1、基于MATLAB的直流电机速度控制仿真 密级： 科学技术学院NANCHANG UNIVERSITY COLLEGE OFSCIENCE AND TECHNOLOGY 学 士 学 位 论 文THESIS OF BACHELOR（2012 2016 年）题 目 基于MATLAB的直流电机速度控制仿真 学 科 部： 信息学科部 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气122班 学 号： * * * * * 起讫日期： 2015年12月至2016年5月31日 目录基于MATLAB的直流电动机速度控制的仿真 专业：电气工程及其自动化 学号：* 学生姓名：谢磊 指导老师：万旻摘要：仿真对于控制系统的分
2、析，验证，设计具有重大的意义，我们可以利用MATLAB编程和SIMULIN工具箱进行仿真，H桥驱动电路是为了直流电机的调速控制而设想的一种常见电路，它可以对直流电机的正反向驱动实现控制。本文通过对H桥的波形比较分析研究，可以得到MATLAB的直流电机速度的变化关键词：直流电机，调速，H桥，MATLAB仿真 Dc motor speed control based on MATALB simulationAbstract：Simulation for the analysis of the control system, validation, the design is of great si
3、gnificance, we can make use of MATLAB programming and simulation SIMULIN toolbox, H bridge driving circuit for dc motor speed control and assume a common circuit, it can be to drive control of a dc motor. This article through to the H bridge waveform comparison analysis research, you can get the spe
4、ed of dc motor in the MATLABKey words：dc motor， Speed control， H bridge， The MATLAB simulation第一章绪论1.1课题来源及意义控制理论的研究对象是系统，从系统控制理论的角度，系统即为由彼此关联和互相制约各个部分”所构成的具备一定功效的一个团体”。体系存在于自然界和人类社会的各个领域中。 直流调速意思是人工的或主动的转变z直流电机在工作是所旋转的效率，从而达到我们所需要的要求，经过转换电动机的参数或外加工电压，改变电机工作所需的要求，从而使电机在工作时运行的机械效率达到更高。直流调速体系含备优秀的速率迅速
5、的特质，平稳的运转速度，规模大，容易超过负荷，运行方式便于掌控，和优秀地起动和制动功能等，从而使直流调速系统更加的达到全自动化的要求，所以可以达到电力传输的要求，被电力传输系统大面积的引用，为了加强直流速度控制系统，一般为一个闭环调控系统的动态和静机能目标。调速目标要达到不高的局面，行使一个简单的闭环体系，多闭环体系。可以变成有差别的控制方法，根据反应速率和反应电流表现出电压的反应。在双闭环系统，转速 - 电流双闭环使用较多。普遍的表达于机器，炼金，金属切除机床等各种规模的自动化调速系统。1.2国内外发展现状 在现在，这个广泛运用电气控制的时代，能源传输，电机含备当今的出产和我们生涯中施展这非
6、常重要地公用。在工业制造中，出门运行，探索外太空，生活疗养，贸易和在我们日常上班所用的设备，或在生活中实用的电器，普遍的运用用着各类的电机。根据专业人士统计得出，我国使用电机的人数达到了60%.可想而知，电机在我们的日常生活中，扮演这不可忽视的重要作用。速率的控制系统是我们这个时代的电机的工作系统中的自主调度体系的利用最大的。伴着如今的发展趋势，我们所需要的东西功能的要求越来越高，所以必须使生产的物品能够自己变化速率，在这个智能化系统控制的今天，电气系统已经进入了全自动化的时代。在以前的生产过程中，太浪费体力和时间了，现在通过人机一体化，我们可以轻轻松松的完成生产，还提高了生产的可靠的地方，而
