PAGE7No直流PWM斬波調(diào)壓的可逆調(diào)速系統(tǒng)Simulink仿真研究目錄TOC\o"1-3"\h\u1311摘要 32169引言 3282851直流PWM斬波調(diào)壓的可逆調(diào)速系統(tǒng) 553541.1系統(tǒng)技術概述 5241051.1.1PWM脈沖寬度調(diào)制技術 5151141.1.2斬波調(diào)壓技術 6286661.2系統(tǒng)組成部分及結構 6199991.3系統(tǒng)工作原理及作用 7240041.3.1系統(tǒng)原理 735251.3.2PWM可逆系統(tǒng)控制方式 724051.4系統(tǒng)經(jīng)濟、社會意義與研究現(xiàn)狀 9149281.4.1系統(tǒng)經(jīng)濟與社會意義 9102711.4.2系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 10228302MATLAB及Simulink軟件介紹 1186992.1MATLAB簡介 1144332.1.1MATLAB主要功能與特點 1133362.1.2MATLAB語言 1220252.2Simulink簡介 13111762.2.1Simulink主要功能與特點 13102322.2.2Simulink環(huán)境 14200532.2.3Simulink基本操作 15213832.2.4Simulink仿真 16154902.2.5Simulink算法 16131922.2.6Simulink示波器 1896022.2.7Simulink子系統(tǒng)模塊 18173123直流PWM斬波調(diào)壓的可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真 19249823.1直流電機直接起動仿真 19249443.1.1仿真模型的連接 19196113.1.2仿真模型的參數(shù) 1989943.1.3仿真過程 2038163.2雙極式斬波調(diào)壓PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真 2059423.2.1仿真模型的連接 2236763.2.2仿真模型的參數(shù) 24245523.2.3仿真過程 24206613.3受限單極式斬波調(diào)壓PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真 26283343.3.1仿真模型的連接 2886003.3.2仿真模型的參數(shù) 2921913.3.3仿真過程 29170074系統(tǒng)仿真結果與分析 33214634.1直流電機直接起動仿真結果分析 33236854.2雙極式斬波調(diào)壓PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真結果分析 3431324.3受限單極式斬波調(diào)壓PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真結果分析 3624199結論 4018243參考文獻 41摘要工業(yè)化迅速發(fā)展的如今，由于勞動力成本的日益提高，越來越多的企業(yè)在擴大生產(chǎn)規(guī)模的同時，亟待降低生產(chǎn)成本，以提高企業(yè)競爭力。迫于這樣的需求，生產(chǎn)自動化系統(tǒng)應運而生。其中最不可缺少的部分之一就是調(diào)壓調(diào)速控制器，這直接影響了電路中電動機的性能和節(jié)能表現(xiàn)。然而，目前市面上的大多數(shù)調(diào)壓調(diào)速控制器，具有線路較為復雜、裝置動態(tài)響應較差、調(diào)壓精度不夠迅速準確等缺點，而有待改進。為解決此不足，本文基于PWM技術，設計了一套直流PWM斬波調(diào)壓的可逆調(diào)速控制裝置。該裝置是電路簡單、調(diào)速范圍寬、動態(tài)響應迅速、發(fā)熱損耗小、成本低、適用于各種不同功率的實用性較強的高精度電壓控制裝置。其可以被廣泛地應用于冶金、機械制造、輕工業(yè)等工業(yè)部門，滿足生產(chǎn)中的高動態(tài)性能要求，以提高生產(chǎn)效率、減少生產(chǎn)能耗。本文通過使用MATLAB中的Simulink仿真軟件，建立直流電動機直接起動仿真模型、雙極式PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真模型、受限單極式PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真模型等一系列仿真模型，對比各個系統(tǒng)的優(yōu)劣，確定最終的方案，完成此控制系統(tǒng)仿真模型的建立。關鍵詞：PWM；斬波調(diào)壓；可逆調(diào)速；MATLAB；Simulink引言近年來，由于全球經(jīng)濟的飛速發(fā)展，大規(guī)模的工業(yè)化不停地消耗著越來越多的能源，其中不乏大量的不可再生資源，所以，節(jié)能減排已經(jīng)變得越來越有必要。在工業(yè)領域，特別是拖動系統(tǒng)中，對直流電動機的調(diào)速系統(tǒng)進行改進能夠起到明顯的節(jié)能作用，所以，對電力電子產(chǎn)業(yè)的節(jié)能減排改進刻不容緩。本設計正是在此背景下，開展相關研究，基于直流電動機、PWM技術及斬波調(diào)壓技術，力求設計出一套更加高效、節(jié)能的直流調(diào)速系統(tǒng)。1800年前后，人們先后發(fā)明了使用交流和直流電機的拖動系統(tǒng)。但是，直流電動機自其誕生之初至今，就因為其轉速的調(diào)節(jié)較為容易、高動態(tài)范圍的調(diào)速較為平滑、能效比較高等特點，一直在電動機行業(yè)內(nèi)擁有非常重要的統(tǒng)治地位。所以，對于性能要求較為嚴苛的可調(diào)速拖動系統(tǒng)便一直運用其進行驅(qū)動。由于采用了PWM技術，電路中的電機諧波損耗大大降低，提高了電機的動態(tài)響應性能，同時簡化了電路設計。使整個系統(tǒng)的響應速度更快。采用PWM技術的PWM驅(qū)動裝置與傳統(tǒng)晶閘管驅(qū)動裝置相比，具有功耗小、電路相對不復雜、響應速度快、損耗小、能耗低等優(yōu)點。因此可廣泛應用于各種類型的直流電機系統(tǒng)中。然而，PWM系統(tǒng)與一般的V-M系統(tǒng)相比，在許多方面有很大的優(yōu)勢，尤其是在容量不是很大、動態(tài)性能要求較高的系統(tǒng)中，PWM系統(tǒng)已全面搶占了V-M系統(tǒng)的地位。鑒于直流電機和PWM技術具有諸多突出的技術優(yōu)勢，因此，本文將直流電機和PWM技術結合起來，同時利用斬波調(diào)速技術，研制了一種比較優(yōu)秀的調(diào)速系統(tǒng)——直流PWM斬波調(diào)速可逆系統(tǒng)。本文所研究的直流PWM斬波調(diào)壓的可逆調(diào)速系統(tǒng)，是基于電樞電壓法控制的直流PWM斬波調(diào)壓的可逆調(diào)速系統(tǒng)，其核心原理是通過斬波器控制電動機在特定的頻率內(nèi)實現(xiàn)正反轉，同時通過斬波器的控制電路，可以對其頻率進行控制。本研究設計分為三大步驟，首先，建立直流電機直接起動模型以了解直流電機系統(tǒng)及

