。
因此，
在一个周期内具有正负相间的脉冲波形，这是双极式名称的由来。
2.2双极式PWM调速系统的优缺点
1）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，能消除静磨擦死区；
（4）低速平稳性好，系统的调速范围大；
（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。
2）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。
2.3转速、电流双闭环系统原理
2.3.1双闭环调速系统结构图
转速、电流双闭环直流调速系统的结构图如图2-2所示。
图2-2转速、电流双闭环直流调速系统的结构图
图中，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，在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，称作电流内环；速度换在外边，称作转速外环。
这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
2.3.2双闭环调速系统稳态结构图
双闭环调速系统稳态结构图如图2-3所示。
图2-3双闭环调速系统稳态结构图
分析静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征，一般使存在两种状况：
饱和—输出达到限幅值，不饱和—输出未到达限幅值。
当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出的关系，相当于使该调节环开环。
当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压
在稳态时总为零。
实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。
因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和的两种情况。
2.3.3双闭环调速系统动态结构图
系统动态结构图如图2-4所示。
图2-4系统动态结构图
图中
和
分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数，为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电流
显露出来。
电机的启动过程中转速调节器经历了饱和、退饱和、不饱和三种状态。
2.4双闭环调速系统的作用
1.转速调节器的作用
转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速很快地跟随给定电压变化,如果采用PI调节器，则可实现无静差。
对负载变化起抗扰作用。
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
在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出；量的变化。
对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流。
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，系统立即自动恢复正常。
3.系统参数的确定
3.1整流电路失控时间及滤波时间的确定
3.1.1整流电路平均失控时间常数
失控时间是随机的，它的大小随电源电压发生变化的时刻而变化。
相对于整个系统的响应时间来说，一般情况下取统计平均值，认为是常数。
对于双极式PWM直流调速系统，其IGBT的开关频率一般在1K赫兹以上，在此取
（1）
3.1.2电流滤波时间常数和转速滤波时间常数
双极式PWM电路每个波头的时间为
（2）
为了基本滤平波头，应该选择
，
（3）
根据所用测速发电机的纹波情况，取
（4）
3.2反馈系数的确定
转速反馈系数
（5）
电流反馈系数
（6）
3.3电流调节器参数的确定
3.3.1电流环小时间常数的计算
按小时间常数近似处理，
取
（7）
3.3.2电流调节器结构选择
根据设计要求
，并保证稳态电流无静差，可以按典型I型系统设计电流调节器。
电流环控制对象是双惯性的，因此可以用PI调节器，其传递函数如下：
（8）
检查对电源电压的抗扰性能：
各项指标可以接受
3.3.3计算电流调节器的参数
电流调节器超前时间常数：
（9）
电源开环增益：
取
=0.5，因此
（10）
于是，ACR的比例系数为
（11）
3.3.4校验近似条件
电流环截止频率：
（12）
1.校验晶闸管整流装置传递函数近似条件
满足近似条件
2.校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件
满足近似条件
3.校验电流环小时间常数近似处理条件
满足近似条件
3.3.5计算调节器电阻和电容
电流调节器原理图如图3-1所示，按所用运算放大器取
，各电阻和电容值计算如下：
取69
（13）
=2.16
取0.216uF（14）
取0.1uF（15）
按照上述参数，电流环可达到的动态跟随性能指标为：