7、且稳定。这样既节约了时间，还提高了劳动的生产率，还提高了综合国力因为这个体系的布局比较庞大，控制器可控数据比较的大，所以这个体系的计划和矫正比较复杂，必须要有一个效力广泛、剖析简易的仿真设计地点。在MATLAB的Simulink发行以来，动态体系的仿真就变得十分简单了。因为Simulink具备非常充足的专门给控制工程与系统计算的函数，含备丰富地数学估计功用，而且含有简便的图形的画制效用，只要在Simulink中画出体系的动态图形图模型，制作很单一的流程，便可以对该系统做仿真，效率很好，情况友善，进而提供这个体系的策划和纠正带来很大的便利。Matlab在学术和很多现实规模都得到普遍利用，已经变成
8、了全世界控制界应用最流行的语言和用具。1.3研究目标及内容1.3.1研究目标使用matlab软件操控直流电机调速，而且可以利用仿真更直观的研究直流调速体系的机能1.3.2研究内容：设计一个直流电机控制系统，并对其进行仿真1.3.3基本要求：使用双极结晶体管（BJT） H桥对直流电机控制其转速。DC电动机采用预置模型（5马力24V 1750转），其中负载转矩与速度的平方成正比。H桥由四个BJT /二极管对组成，两个晶体管同时切换：Q1和Q4或Q2和Q3。 第二章MATLAB介绍2.1 MATLAB简介MATLAB是一种计算机编程语言，命名为从实验室矩阵，初衷是处理矩阵方法的计算机所反映的参数，它
9、可以处理数值的计算和比较，已经可以把他所反映的情况结合起来，使人看起来一目了然，还可以给大家提供许许多多的参数，所以其受到了大家的喜爱，适用范围也越来普及泛。2.2 MATLAB所蜕变的历史经过MATLAB是美国的Clever Moler博士开发的一套集命令、科学计算于一身的交互式软件,在1984发行。 MATLAB提供了数据处理、图形绘制、图象处理以及方便的Windows编程等工具,所以它广泛应用在图像信号处理、自动控制、电力、生物医学工程、语音处理信号分析、雷达工程、振动理论、时序分析与建模、化学统计学、优化设计等领域,所以是深受广大科研和工程人员所欢迎的工具软件。在70年代末，美国的CL
10、ERER博士,在开讲座时，想教他的门生利用EISPACK和LINPACK程序库，可是他察觉他的学生用FORTRAN制作接口程序用了很多的不必要的额时间，他聪明的给接口程序命名为MATLAB，更名为矩和实验）两个英文单词的前几个字母的结合，在这之后的之多年里，MATLAB得到了大家的广泛应用，尤其是在大学里，其更是作为教学的辅助工具供大家参考和使用 2.3 MATLAB的特点MATLAB向使用者展现出最直观，最简便的流程开发环境。其主要特性有：1、语言简洁，容易理解，使用简便，库函数以及运算方法种类多；2、MATLAB含备结构化的掌控语句（如While循环，when结构，if语句），另有面对目标
11、编程的特点；3流程可变性强，限制不固定，自由想象结构很多，且可变动性很好；4、MATLAB图形功能以及工具箱功能很强大，而且源程序开放性好。2.4控制系统仿真中常用的函数介绍这些传递函数，下面列出的是经常使用的编程方法的控制系统仿真的一些MATLAB函数。G=t(NVM,den)设立一个以前的函数量。Nvm是分子项，DEG是分木量 NVM,den=serceies(numc1,den1,num2,den2)表示两个单输入单输出系统的传递函数G（s）和G2（s），串联。 num,den=feedback(den1，den2，den3num1,num2,sign) 表示利用系统将2个反馈链接起来从
12、一般的方式看来，系统1四个反馈量，而系统2是1个反馈的模型器具。表明，这2个系统是连接在一个反馈的方式，一般而言，系统1是一个对象，系统2是一个反馈控制器。Sign使用请示体系2输出到系统1输入的衔接标记，sign一般为负值，就是sign=-1。Nvmcr,denc=clooep(NFfjm,deng,sign)闭环体统所有的连接方式一般与符号和系统意义相同。 它一般是作为一个单位量存在。sysd=c2d(sryersc,Ts,method)连续时间LTI系统模型转化为一个离散时间系统模型，和TS是采样周期。sysc=d2c(sysd,method)第5,6两个函数中的method表示转换是选
13、用的变换方法，如其值为zoh，表示对输入信号加零阶保持器；5,6两功能在“方法”表示转换转换方法的选择。如果值是“普遍”，表示输入信号与零阶保持器；如为foh，表达对输入信号插入一阶保持器；例如tustin，可以采用双线性变换方式；等等。2.5 Simulink的基本介绍 Simulink是MATLAB中一个极其重要的组件之一， 它可以为客户提供一个仿真综合分析的集成和、动态系统仿真建模的环境，并且能准确地分析和控制系统的复杂模型。 它具有两个十分明显的功能：仿真和链接。换而言之，它可以直接使用鼠标在窗口中手动画出自己所需要的系统控制模型，紧接着再利用MATLAB自带功能来对该控制系统进行仿真