MATLAB

/Simulink相關軟件的使用方法。然后，建立雙極式斬波調(diào)壓的PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)，通過運行研究其特點及不足。最后，通過改良，建立受限單極式斬波調(diào)壓的PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)，完成本研究設計。具體的研究及設計步驟如下：通過本科期間學習以及查閱網(wǎng)上相關文獻，總結PWM系統(tǒng)、斬波調(diào)壓、可逆調(diào)速等與課題相關的資料及文獻，并整理分類；運用PWM系統(tǒng)、斬波調(diào)壓、可逆調(diào)速等相關知識，使用MATLAB/Simulink軟件進行仿真實驗，學習總結MATLAB/Simulink軟件的使用方法及直流電動機的起動方法，對雙極式PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)模型、受限單極式PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)模型等模型進行設計、運行、調(diào)試及分析；觀察電動機在不同輸入及正反轉情況下的工作特性，并且通過設置不同負載，觀察電動機的負載能力，最終確定各模塊的擺放位置、連接順序及相關數(shù)據(jù)；運行系統(tǒng)，輸出各示波器的波形圖，完成仿真運行，并對仿真的結果進行分析，研究雙極式PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)模型與受限單極式PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)模型的特點；提出工程上發(fā)生的問題及缺陷，并給出可行的改進方法，改進問題、彌補缺陷；確定系統(tǒng)的最終方案，完成系統(tǒng)的最終調(diào)試及分析，輸出系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)及波形圖，完成該論文論文。通過以上的仿真模型建立、調(diào)試、改進及分析過程，最終完成直流PWM斬波調(diào)壓的可逆調(diào)速系統(tǒng)的仿真模擬，該系統(tǒng)可廣泛生產(chǎn)中的中、小容量的高動態(tài)性能中，以減少生產(chǎn)能耗、提高生產(chǎn)效率。直流PWM斬波調(diào)壓的可逆調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)技術概述1.1.1PWM脈沖寬度調(diào)制技術PWM脈寬寬度調(diào)制(Pulse-widthmodulation)是利用單片機數(shù)字輸出來控制模擬電路的一種非常有效的能量或功率控制技術[1]。它采用了一系列

