC/DC变换直流调速系统功能原理框图
本实验系统的主电路采用单极性脉宽调制控制方式，其中主电路由四个IGBT管构成H桥，G1~G4分别由脉宽调制产生电路产生后经过驱动电路放大，再送到IGBT相应的栅极，用以控制IGBT管的通断。单极性的控制方式是这样进行控制的，在图（6）中，左边两个罐子的驱动脉冲UG1=- UG2，使VT1和VT2交替导通，而右边两管VT3，VT4因电动机的转向而施加不同的直流控制信号。在电动机正转时，UG4恒为正， UG3恒为负，使VT4 常通，VT3截止。在电动机反转时，VT4截止，VT3导通。四个快恢复VD1~VD4用于逆变电路的续流。其中电流调节器的电流反馈量是由主回路中的取样电阻RS进行取样的。速度反馈量取自发电机输出的电压值。
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