基于H型主电路的直流PWM-M可逆调速系统设计

1、摘 要当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。微机技术的快速发展，在控制领域得到广泛应用。本文对基于微机控制的双闭环可逆直流PWM调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了双闭环直流PWM调速系统的数学模型，用微机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法，研究工

2、作在对控制对象全面回顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。在硬件方面充分利用微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，实现对转速、电流双闭环调速系统的控制。论文分析了系统工作原理和提高调速性能的方法，研究了IGBT模块应用中驱动、吸收、保护控制等关键技术.在微机控制方面，讨论了数字触发、数字测速、数字PWM调制器、双极式H型PWM变换电路、转速与电流控制器的原理,并给出了软、硬件实现方案。 关键词：直流可逆调速，数字触发，PWM,数字控制器 AbstractToday,autocontrol syst

3、ems have been widely used and deleloped in every Walk of life,while DC speed regulation as the artery in the area of electric drive systems acts the main effect in modernization production.DC speed regulation is mainly made up of control unite,power unite and DC motor.For a long time,DC motor has po

4、ssessed the main role in the area of electric drive field because of its neatly adjust,easy method and smooth timing in wide rage,also,its control performance is very good. With the rapid development of microcomputer,it is widely used in the control field.This paper reserches reversible DC-PWM timin

5、g system with a dual-converter and dual-closed-loop.Beginning with the theory of the DC timing system,this article has build up the maths model of the reversible DC-PWM timing system with a dual-converter and dual-closed-loop，discussing a new control method that combines microcomputer with DC-drive.

6、Based on the overall review of control object,the emphasis is put on the part of control system,which includes the discussion of hardware and software,control policy and algorithm,etc.In the hardware,it fully utilizes the advantage of microcomputer that are abundant interface and fast speed so as to

7、 realize the control of the system. This paper analyzes the working principles of the system and some key technical issues of the application based on the IGBT apparatus,which include drive circuit,snubber circuit,protection and controlling the quantity of heat,and so on.In the aspect of microcomput

8、er control,it has discussed the principle of number touch off、number velocity testing、current/velocity controller、number PWM modulator and presents the hardware/software scheme to achieve it.Keywords:reversible DC timing system,number touch off, Pulse-Width Modulation,number controller目录摘 要1Abstract

9、21 引言61.1问题的提出61.2 PWM控制的现状和分类71.3 微机控制电机的发展和现状71.4 电机微机控制系统的特点81.5本课题在实际应用方面的意义和价值92 微机控制双闭环可逆直流PWM调速系统原理设计102.1 系统框图102.2转速、电流双闭环调速系统及其静特性112.2.1 问题的提出112.2.2转速、电流双闭环调速系统的组成122.2.3稳态结构图和静特性122.2.4各变量的稳态工作点和稳态参数计算142.3双闭环脉宽调速系统的动态性能152.3.1动态数学模型152.3.2起动过程分析152.3.3 动态性能和两个调节器的作用172.4电流调节器和转速调节器的设计1

10、92.4.1电流调节器的设计192.4.2 转速调节器的设计203 可逆PWM变换器223.1可逆PWM变换器工作原理223.2 PWM控制电路243.2.1 脉宽调速系统的开环机械特性253.2.2 脉宽调制器和PWM变换器的传递函数263.3本章小结264 系统的仿真284.1 Matlab/Simulink简介284.2 Simulink的启动与界面说明284.2.1 启动Simulink284.2.2 Simulink的菜单294.2.3 Simulink的功能模块组294.3 Simulink的仿真过程294.3.1 创建结构图文件294.3.2 结构图程序设计294.3.3 Sim

11、ulink仿真的启动与停止304.4 建立仿真模型305 H桥PWM直流可逆调速系统的仿真分析及结果325.1 H桥PWM开环调速系统仿真结果325.2 H桥PWM双闭环调速系统的仿真结果345.3 本章小结356 总结36参考文献37附录A:外文翻译39附录B：中文翻译421 引言1.1问题的提出为什么我们要研究一种由计算机系统控制的PWM直流控制系统？要回答这个问题，首先我们应该系统的论述一下电动机转速控制系统的发展历程及现状。 电动机按电源供应方式来分，可以分为两大类，即直流电动机和交流电动机。两类电动机在调速方面存在着很大差异。直流电动机具有良好的起、制动性，适宜在大范围内平滑调速，在