PWM脈沖信號代替正弦信號。按照面積等價法，可以通過對電流脈沖頻率的調(diào)節(jié)，以得到達到一定額定頻率所需的同等水平的波形。這是PWM技術實現(xiàn)的重要原理。無論何種形式的PWM技術，均需要配備一個或多個導通與斷開時間可以被精確控制的開關，且此類開關必須滿足如下要求：（1）連通時能夠通過較大的電流；（2）關斷時能夠耐受較大的電壓；（3）能夠適應足夠高的開關頻率。PWM技術的發(fā)展起源于現(xiàn)代半導體技術的突破，由此制造出多種滿足上述三大要求的開關元件，如晶閘管、VMOS管、IGBT、多功能橋斬波器等。PWM技術具有諧波小、響應速度快的優(yōu)點。1.1.2斬波調(diào)壓技術本文所研究的系統(tǒng)運用了多功能橋來承擔斬波器的作用，對電路進行斬波調(diào)壓。斬波調(diào)壓是指在電路中加入一斬波器對隨機給的電壓進行調(diào)節(jié)。其中，斬波器分為直流斬波器（DC斬波器）與交流斬波器。DC斬波器是DC電路中的斬波轉換器。它能把輸入端的定壓直流改變?yōu)樽儔褐绷?，然后輸出。[2]該類斬波器通常連接在DC電源與負載電路之間，通過多次切換有一定規(guī)律的周期性頻率，將輸入電壓“斬斷”成一系列脈沖電壓。交流斬波器顧名思義，與直流斬波器類似，是將電路中固定電壓的交流電“斬”成一系列變化電壓的交流脈沖信號。由于直流電路中常用的續(xù)流二極管在交流電中不能采用，故交流斬波較直流斬波更為復雜，運用范圍相對有限。本文所研究的系統(tǒng)基于直流電路打造，故使用直流斬波器對電路進行斬波調(diào)壓。系統(tǒng)組成部分及結構可逆調(diào)速系統(tǒng)是指通過改變勵磁電流方向或電樞電流方向，使直流電機運行方向發(fā)生變化，從而實現(xiàn)電機自動轉向的系統(tǒng)[3]。由于電力電子元件單向?qū)щ姷奶匦?，一臺變流器只能提供單方向的電流。因此，需要有兩臺變流器分別提供正向電流與反向電流，以此來改變電流的方向。對晶閘管整流器而言，通常采用兩套整流器反并聯(lián)的方案，對采用自關斷元件的直流斬波器而言，通常采用H型橋路方案。H型電路PWM調(diào)制頻率高，電流容易連續(xù)，通常不需要晶閘管電路中的平波電抗器和限制環(huán)流電抗器，在中小功率場合應用較多。系統(tǒng)工作原理及作用系統(tǒng)原理直流PWM斬波調(diào)壓可逆系統(tǒng)原理如圖1-1所示，可以分為直流電源、直流斬波器和電動機負載三個部分[4]。其中，直流電源可以使用蓄電池或二極管整流器，電容Co用于穩(wěn)壓和緩存負載無功的作用。四個電力場效應管VT1、VT2、VT3及VT4和四個續(xù)流二極管VD1、VD2、VD3及VD4共同組成橋式斬波調(diào)壓電路。當VT1及VT4連通時，有正向電流i1通過電動機M，此時電動機正轉；當VT2及VT3連通時，有反向電流i2通過電動機M，此時電動機反轉。圖1-1：直流PWM斬波調(diào)壓可逆調(diào)速系統(tǒng)原理圖PWM可逆系統(tǒng)控制方式橋式斬波調(diào)壓電流的驅(qū)動分為三種控制方式：雙極式、單極式和受限單極式。雙極式控制的方式有如下特點：VT1、VT4和VT2、VT3成對作為PWM控制，并且VT1、VT4和VT2、VT3的驅(qū)動脈沖工作處于相互補充狀態(tài)，即VT1、VT4連通時，和VT2、VT3處于斷開狀態(tài)；VT2、VT3連通時，和VT1、VT4處于斷開狀態(tài)。VT1、VT4和VT2、VT3交替進行連通和斷開。設VT1、VT4的連通時間為Ton，斷開時間為Toff。在VT1連通時，A點的電壓為-E，則可知AB之間的電壓為：U在Ton=T時，a=1，在Ton=0時，a=-1，占空比的調(diào)節(jié)范圍為-1≤a≤1。當0＜a≤1時，Ud＞0，電動機正轉；當-1≤a≤0時，Ud＜0，電動機反轉。單極式可逆斬波控制是讓VT1、VT2工作在互反的PWM狀態(tài)起調(diào)壓作用，并以VT3、VT4控制電動機的轉向。在正轉時，VT4門極給正信號，VT4始終連通，VT3門極給負信號，VT3始終斷開；在反轉時，VT3門極給正信號，VT3始終連通，VT4門極給負信號，VT4始終斷開。這樣的設計大大減小了VT3、VT4的開關損耗，并減小了發(fā)生直通的可能。由于單極式控制正轉時VT3恒通，反轉時VT4恒通，所以單極式斬波控制的輸出平均電壓為U單極式斬波控制中，在正轉時，VT2連通的時間較少；在反轉時，VT1的連通時間較少。因此，將單極式斬波控制進行優(yōu)化，形成受限單極式斬波調(diào)壓控制。受限單極式斬波調(diào)壓控制，在正轉時使

VT2、

VT3恒斷開，在反轉時使

VT1、

VT4恒斷開，這樣對電路的運行不會產(chǎn)生很大的影響。該系統(tǒng)在正轉與反轉是，均只有一個開關管處于

PWM的模式，相對較于前述的另外兩種控制方式而言，單極式斬波控制下的開關損耗和橋臂直通的可能性大大降低，使電路更安全。系統(tǒng)經(jīng)濟、社會意義與研究現(xiàn)狀1.4.1系統(tǒng)經(jīng)濟與社會意義該系統(tǒng)基于直流電機、

PWM技術、斬波調(diào)壓技術等打造，隨著越來越快的工業(yè)化進程，帶有

PWM技術的可調(diào)壓的直流電機被越來越多的運用到日常的生產(chǎn)生活中。給直流電機運用PWM技術及斬波調(diào)壓技術，不僅簡化了電機的電路、提高了響應速度，還更加節(jié)能環(huán)保[5]。它對于直流電機主要起到調(diào)速作用?？梢詫崿F(xiàn)正、負脈寬數(shù)控，同時支持可變頻率的調(diào)速。直流電機的諸多優(yōu)點可以使企業(yè)與廠商以更低的生產(chǎn)投入獲得更高的生產(chǎn)回報。同時，更簡單的電路也使得電機的故障率更低、維修難度更低。隨著現(xiàn)代半導體技術的欣欣向榮，通過數(shù)字化改造的PWM已經(jīng)逐步取代了原有的模擬式PWM，成為業(yè)內(nèi)成熟廣泛應用的一大重要技術[6]。PWM技術雖然以電路簡單、響應快速等特點成為被運用最多的控制技術[7]，但是其也存在著一定的問題。PWM技術大多運用電壓型交-直-交變頻器，其由于功率高、效益好、精度準確等優(yōu)點，在生產(chǎn)生活中被廣泛應用，但其不可以直接被應用在快速起動制動、高頻度切換正轉反轉的調(diào)速系統(tǒng)中。1.4.2系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1964年，A·Schonung和H·Stemmler發(fā)表研究，首次把通信系統(tǒng)中的調(diào)制技術運用到電力電子行業(yè)，從而發(fā)明了正弦脈寬調(diào)制（SPWM）技術，這是最早的PWM技術之一[8]。PWM技術發(fā)展至今，其創(chuàng)新方案已有十余種，大致可以分為正弦PWM、優(yōu)化PWM及隨機PWM三大類。其中，將微處理器運用在PWM技術以后，新技術更是層出不窮，從最高效率的追求，到轉矩的脈沖波動最小，再到消除機械與電子噪音等，PWM的發(fā)展已經(jīng)愈發(fā)成熟，并擁有更廣泛的應用。利用超高速

PWM技術，美國著名的微控制器、存儲器與模擬半導體制造商Microchip公司開發(fā)了適合多種不同的電源轉換應用的新型數(shù)字信號控制器產(chǎn)品。多虧了超高速