14、模拟。这项创新是的原本十分复杂难懂的系统变得更容易输入。Simulink的出现可以说是在MATLAB的系统仿真中开创了里程碑，它可以针对任何能够使用数学表达的系统进行仿真建模，比如汽车动力学系统、风力发电系统、通信系统等多领域应用。 图2-4 Simulink的应用界面 Simulink的模块库可以分为两大类：标准模块库和专业模块库。 Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具 ，它主要被广泛应用于非线性系统、线性系统、数字信号的处理和数字控制的仿真与模拟。在建立一个模型方块图的用户接口，Simulink提供一种既简单又高效的方法，整个过程中只需要移动鼠标和单击就可以完成，最后客户可
15、以直接看到仿真结果。Simulink具有丰富的可扩充的自定义模块库，可以用设计功能的层次来分割模型，以便来实现复杂设计的管理。 第三章直流电机速度控制系统的建模和仿真3.1 直流电机的工作原理在我们的生活学习中，可以发现根据电磁学基本知识可知，载流导体在磁场中要受到电磁力的作用。如果导体在磁场中的长度，导体所在地方的磁密度为B,而在导体中留过的电流的大小为I，那末导体受到的电磁力的值为式）F=BIL 如下图所示，当N,S级收到不同方向的磁作用力时，电磁所产生的作用了会使转子发生旋转，尽管转子发生了旋转，但是其电流的方向是恒定的，所以当这个转子代这负载运行时，便做到电能和机械能的相互转换 直流电
16、动机的变化方向是可以改变的，当外界作用力发生变化时，它便可以将我们所需要的机械能转换成电能进行工作，当电动机有电压的额施加时，它便又可以将机械能转换成电能供大家使用图1 直流电动机工作原理图3.2直流电机的调速原理 根据直流电机的结构分析可得到等效的模型，包括电枢绕组及其等效的电阻等。直流电动机所发生的参数的旋转是所运行的方式结合得出的公式为 (2-2)(2-2)式中：UN是电枢电压，IN是电枢电流，Ra是电枢回路总电阻，Ce是电势常数，是励磁磁通。 (2-3)式中：p-磁极对数，N是导体数，a是电枢支路数。 (2-4)式中：当电机型号确定后，Ce为常数，故式式(2-1)改为 在功率很小的直流
17、电机中，回路有着非常小的电枢，所以它里面所包含的RNI都非常小，我们可以将其不记录进数值计算中，而当我们转变电枢的电压时，转速肯定也相应的发生变化，这样，我们就可以实现电极的速度控制3.3直流电机速度控制仿真研究原理驱动信号在经TL494的脉宽调制后,经常使H桥作为驱动电路的动作功率在直流电路中.这种驱动电路可方便地实现直流电机的四象限运行,分别对应正转、正转制动、反转、反转制动.由于功率MOSFET是压控元件,具有输入阻抗大、开关速度快、无二次击穿现象等特点,满足高速开关动作需求,因此常用功率MOSFET构成H桥电路的桥臂.H桥电路中的4个功率MOSFET分别采用N沟道型和P沟道型,而P沟道
18、功率MOSFET一般不用于下桥臂驱动电机.H桥是利用2个N沟道功率MOSFET和2个P沟道功率MOSFET构成的,其控制电路简单、成本低.但由于加工工艺的原因,P沟道功率MOS?FET的性能要比N沟道功率MOSFET差,且驱动电流小,因此多用于功率较小的驱动电路中.而N沟道功率MOSFET,载流子的迁移率较高、频率响应较好、跨导较大;且能增大导通电流、减小导通电阻、降低成本,减小面积.因此我们经常利用他在大功率的优点对其进行操作和利用escription双极结晶体管(是)当用于经营作为一个IGBT功率切换应用程序。进行时(是机器操作饱和地区)集电极和发射极之间的正向电压Vf开发(在1 V)。因
19、此,IGBT块可用于模型是机器设备。IGBT块不模拟栅电流控制是机器或IGBT。由仿真软件控制开关信号(1/0)。直流电机使用预设模式(5 HP 24 v 1750 rpm)。它模拟风机类型负载(负载转矩正比于速度的平方)。电枢是电压可以从0到240 V时,不同的工作周期脉冲发生器中指定(块)是不同的从0到100%。 第四章 直流电机速度控制仿真介绍4.1 直流电机H桥关于H桥的驱动的设计4.1.1、H桥驱动电路 下图中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：下图及随后的两个图都只是示意图，