12、许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域得到了广泛应用。即便如此，直流电动机也存在着固有的很多缺点，制约了其应用由于直流电动机使用直流电源，它的碳刷和滑环都要经常更换，这样的拆换工作是费时费力费财的，无疑会加重使用者的负担。因此，人们希望简单可靠低廉的交流电动机也能像直流电动机那样调速。定子调速、变极调速、滑差调速和转子串电阻调速和串极调速等调速方法应运而生，同时，由于技术的成熟，滑差电动机、绕线式电动机、同步式交流电机等随即出现，带来了电机史上的一次飞跃。但是，这些电动机的调速性能仍然不能与直流电动机相比。直到20世纪80年代，变频调速的出现才解决了直流电机调速性能好却费时费力的缺点。那么又是

13、什么促成了变频调速的产生呢？ 电力电子技术、微电子技术和信息技术的产生与发展，直接推动了变频调速系统的产生。由于变频调速具有其他调速方式所不具有的几大特点： 1） PWM调速系统主电路线路简单，需用的功率器件少 2） 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小 3） 低速性能好，稳速精度高，调速范围广，可达到1：10000左右 4） 如果可以与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强 5） 功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高 6） 直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高 变频调速很快为广大电

14、动机用户所接受，成为了一种最受欢迎的调速方法，在一些中小容量的动态高性能系统中更是已经完全取代了其他调速方式。由此可见，变频调速是非常值得自动化工作者去研究的。在变频调速方式中，PWM调速方式尤为大家所重视，这是我们选取它作为研究对象的重要原因。 而在众多PWM变换器实现方法中，又以H型PWM变换器更为多见。这种电路具备电流连续、电动机四象限运行、无摩擦死区、低速平稳性好等优点。因此，本次设计以H型PWM直流控制器为主要研究对象。 要研究PWM调速方法，不能不提到微电子技术、电力电子技术和微机控制技术，没有这些技术的支持，我们就只能还是在走前人的老路，被模拟、人工控制的思维所禁锢。在电动机转速

15、控制领域，如果不能有效的引用这些技术，我们很难有所突破，发现问题，进而有所进步。 微机控制技术的发展也就是计算机控制系统的发展历程。它的发展大体可以分为三个阶段：第一个阶段是1965年后的实验阶段，自从1952年计算机被应用于生产过程中后，它应用于生产领域并创造巨大价值的潜力立刻为世人所注意，进而被大面积研究试用起来。1959年，美国得克萨斯州的一家炼油厂成功建成了世界上第一个计算机控制系统，标志着这项技术的发展已经开始。第二个阶段是1965年到1972年间的实用阶段。在这段时间里，计算机控制系统开始从单项工程试验中迈向实用，并且得到了系统的完善。在这一时期，计算机集中控制得到认可。在高度集中

16、控制时，若计算机出现故障，将对整个生产产生严重影响。为了应对这种负面影响，人们采取了多机并用的方案，促进了计算机控制系统的进一步发展。第三个阶段是从1972年至今，在这个阶段才真正出现了微机的概念，以它为核心，衍生出了很多计算机控制系统，如操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督计算机控制系统以及分布式控制系统，而随着微电子技术的发展，计算机控制系统可以实现小物起大用的效果，既不占空间，又可以同时处理很多生产问题，省时省力，计算机控制技术走向了成熟。而随着嵌入式系统的发展，计算机控制系统开始向网络化变迁，相信会有更大的发展空间。 电力电子技术作为电源技术产业的支柱性领域，也已经经过了漫长的发展

17、历程。这些技术如果都能被应用到PWM调速系统的控制当中，势必会使得调速系统的性能有一个很大的提升。在调速技术走到这个类似瓶颈地步的今天，这种尝试无疑是一种很有潜力的设想。 至于系统应该如何构成，系统的实际应用效果会如何，这些都是很需要探讨的问题，那么，这个研究就是很必要的了，也是我写这篇论文阐述探讨结果的理由。 1.2 PWM控制的现状和分类目前，高频电压领域的具体发展状况基本情况是这样的。目前已经提到并得到应用的PWM控制方案就不下于数十种，尤其是微处理器应用于PWM技术数字化后，花样是不断翻新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪

18、音等，PWM控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。目前仍有新的方案不断提出，这说明该项技术的研究方兴未艾。不少方法已经趋向于成熟，并有许多已经在实际中得到应用。 PWM控制技术一般可分为三大类，即正弦PWM、优化PWM及随机PWM，从实现方法上来看，大致有模拟式和数字式两种，而数字式中又包括硬件、软件或查表等几种实现方式，从控制特性来看主要可分为两种：开环式（电压或磁通控制型）和闭环式（电流或磁控型）。随着计算机毕业设计技术的不断进步，数字化PWM已逐步取代模拟式PWM，成为电力电子装置共用的核心技术。交流电机调速性能的不断提高在很大程度上是由于PWM技术的不断进步。目前广泛应用的