PWM技術，這一產(chǎn)品可以超低的占空比和適合不同應用場景的數(shù)種運行模式。它的特點是超低延遲，控制精確。上海高精密工程研究有限公司所研制開發(fā)的新一代直流電機

PWM控制系統(tǒng)。采用

PWM技術實現(xiàn)無級變速功能，起動和停止時不會對直流系統(tǒng)造成沖擊，起動時功耗更小，運行更穩(wěn)定。MATLAB及Simulink軟件介紹2.1MATLAB簡介2.1.1MATLAB主要功能與特點MATLAB（

Matrix

Laboratory，矩陣實驗室）是一種解釋性高級程序設計語言，用于邊解釋邊執(zhí)行程序。它是一種基于矩陣的，用于算法開發(fā)，數(shù)據(jù)可視化，分析和計算的高級交互程序計算語言。

MATLAB可用于創(chuàng)建用戶界面和調(diào)用除了矩陣計算、圖像繪制以外的語言(包括

C、

C++、

Java、

Python、

FORTRAN等)所編寫的程序?？蓴U展性是

MATLAB的一大優(yōu)勢。它是

Simulink和所有其他

MathWorks產(chǎn)品的基礎，可以通過附加工具包加以擴展。這些工具箱都運用了開放式的

MATLAB語言撰寫，用戶可以查看其中的源代碼，還可以可根據(jù)自己的需求進行修改或者自行創(chuàng)建自定義函數(shù)。MATLAB語言簡單易懂，它只包含64位雙精度二進制這一數(shù)據(jù)類型，屬于一種標準的輸入與輸出語句，通過學習即可掌握。而MATLAB較難掌握的部分為系統(tǒng)內(nèi)附帶的多種函數(shù)，其中包含最基礎的七百多個函數(shù)，較難掌握與應用。[9]2.1.2MATLAB語言MATLAB語言是一種交互式的以數(shù)學為基礎的語言，其語法與C語言等相似。MATLAB軟件（R2019b版）的主界面如圖1-1所示。它支持的數(shù)據(jù)類型包括邏輯（boolean）、數(shù)值（numeric）、文本（text）、函數(shù)柄（functionhandle）和異素數(shù)據(jù)容器（heterogeneouscontainer）等，每一種類型都定義為矩陣或陣圖2-1：MATLAB（R2019b版）主界面圖圖2-1：MATLAB（R2019b版）主界面圖在

MATLAB程序的命令窗口(CommandWindow)的提示符（>>

）中輸入代碼，

MATLAB就會立刻生成相應的結果。這時，

MATLAB可以被視為一臺交互數(shù)學計算機。同時，

MATLAB可以保存在計算機內(nèi)，其保存的文件為一個用戶自行命名并包含“.

M”后綴的文本。這個文件可以直接在MATLAB的運行窗口中調(diào)出。Simulink簡介2.2.1Simulink主要功能與特點Simulink于1997年首次以掛接在MATLAB上的形式出現(xiàn)。Simulink為單詞simulation和link的縮寫，意為仿真鏈接。它是一款基于框圖以呈現(xiàn)系統(tǒng)的仿真平臺，其基于MATLAB強大的計算能力為核心，以清晰明了的可視化框圖呈現(xiàn)，帶來直觀清晰的圖2-2：Simulink主界面圖仿真與計算功能。Simulink軟件（R2019b版）的主界面如圖1-2所示。[10]圖2-2：Simulink主界面圖從4.1版開始，

Simulink首次加入了電力系統(tǒng)模塊(PowerSystemBlockset)，用戶可以用該模塊構建和仿真

RLC電路、電力電子電路、電機控制系統(tǒng)和電力系統(tǒng)。從該系統(tǒng)模塊中，用戶可以掌握使用MATLAB/Simulink完成各類系統(tǒng)仿真模型的方法與技巧，以及電路和系統(tǒng)的原理和性能。Simulink作為可視化框圖仿真平臺，其特點有：（1）不同用其他程序須編寫代碼，Simulink以框圖來代表系統(tǒng)的輸入、輸出等模塊；（2）用鼠標拖拽以實現(xiàn)模塊的擺放及電路的連接，使得系統(tǒng)建立的過程簡單、高效且可視；（3）對于出錯的部分，系統(tǒng)會進行相應的報錯提示，并給出改進建議；（4）與實驗室的觀察方法高度類似，Simulink也以示波器運行所得到的波形或曲線來觀察系統(tǒng)的運行狀態(tài)與結果；（5）系統(tǒng)仿真后所得的相關數(shù)據(jù)，經(jīng)過保存后可以使用其他軟件進行處理，兼容性高。本文基于MATLABR2019b/Simulink版本的環(huán)境下進行，亦可兼容其他MATLAB版本。2.2.2Simulink環(huán)境在Simulink中，用戶可以直接使用鼠標拖拽并連接相應的組織與電路，從而形成完整的系統(tǒng)，進行相關仿真實驗。其最大特點就是特色化的可視化界面及可視化操作，這也使其不同于需要輸入一行行代碼的早期的MATLAB1，Simulink的操作對于新手而言十分易于上手。該系統(tǒng)環(huán)境由

