PWM直流电机调速系统研究

论文总字数：8844字

摘 要

直流电机具有起动和调速性能好，调速范围广平滑，过载能力较强，受电磁干扰影响小等优点，在日常生产生活中应用广泛，因此本文研究PWM直流电机调速系统具有很重要的现实意义。通过采用脉宽调制技术调节占空比，实现直流电机调速的目的。本论文首先研究了PWM直流电机的工作原理，建立了数学模型；其次，对其调速的控制策略进行研究，并采用双闭环即速度外环和电流内环控制策略进行电机调速；最后通过matlab仿真，结果表明：该策略调速范围更广、调速更为平滑，满足设计的需要。

关键词：PWM调速，直流电机，调速系统

Abstract: Dc motor has good starting and speed control performance, wide speed range is smooth, overload ability is stronger, less affected by electromagnetic interference, is widely used in daily life, so this article research PWM dc motor speed control system has very important practical significance. The purpose of dc motor speed regulation is realized by using pulse width modulation technology to adjust the duty ratio. In this paper, the working principle of PWM dc motor is studied and the mathematical model is established. Secondly, the control strategy of speed regulation is studied, and double-closed loop is adopted to control the speed of motor speed. Finally, matlab simulation results show that this strategy has a wider range and smoother speed regulation, which meets the needs of design.

Key words:PWM speed regulation,DC motor, speed regulation system

目 录

1 绪论 6

1.1 选题的背景和意义 6

1.2 直流电机控制的发展及应用 6

2 直流电机调速系统 6

2.1 直流电机的主要结构 6

2.2 直流电机的工作原理 7

2.3 PWM调速原理 7

3 PWM直流电机调速系统设计 8

3.1 直流电机的数学模型 8

3.2 直流电机调速系统控制算法 9

3.3 直流电机参数的计算 11

3.4 转速电流双闭环控制系统 12

3.5 系统仿真分析 13

结论 16

参考文献 17

致谢 18

1 绪论

1.1 选题的背景和意义

电机的发展历史悠久，到了今天，电机已经拥有了200多年的历史底蕴。由于生产技术的发展，其他各种类型的电机相继涌现。原先的电机控制系统里，结构组成复杂，而且功能缺乏体积较大，成本较高，不利于直流电机的发展。随着单片机技术的迅速发展，电机直流系统也在不断的改良和创新，这一不断完善的过程中很好的控制了生产的成本问题，另一方面直观的提高了系统的工作效率，在应用市场上打开了一条新的道路^[1]。

在国民经济和工业生产中，电机起着十分重要的作用，它巧妙的将电能转换成了机械能，达到了一个电磁场的传导体，完成一系列的直线运动和旋转工作，它同样可以将机械能转换成电能，为之所用^[2]。因为直流电动机有比较好的调谐能力而且具有较高的起制动转矩和过载能力，速度快的特点，因此它在工业场合应用最为广泛^[3]。70年代后，PWM控制技术得到了前所未有的猛烈发展，PWM系统被广泛的运用。它不仅克服了模拟控制的速度，而且提高了系统的速度控制性能，以实现更高的灵活性 ^[4]。

1.2 直流电机控制的发展及应用

电子市场和科技的不断创新和发展，促使已经有了20多年应用的电动机有了惊人的蜕变。许多新思想、新技术不断涌现，新原理的电动机不断更新换代，直流电机的发展正在进入一个高速发展的时代^[5]。从我们在家常用的洗衣机，冰箱，汽车的雨刷器，还有医疗设备方面的手术用高速器具的高速离心机，到航空用的雷达天线等，电机分布的场合越来越多^[6]。

当前，电机制造业有三大发展趋势，主要体现在了发展大型和微型的区别，同时新兴技术在不断涌进，各方现代化科技发展的需求变化，促使了直流电机的可行性。可见直流电机具有很好的市场前景^[7]。所以，本文针对直流电机做出了有意义的研究和分析。

2 直流电机调速系统

2.1 直流电机的主要结构

定子和转子就可以组成一个直流电机。在定子里，包含了整流极、主磁场、刷装置、框架以及端口。换流极主要用于改善换相^[8]。主磁极由场主要是由芯和励磁绕组组成，从而产生恒定的气隙磁通。刷子装置与整流部件结合完成DC与AC之间的通信。底座和端盖被支撑和固定^[9]。转子是由五个结构构成，分别是电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴和轴承组成。其中电枢铁心也包含在主磁场里，其主要作用是放置电枢绕组。电枢绕组是由绝缘导体缠绕的电路部件。整流器和电刷装置共同完成直流和交流通信^[10]。

2.2 直流电机的工作原理

直流发电机是由磁场、励磁绕组、电枢绕组、换向器电枢构成。它的特点是电动势与电流的方向保持一致。直流发电机电机的设计原理是运用了线圈推动的电动势，这时电机就可以利用电机的电刷和换向得到电刷端呈现直流电势。导体运动的时候，e=Blv。右手定则可以明显察觉判断出电动势力的方向。

直流电动机的本质是将直流电能转换为机械能。它的内部组成结构分为两大部分(定子和转子)，主要利用电磁场的驱动性，来完成调节速度的功能。它的工作原理首先利用了电磁力的定律，因为在磁场驱动的作用下线圈和导体都会受到力的作用，这时依靠左手去察觉和判断力的方向。当磁场和导体保持在直角的模式时，这时候导体上接受的作用力和电流方向两者之间呈现一个反比。

发电机和电动机的磁场、电枢绕组、励磁绕组的分布是一样的，两者之间的内部结构也是一样的，不同的是电磁转矩和电动势。发电机的电磁转矩是阻转矩，不同的是电枢转动。造成不同的电动势作用，前者是电源电动势，后者是反电动势^[11]。

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