19、是在规则采样PWM的基础上发展起来的准优化PWM法，即三次谐波叠加法和电压空间矢量PWM法，这两种方法具有计算简单、实时控制容易的特点。1.3 微机控制电机的发展和现状微机，出现于20世纪70年代，随着大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展，微机的性能越来越高，价格越来越便宜。此外，电力电子的发展，使得大功率电子器件的性能迅速提高。因此就有可能比较普遍地应用微机来控制电机，完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合使用要求，还可以制造出各种便于控制的新型电机，使电机出现新的面貌。做这项研究的人是不在少数的。他们的研究方法是大同小异的，基本的设计

20、思路是一脉相承的大体可以归纳如下：计算机控制直流电动机调速系统被理解为一个以计算机为控制核心的闭环控制系统，当系统的给定转速发生变化的时候，系统通过速度检测环节，检测当前的转速，经信号变换、放大等环节，把反馈信号转换成数字信号送入计算机，计算机定时对速度信号采样，将采集后的被控量进行分析、比较和处理，按一定的控制规律运算，进行控制决策、实时输出控制量，通过计算机输出通道对直流电动机控制电路发出控制信号，使电动机的速度按要求发生变化，完成对电动机的控制任务。比较简单的电机微机控制，只要用微机控制继电器或电子开关元件使电路开通或关断就可以了。在各种机床设备及生产流水线中，现在已普遍采用带微机的可编

21、程控制器，按一定的规律控制各类电机的动作。对于复杂的电机控制,则要用微机控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等等,使电机按给定的指令准确工作。通过微机控制，可使电机的性能有很大的提高。传统的直流电机和交流电机各有优缺点，直流电机调速性能好，但带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等问题；交流电机，不论是异步电机还是同步电机，结构都比直流电机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而经济地调节。目前，广泛应用于数控机床等自动化设备的数控位置伺服系统.为了提高性能,在先进的数控交流伺服系统中,已采用高速数字化处理芯片(DIGITAL SIGNAL PROCESSO

22、R,简称DSP),其指令执行速度达到每秒数百兆以上,且具有适合于矩阵运算的指令.1.4 电机微机控制系统的特点目前，很多电机微机控制系统都是由数字部件和模拟部件组成的混合系统，而全数字控制系统是当前的发展方向。在微机控制系统中，通常是既有模拟信号，也有数字信号；既有连续信号，也有离散信号。由于计算机的CPU只能识别和处理数字信号，而且只能一次次离散地处理，所以计算机处理外界信息时总要有一个采样过程，电机微机控制系统必然是一种采样控制系统。电机采用微机控制，还具有以下特点：（1）硬件比较简单，用少量芯片就可完成很多功能，且易于通用化。（2）可以分时操作；一台微机可以起多个控制器的作用，为多个控制

23、回路服务；也可控制多个电机，完成较多功能。（3）计算机具有记忆和判断功能，系统的控制方式由软件决定，若要改变控制规律，一般不必改变系统的硬件，只需按新的控制规律编出新的程序即可；且可在运行中随时根据不同的电机工作状态，选择最有利的系统参数、系统结构及控制策略等；使系统具有很强的灵活性和适应性。（4）计算机的运算速度快，精度高。它有丰富的逻辑判断功能和大容量的存储单元，因此有可能实现复杂的控制规律，如采样参数辨识、优化控制等现代控制理论所提供的控制算法，以达到较高的控制质量。（5）数字量的运算不会出现模拟电路中所遇到的零点漂移问题，被控量可以很大，也可以很小，都较易保证足够的控制精度。（6）信息

24、处理能力强，可以完成各种数据的处理，及时给操作人员提供有用的信息和指示。正因为有上述优点，电机微机控制的理论及应用发展得非常迅速，新产品不断涌现和普及。1.5本课题在实际应用方面的意义和价值电机调速系统采用微机实现数字化控制,是电气传动发展的主要方向之一.从80年代中后期起，世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速传动装置，当前直流调速已发展到一个很高的技术水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安装技术；控制方式采用电源换相、相位控制。特别是采用了微机及其他先进技术，使数字式直流调速装置具有很高的精度、优良的控制性能和强大的抗干扰能力，在国内外得到广泛的应用。全数字化直流调速装置作为最新控制水