Simulink仿真平臺和

SimulinkLibraryBrowser系統(tǒng)仿真模型庫組成。Simulink仿真平臺即為日常進行框圖拖拽、連接及運行的可視化界面，SimulinkLibraryBrower則為框圖模型的數(shù)據(jù)庫，從中可以通過具體的分組及分類查找相應的框圖模塊,其中包含大量的元件框圖供用戶選用[11]。SimulinkLibraryBrower的主界面如圖1-3所示。圖2-3：SimulinkLibraryBrowser主界面圖圖2-3：SimulinkLibraryBrowser主界面圖2.2.3Simulink基本操作使用Simulink對系統(tǒng)進行仿真，首先需要在SimulinkLibraryBrowser中提取相應的模塊，并拖動至Simulink仿真平臺。對于已經(jīng)放置在Simulink平臺上的模塊，可以對其進行復制或剪切，此外，每個模塊還可以跨文件復制或剪切。為了最終的電路圖比例合適、連接美觀，可以對各個模塊的大小、形狀進行調(diào)整，還可以對每個模塊進行翻轉、鏡像等操作。為了電路圖的直觀，還可以對每個模塊的名稱進行修改、移動和隱藏。每個模塊在出廠時帶有相對應的默認的名稱。每個模塊有相對應的接線口，可以按照正確的信號流向?qū)γ總€模塊進行連接，從而形成完整的閉合回路。信號線還可以彎折、移動、外接分支、跨線等。雙擊對應的模塊，可以對其類型、參數(shù)等屬性進行設置，在仿真參數(shù)的設置菜單還可以對仿真系統(tǒng)的仿真參數(shù)進行設置。2.2.4Simulink仿真得益于

Simulink仿真平臺和強大的

LibraryBrowser系統(tǒng)仿真模型庫，可以實現(xiàn)

Simulink的仿真功能。通過Simulink仿真平臺進行仿真的基本操作步驟如下：首先，通過MATLAB，打開Simulink仿真平臺，進入平臺界面。第二，點擊SimulinkLibraryBrowser按鈕，打開系統(tǒng)仿真資料庫。第三，查找需要的模塊框圖，用鼠標拖拽至Simulink仿真界面中的相應位置。第四，使用鼠標將各個模塊按需求用線連接。第五，雙擊各模塊框圖，設置每個元件的不同參數(shù)，然后設置仿真參數(shù)，并保存。第六，點擊運行按鈕，嘗試運行。第七，如運行順利，則可雙擊相應的示波器查看波形；如運行報錯，則按照錯誤提示或建議修改電路并再次運行，直到無誤。最后，根據(jù)輸出的波形，分析系統(tǒng)，得出改進方法，改進后再次重復上述步驟直至系統(tǒng)完美，完成仿真。[12]2.2.5Simulink算法模擬過程中，需要選擇合適的模擬算法。模擬算法是指，用數(shù)值方法求解常微分方程、傳遞函數(shù)和狀態(tài)方程的解，這些方法包括歐拉法、埃達姆斯法和隆格庫塔法，它們都以泰勒級數(shù)為基礎。在這些方法中，歐拉法是一種基本的數(shù)值計算方法，它用矩形面積近似積分計算，比較簡單，但是精度不高，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛應用[13]。Edams法由歐拉演化而來，最大的區(qū)別是將矩形轉換成梯形來計算面積，但在計算開始時，需要用其他算法計算開始的幾步。該方法不直接采用泰勒級數(shù)展開法，而是在一個積分區(qū)間內(nèi)多預報幾個點的斜率，通過加權平均，提高了計算精度。Simulink擁有多種求常微分方程數(shù)值解的方法，大致分為兩類：可變步長類算法和固定步長類算法[14]。可變步長類算法在運算時可以自動調(diào)整步長，并通過減小步長來提升計算的精確度，其中包括：ode45（Dormand-Prince），基于顯式Rung-Kutta（4，5）和Dormand-Prince組合的算法，屬于一步解法。只要知道前一時間點的解，就可以計算出當前時間點的解，對于大多數(shù)仿真模型來說，使用ode45是最佳的選擇，因此ode45為Simulink的默認算法；ode23（Bogacki-Shampine），基于顯式Rung-Kutta（2，3）、Bogacki和Shampine的算法，也屬于一種一步算法。在容許誤差和計算略帶剛需的問題方面，較ode45而言更加優(yōu)秀；ode113（Adams），基于Adams-Bashforth-MoultonPECE的可變階數(shù)算法，屬于一種多步算法。誤差要求嚴格時，較ode45而言更為優(yōu)秀；ode15s（stiff/NDF），基于NumericalDifferentiationFormulas的可變階數(shù)算法，屬于一種多步算法，遇到剛性問題或ode45算法無法使用時，可以嘗試此算法；ode23s（stiff、Mod.Rosenbrock），是一種改進的、基于Rosenbrock的二階算法。在容許誤差較大時，其比ode15s而言更加有效；ode23t（mod.stiff、Trapezoidal），是一種采用自由內(nèi)插方法的梯形算法，適用于有一定剛性、要求解沒有數(shù)值衰減的情況；ode23tb（stiff、TR-BDF2），基于TR-BDF2算法，在容差較大時，ode23tb和ode23t都比ode15s算法更加優(yōu)秀；discrete（Nocontinuousstates），是處理離散系統(tǒng)的算法。[15]同理可知，固定步長類算法在運算時的步長是固定不變的，其中包括：ode5（Dormand-Prince）、ode4（Rung-Kutta）、ode3（Bogacki-Shampine）、ode2（Heun）、ode1（Euler）及discrete（Nocontinuousstates）。2.2.6Simulink示波器在Simulink仿真中，運行仿真時需要顯示和記錄整個仿真過程的數(shù)據(jù)及結果，并以一種簡潔明了的方式加以呈現(xiàn)。示波器（Scope）是其中最為頻繁被應用的。它的作用是在模擬過程中顯示和保存相應的波形。圖1-4顯示了