20、而不是完整的电图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。 如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。 H桥驱动电路 要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如下图所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经 Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。 H桥电路驱动电机顺时针
21、转动 下图所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。H桥驱动电机逆时针转动4.1.2 使能控制和方向逻辑 驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电 路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。基于上述原因，在实际驱动电路中通常 要用硬件电路方便地控制三极管的开关。 下图所示就是基于这种考虑的改进
22、电路，它在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。4个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制 整个电路的开关。而2个非门通过提供一种方向输人，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。 具有使能控制和方向逻辑的H桥电路 采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信号和一个使能信号。如果DIRL信号为0，DIRR信号为1，并且使能信号是1，那么三 极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机（如下图所示）；如果DIRL信号变为1，而DIRR信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流则反向 流过电机。 使能信号与方向信号的使用 实际使用的时候，用分立元
23、件制作H桥是很麻烦的，好在现在市面上有很多封装好的H桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就可以使用了，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。4.2直流电机速度控制仿真图 【 直流电机的速度控制仿真图 本仿真的主要有240V的理想电源，三极管，电阻，示波器，直流电机等Q1,Q2,Q3,Q4为IGBT驱动电路4.3仿真的模拟这个例子是与所有状态初始化，以便模拟开始在稳态。240V的电流流出候经过了Q1，Q2，Q3和Q4，当Q1和Q4导通时，电机正转；当Q2和Q3导通时，电机反转，可以根据电机的正反转速度来得到我们所研究的电机的速
24、率。用于功率转换应用程序时，双极结晶体管（BJT）作为一个IGBT。当它被导通（BJT在饱和区工作）Vf的集电极和发射极之间产生一个正向电压（在1伏的范围内）。因此 IGBT的块可用于双极结型晶体管器件进行建模。该IGBT模块不模拟栅极电流控制BJT或IGBT。该开关由一个Simulink的信号（1/0）控制。 DC电动机采用预置模型（5马力24V 1750转）。它模拟了一个风扇类型的负载（如负载转矩与速度成正比的平方）。电枢平均电压可以从0到240伏时的占空比（在脉冲发生器块指定）是从0到100变化时，可以改变。H桥由四个BJT /二极管对（BJT由IGBT模型模拟的）。两个晶体管同时切换：
25、Q1和Q4或Q2和Q3。当Q1和Q4发射，一个正电压施加到电动机和二极管时Q1和Q3被关闭D2-D3操作为续流二极管。当Q2和Q3被解雇，负电压被施加到马达和二极管时Q2和Q3被关闭D1-D4操作为续流二极管。示范电机中以75的占空比的正方向开始（平均180V的直流电压）。在t = 0.5秒。电枢电压突然反转和电动机在负方向运行。Scope1表示电机转速，电枢电流和负载转矩和Scope2示出了BJT Q3和二极管D3中流动的电流。0 运行时所产出的数值4.4 仿真的分析电机所产生的波形的分析，我们可以从仿真图得到电机速率运行的波形图 电机的运行速率波形图 此图从上到下分别为电机转速，电枢电流和