25、平的传动方式更显示了强大优势。全数字化直流调速系统不断推出，为工程应用提供了优越的条件。采用微机控制后,整个调速系统实现全数字化,结构简单,可靠性高,操作维护方便,电机稳态运行时转速精度可达到较高水平.直流电机具有优良的调速特性,调速平滑,方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动,制动和反转;能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求.由于微机具有较佳的性能价格比,所以微机在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用.近年来,尽管交流调速系统发展很快,但是直流电机良好的启动、制动性能,在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需

26、要广泛范围内平滑调速的高性能可控电力拖动领域中得到了广泛的应用.现阶段，我国还没有自主的全数字化控制直流调速装置商用，国外先进的控制器价格昂贵，研究及更好的使用国外先进的控制器，具有重要的实际意义和重大的经济价值。2 微机控制双闭环可逆直流PWM调速系统原理设计直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调整，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统中得到了广泛的应用。自从全控型电力电子器件问世以后，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PWM调速系统。直流PWM调速系统采用门极可关断晶闸管GTO、全控电力晶体管GTR、MOSFE

27、T、IGBT等电力电子器件组成的直流脉冲宽度（PWM）型的调速系统近年来已经发展成熟，用途越来越广泛，与晶闸管可控整流调速系统（V-M系统）相比，在很多方面具有较大的优越性：（1）主电路线路简单，需用的功率元件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；（4）系统频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强；（5）主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高；（6）直流电源采用不可控三相整流时，电网功率因数高。2.1 系统框图整个系统上采用了转速、电流双闭环控制结构，如图2-1所示。在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，

28、二者之间实行串级连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出作为PWM的控制电压。从闭环反馈结构上看，电流调节环在里面，是内环，按典型型系统设计；转速调节环在外面，成为外环，按典型型系统设计。为了获得良好的动、静态品质，调节器均采用PI调节器并对系统进行了校正。检测部分中，采用了霍尔片式电流检测装置对电流环进行检测，转速还则是采用了测速电机进行检测，达到了比较理想的检测效果。主电路部分采用了以GTR为可控开关元件、H桥电路为功率放大电路所构成的电路结构。控制PWM脉冲波形，通过调节这两路波形的宽度来控制H电路中对电机速度的控制。 图2-1系统结构直流调速系统的结构如上图

29、所示，其中UPE是电力电子器件组成的变换器，其输入接三相(或单相)交流电源，输出为可控的直流电压铸。对于中、小容量系统，多采用由IGBT或P一MOSFET组成的PWM变换器;对于较大容量的系统，可采用其他电力电子开关器件，如GTO、IGCT等;对于特大容量的系统，则常用晶闸管装置。根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。2.2转速、电流双闭环调速系统及其静特性2.2.1 问题的提出由前面的分析可知，采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。如果对系统的动态性能要求较高，例如要

30、求快速起、制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环调速系统中，只有电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流Idcr值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。带电流截至负反馈的单闭环调速系统启动时的电流和转速波形如图2-2所示。当电流从最大值降下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。对于像龙门刨床、可逆轧钢机那样的经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大电流（转矩）受限的条件下，希望充分利

31、用电机允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又让电流立即降低下来，使转矩马上与负载平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形见图2-3，这时，起动电流呈方形波，而转速是呈线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。图2-2带电流截至负反馈得单闭环调速系统启动过程图2-3理想快速启动过程实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突变，图2-3所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全实现。为了实现在允许条件下最快起动，关键要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程，按照反馈

32、控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就应该得到近似的恒流过程。问题是希望在起动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转矩负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳定转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主要的作用。怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈作用，又使它们只能分别在不同的阶段起作用呢？双闭环调速系统可以解决这个问题。2.2.2转速、电流双闭环调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别是转速和电流，二者之间实行串级联接，如图2-4所示。这就是说，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

33、器的输出去控制PWM调制器。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节器在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用PI调节器2.2.3稳态结构图和静特性为了分析双闭环调速系统的静特性，绘出了它的稳态结构图，如图2-4所示。分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征。一般存在两种状况：饱和：输出达到限幅值；不饱和：输出未达到限幅值。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间的关系，相当于使调节环开环。当调节器不饱和

34、时，PI作用使输入偏差电压?U在稳态时总是为零。图2-4双闭环调速系统稳态结构图实际上，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两种情况。（一）速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。因此 和 由第一关系式可得： （21） 从而得到图2-4静特性的段。与此同时，由于ASR不饱和， ，从上述第二个关系式可知：。这就是说，段静特性从=0 （理想空载状态）一直延续到 。而一般都是大于额定电流的，这就是静特性的运行段。（二）转速调节器饱和这时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。