Simulink中示波器模塊(Scope)的圖標。在使用示波器前，需要將其從SimulinkLibraryBrower中拖拽至指定位置，并于其他元件相連，示波器一般處于整個系統(tǒng)的末端。連接完成示波器后，雙擊其模塊圖標，可以對其相關參數(shù)進行設置。其中，可以調(diào)整示波器的Y軸數(shù)量、時間范圍、標簽貼放位置、數(shù)據(jù)采樣方式等數(shù)據(jù)。在設置結束后，運行系統(tǒng)，雙擊示波器，即可查看并保存相應的波形。2.2.7Simulink子系統(tǒng)模塊在Simulink仿真中，如果系統(tǒng)里有十分復雜的模塊及電路組成，會使得整個界面變得凌亂且擁擠，影響系統(tǒng)的直觀性。所以，Simulink提供子系統(tǒng)模塊的打包功能，通過建立子系統(tǒng)模塊，將局部的電路打包，用一個模塊圖標來表示，使得系統(tǒng)整體更佳簡潔、直觀。子系統(tǒng)模塊在Simulink中的圖標如圖1-5所示。首先，選中所有需要完成打包的電路元件及連線，然后，在上方Edit按鈕中點選Createsubsystem選項，并命名模塊，從而將選中的電路打包成為一個子系統(tǒng)。打包完成后，可以通過雙擊模塊圖標，進入子系統(tǒng)電路，對各個模塊和電路進行調(diào)整，調(diào)整過后的電路和參數(shù)會在返回上一級后自動保存。圖2-5：子系統(tǒng)模塊在Simulink中的圖標圖2-4：示波器圖2-5：子系統(tǒng)模塊在Simulink中的圖標圖2-4：示波器模塊在Simulink中的圖標子系統(tǒng)還允許進行嵌套，即一個子系統(tǒng)內(nèi)還可以打包一個二級子系統(tǒng)，從而因?qū)Ω訌碗s的電路系統(tǒng)。打包完成的子系統(tǒng)模塊還可以進行剪切和復制。在完成子系統(tǒng)內(nèi)的參數(shù)及電路調(diào)整后，還可以通過操作對子系統(tǒng)進行封裝。3直流PWM斬波調(diào)壓的可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真3.1直流電機直接起動仿真使用MATLAB/Simulink搭建直流電機直接起動仿真模型，如圖3-1所示，該仿真模型由直流電動機DCmotor、直流電源DC、Step模塊、Demux模塊、放大器Gain及示波器Scope組成。3.1.1仿真模型的連接在仿真模型中，