26、负载转矩的波形图。 第一段波形为电机转速波形，当T=0开始时电机以平均180V电压开始运行，Q1和Q4导通，从而使电机向正方向开始旋转，到转速达到1000时达到最大转速。当T=0.5秒时，电枢电压开始反转。Q1和Q4断开，Q2和Q3接通，从而电机转速开始下降在0.55秒左右电机转速降为0并开始反向运转，当转速达到1000时达到最大反向转速。 第二段波形为电枢电流波形，当T=0时电机以平均180V电压开始运行，Q1和Q4导通，从而给电机一个正方向的电流，当电流达到40A左右时达到最大电流然后逐渐下降在10A左右达到稳定。当T=0.5时电枢电压开始反向运转。Q1和Q4断开，Q2和Q3接通，电流逐渐
27、减小，直至变为反向电流在达到最大反向电流后开始逐渐稳定 第三段为负载转矩波形，当T=0开始时电机以平均180V电压开始运行，Q1和Q4导通，从而使电机向正方向开始旋转，转速逐渐增加，负载转矩也逐渐增加，当达到最大转速后，负载转矩也达到最大，并且稳定在5左右。当T=0.5秒时，电枢电压开始反转。Q1和Q4断开，Q2和Q3接通，从而电机转速开始下降在0.55秒左右电机转速降为0并开始反向运转，负载转矩也是如此，当此时达到最大电流后电流开始变小，所以，负载转矩反向运转的速率减小的幅度略微变慢，也慢慢达到最大反向负载转矩。由图可知当调节电机的电压大小和方向，从而可以控制直流电机的速度第五章总结与展望本
28、次设计通过用MATLAB编写程序与SIMULINK建立数学模型相对应，不仅让我更加熟练的掌握了MATLAB/SIMULINK软件，同时也基本完成了设计要求和试验目的即：通过仿真图形实现了H桥直流电机的调速。在试验过程中也遇到了不少困难，例如传递函数化简错误、数据选择的错误、设置问题等等，在老师和同学的帮助下，问题最后都被解决了。由于软件和个人的专业知识水平有限，只实现了较为简单的调速系统，因此，我还需在今后工作学习中做深入研究，达到更高要求和更深层次的设计。在多媒体技术迅速发展的今天，直流电机调速系统将得到更好地发展，随着应用领域的扩展，直流电机调速系统也将得到更深层次的应用，因为它的简单实用
29、、方便快捷的优点，必然会使这项技术的未来一片光明。参考文献1Speed Control of DC MotorBL.2宗晓萍.自动控制原理M.北京：中国计量出版社，2007:12223陈伯时.电力拖动自动控制系统运动控制系统M.北京：机械工业出版社，2010:52934黄坚.自动控制原理及其应用M.北京：高等教育出版社，2004:15315黄忠霖.控制系统MATLAB计算及仿真M.北京：国防工业出版社，2004:18276王忠礼，段慧达.MATLAB应用技术-在电气工程与自动化专业中的应用M.清华大学出版社， 2007:32497基于MATLAB直流电机调速系统BL.8陈怀琛.MATLAB及其
30、在理工课程中的应用指南M.西安：西电出版社出版，2007:28439王再英.过程控制系统与仪表M.北京：机械工业出版社，2007:467510 于春香. H桥直流电机驱动控制电路设计J. 集成电路通讯, 2012(3):22-25.11 勾青远。基于TMS320F2812的小型无人机控制系统设置，2013：050112 姚洪江.基于全数字直流调速系统地研究.http： /59.77.139.83/kns50/d13 三项异步电机VF调速 http： /致谢通过这几个月队毕业设计的比较分析，比较和研究。终于完成了队毕业论文的撰写，作为电气工程及其自动化的学生，这次所研究的课题还存在很多不懂之处，
31、但是经过老师的帮助和各种资料的查阅，我才能完成这篇论文。首先，我要感谢毕业设计的指导老师万老师，他给与了我非常大的信任和帮助。尽管老师平时工作比较的多，但是还是给了我很多关键性的建议很多的困惑的地方都是老师悉心指导下完成的。在这几个月做毕业设计的过程了我了解到许多困惑的知识，而且我从他身上学习到应该如何去处理困难，收货知识。同时我也非常感谢大学几年来所有的老师，他们不但教会了我专业知识，而且指导我们学习和生活，他们兢兢业业、在工作中在生活中都给我做出了榜样，时刻鞭策着我向他们学习。毕业设计只是人生中一个短暂的结束，老师、同学给于我的知识、启发、教诲和友谊是我在步入社会后最为重要的财富。最后，感谢母校对我的培养，向所有帮助过我的人致以最诚挚的谢意。