35、双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环系统。稳态时 （22）式中，最大电流是设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加度（22）所描述的静特性是图2-5中的A-B段。这样的下垂特性只适合于n，则电枢两端的平均电压为正，在电动运行时电动机正转。当正脉冲较窄时，平均电压为负，电动机反转。如果正、负脉冲宽度相等，=，平均电压为零，则电动机停止。图3-2双极式PWM变换器电压和电流波形 双极式可逆PWM变换器电枢平均端电压为： （31）以=定义PWM电压的占空比，则 = （32）的变化范围为 1。当为正值时，电动机正转；为负值时，电动机反转；0时，电动机停止。在0时虽然电机不动，电枢两

36、端的瞬时电和瞬时电流都不是零，而是交变的。这个交变电流平均值为零，不产生平均转矩，陡然增大电机的损耗。但它的好处是使电机带有高频的微振，起着所谓“动力润滑”的作用，消除正、反向的静摩擦死区。 双极式PWM变换器的优点如下：（1）电流一定是连续的；（2）可使电动机在四象限运行；（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）低速时，每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证晶体管可靠导通；（5）低速平稳性好，调速范围可达20000左右。3.2 PWM控制电路经典的模拟控制电路主要由PWM 电路、延时电路和驱动电路组成。而PWM发生电路是采用三角波发生器产生的三角波放大后与一路可调直流电压（电流调

37、节器输出的uk） 进行比较，则电压比较器输出的是一系列方波信号。如果改变uk 的大小, 那么方波脉冲宽度将会改变, 从而达到脉宽调制的目的。其基本电路结构和调制原理如图3-3。脉宽调制信号的质量，对于PWM 调速系统是十分重要的。然而它的质量主要取决于三角波信号的质量。如果三角波的线性度不好，那么PWM 的输出将得不到对称的波形。这对调速系统来说，将大大地降低系统的性能，出现正反转不平衡。 (a） (b) 图3-3 PWM基本电路结构和调制原理(a)基本电路结构 (b)脉宽调制原理3.2.1 脉宽调速系统的开环机械特性 在稳态情况下，脉宽调速系统中电动机所承受的电压仍为脉冲电压，因此尽管有高频

38、电感的平波作用，电枢电流和转速还是脉动的。所谓稳态，只是指电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，电枢电流实际上是周期变化的，只能是算作“准稳态”。脉宽调速系统在准稳态下的机械特性是平均转速与平均转矩（电流）的关系。在双极式可逆PWM电路中，具有反向电流通路，在同一转向下电流可正可负，无论是重载还是轻载，电流波形都是连续的，这就使机械特性的关系式简单得多，对于双极式可逆电路，其电压方程为： （3-3） （3-4）如上两式所示，一个周期内电枢两端的平均电压都是，平均电流用表示，平均电磁转矩为，而电枢回路电感电压的平均值为零。于是，式（33）、（34）的平均值方程都可写成 （35）则机械特性方程

39、式为 （36）或用转矩表示 （37）其中理想空载转速，与占空比成正比。图34绘出了第一、第二象限的机械特性，它适用于带制动作用的不可逆电路。可逆电路的机械特性与此相仿，只是扩展到第三、第四象限而已。图34脉宽调速系统的机械特性3.2.2 脉宽调制器和PWM变换器的传递函数根据其工作原理，当控制电压CU改变时，PWM变换器的输出电压要到下一个周期方能改变。因此，脉宽调制器和PWM变换器合起来可以看成一个滞后环节，它的延时最大不超过一个开关周期T。则，当整个系统开环频率特性截至频率满足下式时 （38）可将滞后环节近似看成一阶惯性环节。因此，脉宽调制器和PWM变换器的传递函数可近似看成 （39）式中

40、 脉宽调制器和PWM变换器的放大系数； PWM变换器的输出电压； 脉宽调制器的控制电压。3.3本章小结 转速、电流双闭环调速系统的两个调节器串级连接，转速反馈环为外环，电流环为内环。速度调节器的输出即为电流给定，其输出限幅值即为最大电流给定值。调整限幅值的小或调整电流反馈系数就可方便地改变最大电流。在起、制动过程中，速度调节器很快入饱和，输出限幅值为电流环提供了最大电流给定，电流调节器为PI调节器，在它的调节作用下使电流保持在最大值，这时系统实际上为一个恒值电流调节系统。由于电流环的调节作用使系统的起、制动过渡过程中电流的波形接近于理想的最佳过渡波形。当转速超调后，速度调节器退出饱和，对转速起