DC電機

DCmotor電樞端(A+和

A-)與勵磁端(F+和

F-)并聯(lián)后連接到直流電源

DC供電，并利用

Step模塊向電機

TL端提供負載力矩。DC電機

motor的

m端與

Demux模塊相連，通過示波器

Scope呈現(xiàn)出

m端輸出的信號。在這些參數(shù)中，加一個放大器

Gain可以把速度單位從

rad/s轉換為

r/min

（變換系數(shù)=k=6023.1.2仿真模型的參數(shù)計算電動機的相關參數(shù)：勵磁電阻Rf=UfIf=220勵磁電感Lf=0，電樞電阻Ra=0.087π電樞電感La=19.1CU電樞繞組和勵磁繞組互感Laf=K額定負載轉矩TL=9.55CeIN=60.1N·m圖3-1：直流電機直接起動仿真圖3.1.3仿真過程首先，給各模塊設置相對應的參數(shù)。打開電源DC與電動機DCmotor，輸入上述計算參數(shù)。將Step模塊steptime設為0.5，Initialvalue設為0，F(xiàn)inalvalue設為60.1，使電動機空載起動，并在0.5s時加載為60.1N·m。然后，在Simulationparameters界面設置仿真參數(shù)。仿真時間為1s，仿真算法選擇ode45。最后，點擊啟動按鈕開始仿真，雙擊相應的示波器，可得到仿真波形圖。其中，示波器TL表示電動機的負載轉矩、示波器speed表示電動機的轉速、示波器ia表示電動機的電樞電流、示波器if表示電動機的勵磁電流、示波器Te表示電動機的電磁轉矩。3.2雙極式斬波調(diào)壓PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真使用MATLAB/Simulink搭建雙極式斬波調(diào)壓PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)，如圖3-3，該仿真模型由直流電動機DCM、直流電源E1、兩個Step模塊、兩個多功能橋UniversalBridge模塊、Three-PhaseSource模塊、DC-PWM1子模塊、電容Co、Demux模塊、放大器Gain及示波器Scope等部分組成。關于電動機部分，該系統(tǒng)使用了一個直流電動機，并在其兩端串聯(lián)一恒定直流電源為其供電。關于斬波器部分，該系統(tǒng)使用Diodes型多功能橋模塊作為電路的二極管整流器，使用Diodes/MOSFET型多功能橋模塊作為電路的斬波器。同時連接一個三相電源為其供電。關于斬波器的控制電路部分，該系統(tǒng)使用一子模塊DC-PWM1，并將其連接一個階躍函數(shù)模塊，為其轉換輸出值，使其能夠精準控制電動機的正反轉。其中，子模塊DC-PWM1的內(nèi)部電路如圖3-2所示，該模塊由兩個PWM驅(qū)動信號發(fā)生器PWMGenerator模塊、選擇器Selector模塊、Mux模塊、Sum模塊、設定值Constant模塊、In1輸入端、Out1輸出端等部分組成。該系統(tǒng)還使用了電壓測量VoltageMeasurement模塊用以測量及顯示斬波器的輸出局部電壓。除此之外，該系統(tǒng)還使用了數(shù)個示波器用以顯示電動機的轉速響應、電動機的電樞電流、電動機的勵磁電流、電動機的電磁轉矩、斬波器的輸出電壓等。圖3-2：子模塊DC-PWM1仿真圖圖3-2：子模塊DC-PWM1仿真圖3.2.1仿真模型的連接將兩個PWM驅(qū)動信號發(fā)生器PWMGenerator模塊分別連接至Mux模塊，在上方的PWMGenerator前端連接In1輸入端，并在下方的PWMGenerator模塊前連接Sum模塊及設定值Constant模塊。然后，在Mux模塊后分別連接選擇器Selector模塊及Out1輸出端。最后，將電路封裝，成為子電路DC-PWM1模塊。在子電路DC-PWM1模塊前端連接Step1模塊，使其可以自動切換兩個常數(shù)，實現(xiàn)控制電機的正反轉。將DC-PWM1模塊前端連接Step1模塊、后端連接至多功能橋UniversalBridge1模塊的g端口，UniversalBridge1模塊在電路中作斬波器的作用，DC-PWM1則為其控制電路。將Three-PhaseSource模塊的A、B、C端口分別與圖3-3圖3-3：雙極控制PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真圖多功能橋UniversalBridge模塊的A、B、C端口連接，其中多功能橋UniversalBridge模塊在電路中的作用為二極管整流器。然后，將多功能橋UniversalBridge模塊的正負極分別與多功能橋UniversalBridge1模塊的正負極連接，并在兩個多功能橋模塊之間并聯(lián)電容Co模塊。將多功能橋UniversalBridge1模塊的A端口與直流電動機DCM的A+端口連接，并將多功能橋UniversalBridge1模塊的A端口及B端口并聯(lián)至電壓測量VoltageMeasurement模塊，輸出至示波器ud，并在B端口與電壓測量VoltageMeasurement模塊之間取一支線連接至直流電動機DCM的A-端口。然后，在電壓測量VoltageMeasurement模塊與示波器ud之間取一支線連接至MeanValue模塊，并輸出至示波器Ud。在直流電動機DCM的兩個端口F+及F-之間連接一直流電源E1。在TL端口前連接一Step模塊，將m端口連接至Demux模塊。Demux將直流電動機m端口的輸入信號分為四路信號以便顯示，分別連接至示波器n、示波器ia、示波器if及示波器Te，在示波器n與Demux模塊之間加入放大器Gain將轉速單位由rad/s轉為r/min（變換系數(shù)=k=602π3.2.2仿真模型的參數(shù)計算電動機的相關參數(shù)：勵磁電阻Rf=UfIf=110勵磁電感Lf=0，電樞電阻Ra=3.4π電樞繞組和勵磁繞組互感Laf=K額定負載轉矩TL=9.55CeIN=1.15N·mPWM變流器的直流電源電壓U二極管整流器交流測三相線電壓UAc=3.2.3仿真過程首先，給子電路DC-PWM1各模塊設置相對應的參數(shù)。將設定值Constant模塊的ConstantValue設為0.001。將兩個PWMGenerator模塊的Generatortype設為Single-phasehalf-bridge（2pulses）、Frequency設為1080、Initialphase設為90、MinimumandMaximumvalues設為[-11]、Sampletime設為0。然后，給主電路各模塊設置相對應的參數(shù)。打開電源DC與電動機DCmotor，輸入上述計算參數(shù)。將Step1模塊Steptime設為2.5、Initialvalue設為0.8、Finalvalue設為-0.8，Sampletime設為0。將Step模塊Steptime設為0、Initialvalue設為1.15、Finalvalue設為1.15，Sampletime設為0。將Three-PhaseSource模塊的Phase-to-phasevoltage設為110、PhaseangleofA設為0、Frequency設為50、Sourceresistance設為0.001、Sourceinductance設為0、Basevoltage設為25e3。將多功能橋UniversalBridge模塊Numberofbridgearms設為3、SnubberresistanceRs設為1e3、Snubbercapacitance設為inf、PowerElectronicdevice設為Diodes、Ron設為1e-3、Forwardvoltage設為0。將多功能橋UniversalBridge1模塊Numberofbridgearms設為2、SnubberresistanceRs設為1e5、SnubbercapacitanceCs設為inf、PowerElectronicdevice設為MOSFET/Diodes、Ron設為1e-3。將MeanValue模塊Fundamentalfrequency設為60、Initialinput設為0、Sampletime設為0。將電容Co模塊Branchtype設為C、Capacitance設為5。將Clock模塊Decimation設為10。然后，在Simulationparameters界面設置仿真參數(shù)。仿真時間為5s，仿真算法選擇ode45（也可以使用其他算法）。最后，點擊啟動按鈕開始仿真，雙擊相應的示波器，可得到仿真波形圖。其中，示波器n表示電動機的轉速響應、示波器ia表示電動機的電樞電流、示波器if表示電動機的勵磁電流、示波器Te表示電動機的電磁轉矩、示波器ud表示輸出電壓、示波器ud1表示輸出局部電壓。3.3受限單極式斬波調(diào)壓PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真使用MATLAB/Simulink搭建受限單極式斬波調(diào)壓PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)，如圖3-5所示，該仿真模型與3.2中的系統(tǒng)仿真模型相似，同樣由直流電動機DCM、直流電源E1、兩個Step模塊、兩個多功能橋UniversalBridge模塊、Three-PhaseSource模塊、DC-PWM2子模塊、電容Co、Demux模塊、放大器Gain及示波器Scope等部分組成。關于電動機部分，該系統(tǒng)使用了一個直流電動機，并在其兩端串聯(lián)一恒定直流電源為其供電。關于斬波器部分，該系統(tǒng)使用Diodes型多功能橋模塊作為電路的二極管整流器，使用Diodes/MOSFET型多功能橋模塊作為電路的斬波器。同時連接一個三相電源為其供電。關于斬波器的控制電路部分，該系統(tǒng)使用一子模塊DC-PWM2，并將其連接一個階躍函數(shù)模塊，為其轉換輸出值，使其能夠精準控制電動機的正反轉。圖3-4：圖3-4：子模塊DC-PWM2仿真圖該系統(tǒng)還使用了電壓測量VoltageMeasurement模塊用以測量及顯示斬波器的輸出局部電壓。除此之外，該系統(tǒng)還使用了數(shù)個示波器用以顯示電動機的轉速響應、電動機的電樞電流、電動機的勵磁電流、電動機的電磁轉矩、斬波器的輸出電壓等。3.3.1仿真模型的連接將PWM驅(qū)動信號發(fā)生器PWMGenerator模塊前端與In1模塊連接，后端接入一Mux模塊，并分為兩路輸出，分別連接至Product1及Product2模塊。將比較器Compare1和Compare2模塊分別與Data1和Data2模塊串聯(lián)，然后將兩條電路并聯(lián)。電路前端連接In2模塊，后端并聯(lián)分別接入Product1、Product2及Mux模塊的第四個端口。將Product1與Product2模塊分別接入Mux模塊的第一個與第二個端口。將Data2與Product2連接的電路接出一條支流，連接Mux模塊的第三個端口。然后，將Mux模塊的輸出端與Out1模塊連接。最后，將電路封裝，成為子電路DC-PWM2模塊。將子電路DC-PWM2模塊前端的兩個接口并聯(lián)至Step1模塊，使其可以自動切換兩個常數(shù)，實現(xiàn)控制電機的正反轉。將DC-PWM2模塊前端的兩個接口分別連接Step1模塊、后端連接至多功能橋UniversalBridge1模塊的g端口，UniversalBridge1模塊在電路中作斬波器的作用，DC-PWM2則為其控制電路。電路其他部分的連接與3.1.1中相似。3.3.2仿真模型的參數(shù)直流電源E1及直流電動機DCM的各參數(shù)計算與3.1.2中相同。3.3.3仿真過程首先，給子電路DC-PWM2各模塊設置相對應的參數(shù)。將PWMGenerator模塊的GeneratorMode設為1-armbridge（2pulses）、CarrierFrequency設為1080。將Compare1模塊的Operator設為“＞”、Compare2模塊的Operator設為“＜＝”。將兩個Product的Numberofinputs設為2。其他部分的參數(shù)與3.1.1中相似。圖3-5圖3-5：受限單極式斬波調(diào)壓PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真圖然后，在Simulationparameters界面設置仿真參數(shù)。仿真時間為5s，仿真算法選擇ode45（也可以使用其他算法）。最后，點擊啟動按鈕開始仿真，雙擊相應的示波器，可得到仿真波形圖。其中，示波器n表示電動機的轉速響應、示波器ia表示電動機的電樞電流、示波器if表示電動機的勵磁電流、示波器Te表示電動機的電磁轉矩、示波器ud表示輸出電壓、示波器ud1表示輸出局部電壓。