=4.3%
5%满足设计要求
图3-1含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器
3.4转速调节器参数的确定
3.4.1确定时间常数
电流环等效时间常数
，按小时间常数近似处理，转速环小时间常数
3.4.2转速调节器结构选择
为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中。
选择扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速开环调节器应共有两个积分环节，所以应该设计成典II型系统，这样的系统同时也能满足动态性能好的要求。
由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为：
（16）
电动机的电动势系数为:
（17）
3.4.3计算转速节器的参数
按跟随和抗扰性能都比较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为：
（18）
转速开环增益为：
（19）
ASR的比例系数为:
（20）
3.4.4检验近似条件
转速环截止频率:
（21）
1.电流环传递函数简化条件
满足简化条件
2.转速环小时间常数近似处理条件
满足近似条件
3.4.5计算调节器电阻和电容
转速调节器的原理图如图3-2所示，取
，则
取960
（22）
=
取0.5
（23）
取0.5
（24）
3.4.6核定转速超调量
（25）
当h=5时，
=81.2%，
，代入上式得
满足设计要求
图3-2含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器
4.MATLAB仿真设计
4.1空载至额定转速仿真验证
根据上面计算的参数数据，使用Matlab的Simulink进行仿真验证，进行双闭环模型搭建。
搭建好的双闭环模型如图4-1所示，转速环给定10V，负载设定为0A,即空载启动。
仿真时间设为4s，用示波器观察电流及转速波形如图4-2所示：
图4-1双闭环调速系统仿真框图
其中，限幅值的计算为：
=
13.08
图4-2空载启动至额定转速仿真结果
4.2 稳定运行时磁场突然减半仿真分析
由模型中
，磁场突然减半，只需将模型中的1/
与2相乘即可，仿真使用乘法器完成这个过程，3s前阶跃信号为1，3s时突变为2。
仿真模型如图4-3示。
仿真时间设为4s，同时增加示波器观察直流电压
ASR,ACR输出电压的波形。
图4-3稳定运行时磁场突然减半仿真模型
仿真结果如图4-4，4-5，4-6，4-7所示。
从图中看出当励磁突然减半时，转速变为原来的2倍，通过转速反馈与给定相减使ASR减到0，电流给定也减到0，电机减速。
减速到200r/min以下后，ASR达到饱和，电流给定为最大值1.5Inom，由于Id正比于n，则转速下降到一定值后保持不变。
图4-4稳定运行时磁场突然减半转速、电流波形
图4-5稳定运行时磁场突然减半ASR输出电压波形
图4-6稳定运行时磁场突然减半ACR输出电压波形
图4-7稳定运行时磁场突然减半Ud输出电压波形
实际情况中电机存在机械惯性，转速不可能突变，直流电机提供的最大转矩小于负载转矩，所以转速会直接减小。
经验证，当励磁发生变化时，满足最大输出转矩大于负载转矩，直流电机在双闭环的调解下能稳定运行。
5.小结
本次课程设计历时1.5周，在整个设计过程中，我不仅巩固了以前所学到的知识，更学到了许多课外的知识。
通过这次的课程设计，我也发现了很多平时学习中的不足，可谓是收获颇多。
通过这次课设，我不仅在知识上有了进一步的巩固和提高，在求学和研究的心态上也有不小的进步。
我想无论是在学习还是在生活上只有自己有心去学习和参与才可能有收获，同时我也深深感受到理论与实践相结合的重要性。
以前一直觉得理论知识离我们很远，经过课程设计，才发现理论知识与生活的联系。
这大大激发我学习书本的兴趣。
再者我们学习的是工科，不单纯只是理论方面的工作，还应该考虑到实际情况。
理论计算的的结果可能与实际稍有差别，要以实际情况为准。
作为一名自动化的学生，我们的梦想是成为一名工程师，所以我觉得能做类似的课程设计是十分有意义，而且是十分必要的。
在成为一名合格的工程师之前我们必须经历硬件的制作、软件的调试、系统的设计这三个步骤。
课程设计中我既巩固了课堂上学到的理论知识，又掌握了Matlab在自动化应用中的基本使用方法。
总之，在设计过程中，我不仅学到了以前从未接触过的新知识，而且学会了独立的去发现，面对，分析，解决新问题的能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己的能力，使我受益匪浅。
6.参考文献
[1]院毅陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社,2009
[2]邹伯敏自动控制理论.北京:
清华大学出版社,2009
[3]徐月华汪仁煌.Matlab在直流调速设计中的应用.广东工业大学，2001
[4]马葆庆孙庆光.直流电动机的动态数学模型.电工技术，1997
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