41、主要调节作用，电流环成为电流随动系统。电流反馈环使得系统的抗干扰能力增强，作用在电流环前向通道上的一切扰动作用，如电网电压扰动等，受到电流环的及时调节所抑制，使转速不受或少受扰动的影响。电流内环还起到改造转速外环中调节对象结构及参数的作用，加快了转速环的调节响应过程。在特性上，转速环的调节作用保证了系统无静差，电流环的作用使系统具有较理想的挖土机下垂特性。双闭环调速系统动态效正的设计与调试是先按内环（电流环）后外环（转速环）的顺序进行的，因为在动态过程中可以认为外环对内环几乎没有影响，而内环是外环的一个组环节。从快速起动系统的要求出发，可按典型I型系统设计电流环。由于要求转速无静差，此转速环按

42、典型II型系统设计双闭环可逆直流PWM调速系统电枢电流的最大脉动量与电源压成正比，与电枢电感L和开关频率f成反比，即转速脉动量很小，也就是说，电枢PWM电压的交变分量对转速的影响是及其微小的。在确定PWM变换器开关频率时，除必须考虑电流的连续性和总损耗最小等因素以外，最好使开关频率比调速系统的最高工作频率高出十倍左右，使PWM变换器的延迟时间T对系统动特性的影响可以忽略不计。4 系统的仿真4.1 Matlab/Simulink简介计算机是一种解算工具。简单地说，仿真是建立相应物理系统的数学模型在计算机上解算的过程。数学模型是仿真的基础，只有建立正确的数学模型和数据，才能得到正确的仿真结果，仿真

43、才有意义。随着计算机的发展，仿真的发展经历模拟仿真、混合仿真、数字仿真的历史过程。目前，采用数字计算机的数学仿真获得了普遍的应用。MATLAB是由MathWorks公司1984年推出的一套数值计算软件，分为总包和若干个工具箱，可以实现数值分析、优化、统计、偏微分方程数值、自动控制、信号处理、图像处理等各个领域的计算和图形显示功能。它将不同数学分支的算法以函数的形式分类成库，使用时直接调用这些函数并赋予实际参数就可以解决问题，快速而且准确。Simulink是MathWorks公司于1990年推出的产品，是用于MATLAB下建立系统框图和仿真的环境。从名字上看，立即就能看出该程序有两层含义，首先，

44、 Simu一词表明它可以用于计算机仿真，而“Link”一词表明它能进行系统连接，即把一系列模块连接起来，构成复杂的系统模型。最近几年，后来崛起的Simulink已成为学术领域及工业领域在构建、仿真与分析动态系统上使用最为广泛的软件包，它支持线性及非线性系统，能创建连续时间、离散时间或者两者混合的系统模型。系统也能够是多采样频率的(Multirate)，也就是不同的系统能够以不同的采样频率结合起来。Simulink作为MATLAB的一个附加组件，用来提供一个系统极的建模与动态仿真工作平台。Simulink是用模块组合的方法来使用户能够快速、准确地创建动态系统的计算机模型的，特别对于复杂的非线性，

45、它的效果更为明显。Simulink模型可以用来模拟线性或非线性、连续或离散或者两者混合系统,也就是说它可以用来模拟几乎所有可遇到的动态系统。另外，Simulink还提供一套图形动画的处理方法，使用户可以方便地观察到仿真的整个过程。4.2 Simulink的启动与界面说明4.2.1 启动Simulink在Matlab命令平台上键入命令：Simulink就能进入Simulink仿真环境的子窗口。4.2.2 Simulink的菜单窗口的最上方一栏是Simulink的主菜单，各选项有：File，Edit，View等打开一个文件后，主菜单栏还会增加Simulation，Format，Tools等选项。4

46、.2.3 Simulink的功能模块组左边的窗口列出了Simulink的功能模块组，例如：Commonly Used Blocks常用单元模块组Continuous连续单元模块组Discrete离散单元模块组Linear线性单元模块组Nonlinear非线性单元模块组Sources输入信号模块组Sinks输出显示模块组用鼠标单击某模块组的图标，即选中该模块。同时，在右边会打开该模块的子窗口，用于选择需要的模块。4.3 Simulink的仿真过程4.3.1 创建结构图文件在Simulink界面上打开File菜单，选择New，打开一个名为Untitled的结构图程序文件窗口。4.3.2 结构图程序