4系統(tǒng)仿真結果與分析4.1直流電機直接起動仿真結果分析對搭建的直流電機直接起動仿真模型點選運行，運行后得到電動機的波形圖如如圖4-1所示，從上至下依次為給定的負載轉矩TL、電動機轉速n、電動機電樞電流ia、電動機勵磁電流if和電動機電磁轉矩Te。圖圖4-1：直流電動機直接起動波形圖由圖可知，雖然電動機在0-0.5s時為空載起步，但其起動電流較大，接近2500A。當轉速由0升至3100r/min時，電樞電流減小至0。在0.5s時，電機加載，電機轉速稍有下降，電樞電流升至88A，電磁轉矩升至60N·m。當電磁轉矩與負載轉矩平衡時，轉速穩(wěn)定在3000r/min。由于電磁轉矩與電樞電流成正比，故圖中電磁轉矩與電樞電流的波形相似，而單位及數(shù)據(jù)大小不同。4.2雙極式斬波調(diào)壓PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真結果分析對搭建的雙極式斬波調(diào)壓PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真模型進行運行，得到各波形圖。如圖4-2至圖4-5所示，從上至下依次為斬波器輸出電壓、電動機轉速響應、電動機電樞電流。圖4-2：斬波器輸出電壓波形圖圖4-2：斬波器輸出電壓波形圖圖4-3圖4-3：斬波器輸出電壓局部波形圖圖4-4圖4-4：電動機電樞電流波形圖如圖4-3所示，為斬波器圖4-5：電動機轉速響應波形圖圖4-5：電動機轉速響應波形圖如圖4-4與圖4-5所示，分別為直流電動機的轉速相應和電樞電流波形圖。在2.5s時隨轉速給定改變方向，電動機轉速從“+”向“-”變化，電流方向也隨之改變。由于電動機從正轉到反轉中的反接制動作用，使用反向電流的峰值-60A大于電動機正向起動電流+30A.改變轉速給定值，電動機轉速和電流根據(jù)轉速值所改變。4.3受限單極式斬波調(diào)壓PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真結果分析對搭建的受限單極式斬波調(diào)壓PWM可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真模型進行運行，得到各波形圖，從上至下依次為子電路（斬波器驅(qū)動電路）四路脈沖信號、斬波圖4-6：斬波器驅(qū)動電路（四路）脈沖波形圖圖4-6：斬波器驅(qū)動電路（四路）脈沖波形圖如圖4-6所示，為受限單極式斬波器控制電路（子電路DC-PWM2）中四個管子（Pulse1-Pulse4）的驅(qū)動脈沖。在2.5s前，電動機正轉，Pulse1有PWM調(diào)制脈沖信號，Pulse4有“1”的信號，始終連通，Pulse2和Pulse3驅(qū)動信號為“0”，都處于斷開狀態(tài)；在2.5s后，電動機反轉，Pulse2有PWM調(diào)制脈沖信號，Pulse3有“1”的信號，始終連通，Pulse1和Pulse4驅(qū)動信號為“0”，都處于斷開狀態(tài)。因此，任何時間都只有一個管子處于PWM調(diào)制狀態(tài)，以此來減少斬波器的開關損耗。同時，四路橋臂的四只