47、设计按照系统结构图所需要的模块单元，构成系统的结构图。具体操作为：激活Simulink(如前所述)。激活信号源模块组Sources，选中所需要的单元图标，将它拖入新打开的用户文件窗口的空白处释放。激活线性单元模块组Linear，选中所需要的单元图标，如求和器等，将它拖入新打开的用户文件窗口的空白处释放。激活输出显示模块组Sinks，选中所需要的单元图标，将它拖入新打开的用户文件窗口的空白处释放。在用户文件窗口上，用鼠标在各拖入的单元之间作连线。在结构图上激活相应的单元，完成对各单元的参数设置于修改。4.3.3 Simulink仿真的启动与停止用鼠标选择主菜单的Simulantion选项出现下拉

48、子菜单，选中Start仿真即开始，仿真启动后，该菜单项即变为Stop用于启动后的停止选择。4.4 建立仿真模型(1)打开MATLAB中的Simulink工具箱，将所需模块拖入模型编辑窗口并将其相连。(2)将设计的开环调速系统的参数输入各个模块，运行调试功能，如果无误后就可以运行系统。(3)运行后便可通过模拟示波器观察波形。1H桥PWM发生器防真模型如图4-1所示图4-1 H桥PWM发生器防真模型2H桥PWM开环调速系统仿真模型如图4-2所示图4-2 H桥PWM开环调速系统仿真模型3H桥PWM双闭环调速系统仿真模型如图4-3所示图4-3 H桥PWM双闭环调速系统仿真模型5 H桥PWM直流可逆调速

49、系统的仿真分析及结果5.1 H桥PWM开环调速系统仿真结果在如图5-1所示的转速给定条件下，可以得到H桥PWM开环调速系统的电枢电流，电枢电压，电磁转矩，输出转速的仿真图。图5-1转速给定图5-2开环系统电枢电流仿真图如图5-2所示：在T=0时，转速给定=8，电枢电流=20，随着转速的上升，电枢电流开始下降，当T=1时，系统稳定，电枢电流=6也保持一稳定值。当T=2时，转速给定=-8，电枢电流也反向达到最大，然后电枢电流的变化过程和正向给定一样。图5-3开环系统电磁转矩仿真图如图5-3所以：因为电磁转矩和电枢电流有关，所以它的变化过程和电枢电流一模一样。图5-4开环系统输出转速仿真图如图5-4

50、所示：T=0时，在转速给定=8的条件下，转速N=0开始加速上升。当T=1时，电枢电流达到稳定，转速加速度也等于零，转速也达到最大N=1750,系统稳定。当T=2时，随着转速给定=-8反向，转速开始加速下降，并在很短的时间里下降到零。紧接着转速开始反向加速，然后和正向起动是一样的过程。5.2 H桥PWM双闭环调速系统的仿真结果同样在如图5-1所示的转速给定下。我们可以用H桥PWM双闭环调速系统仿真模型得到闭环系统的电枢电流，电枢电压，电磁转矩，和输出转速的仿真图。图5-5双闭环系统电枢电流仿真图如图5-5所示：因为双闭环系统有电流负反馈，所以电枢电流理论上基本保持一样。只是在不同的转速给定下大小

51、和方向不同。比如在转速给定是正值时，它也是正值。反之它就是负值。图5-6双闭环系统PWM输出波形图5-7双闭环系统输出转速仿真图5.3 本章小结本次设计的直流PWM调速系统与由晶闸管相控整流构成的直流调速系统的区别在于主电路和PWM控制电路。至于闭环控制系统，静、动态分析和设计基本相同。在提高主电路驱动能力，完善相应的保护电路后，PWM系统还可用于一般直流电机的调速。PWM调速系统结构简单，省去了复杂的换流装置，因此体积小，成本低，加之采用PIM来完成直流电动机PWM调速控制器，不仅简化了系结构，提高了系统性价比、灵活性、可靠性和抗干扰性，还可有效克服以往直流调速中谐波大、功率因数低的问题，是

52、一种节能的调速方案，在应用中取得了令人满意的结果。6 总结本文对电流、转速双闭环直流可逆PWM调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了双闭环直流可逆PWM调速系统的数学模型并对电流控制器与转速控制器的设计进行了探讨，然后在微机实现上讨论了数字触发、数字测速、转速与电流控制器的原理并给出了软件、硬件实现方案。现代电机控制的发展，一方面要求提高性能、降低损耗、减少成本，另一方面又不断地有技术指标及其苛刻特殊应用系统要求。随着微电子技术、电力电子技术和计算机技术地飞速发展，以及控制理论地完善、仿真工具地日渐成熟，给电机控制行业带来了很多机遇和反展契机。使用高性能的微机解决电机控

53、制器不断增加的计算量和速度要求，使其功能强大、维修方便、适用范围广又非常经济。虽然，在研究的过程中克服了很多困难，解决了不少问题，提出创新思路，但由于研究环境的限制，本研究只是处于初级阶段。它将是一个有益而大胆的探索，为以后的研究工作开了一个好头，相信将来会有很多成果出现。限于篇幅，本文未涉及以下几个方面的内容：1电动机负载较轻时电流断续时可采用自适应调节器。2自动控制理论中的复杂推导。3额定转速以上的弱磁调速系统。4典型系统的介绍。5系统参数、电流调节器和速度调节器的定量计算。通过对你课题的研究我有以下几个方面的收获：1学习与掌握了微机的基本原理及其各种应用，对它的各种硬件接口与软件方法有了

54、较深入的认识和了解。2对开关电源的工作原理和设计方法有了较深入的了解。3对自动控制系统的动、静态性能及其控制有一定的认识。5掌握了不少软件的应用如PROTEL、SPICE、MATLAB、VISIO、汇编语言等。由于本人学识有限，以后的工作中需要我花费更多的时间学习各种新知识，向自己的老师及同行请教。本文完成稍微仓促，会有不少缺陷，望大家批评指正。参考文献1李仁定.电机的微机控制.北京：机械工业出版社，19992陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社，20003莫正康.电力电子应用技术.北京：机械工业出版社，20014高鹏，安涛，寇怀诚等.Protel 99入门与提高.北京：人民邮电

55、出版社，20045李发海，王岩.电机与拖动基础.第二版.北京：清华大学出版社，20016王晓明电动机的单片机控制.第一版.北京：北京航空航天大学出版社，20027王福永.双闭环调速系统PID调节器的设计.苏州丝绸工学院学报.2001(10):VOL.21NO.5 35398张世铭，王振和.直流调速系统.武汉：华中理工大学出版社，19939王可恕.IGBT的栅极驱动.国外电子元器件，199610吴雄.绝缘栅双极晶体管（IGBT）及其应用.电子与自动化，199411阮新波，严仰光.一种适用于IGBT,MOSFET的驱动电路.电力电子技术，1996（4）12丁道宏.电力电子技术.北京：航空工业出版社

56、，199913廖晓钟.电力电子技术与电气传动.北京：北京理工大学出版社，200014H.Grob J.Hamann G.Wiegartner德（著），熊其求（译）自动化技术中的进给电气传动机械工业出版社，200215乔忠良.全数字直流调速装置及工程应用.太原理工大学学报，200016王馨、陈康宁.机械工程控制基础.西安：西安交通大学出版社，199217韦惟.智能控制技术.北京：机械工业出版社，200118顾德英，张海涛，王铁.神经元调节器在双闭环直流调速系统中的应用.辽宁：辽工程技术大学学报，2002年2月19卷第一期19胡寿松.自动控制原理.长沙：国防科技大学出版社，199520王离九，黄锦

57、恩。晶体管脉宽直流调速系统.武汉：华中理工大学出版社，199821姚世文.自动控制元件及其线路.北京：国防工业出版社，198022江晓安，董秀峰，杨颂华.数字电路.西安：西安电子科技大学出版社，200223Tjokro S,Shah S L,Adaptive PID Control,Proceedings of the 1985 AmericanControl Conference,198524Tsutomu Ohmae,A microprocessor-controlled high accuracy wide range25Speed regulator for motor drives,

58、IEEE Trans.Vol.IE-29No.3,198226Texas Instuments.TMS320C24x DSP Controllers,Peripheral Library and SpecificDevices,Reference Set Volume 2.199727Woong Det al.Unified Voltage Modulation Technique for Real-time Three Phase PowerConversion.IEEE TRAN.IA.1998 34(2):347-38028Chair P A.Defining intelligent c

59、ontrol.IEEE Control SystemsMagazine,1994,14(3):45,586629An Introduction to IGBTs,DYNEX SEMICONDUCTOR,199830Application Characterization of IGBTs,DYNEX SEMICONDUCTOR,199831Implementing RAM Functions in Flex 10K Devices,Altera Inc,Nov,199532A.Murray and P.Kettle.Towards a single chip DSP based motor c

60、ontrolsolution.Proceeding PCIM96J.Nurenberg,May 1996.pp.315-326.33in Microprocessor-based Digital PLL Speed Control SystimJ.IEEE Trans.Ind.Electron.Contr.Instrum,1981,2834Gate Drive Consideration For IGBT Efficiency,DYNEXSEMICONDUCTOR,1998.附录A:外文翻译This paper presents a new control strategy for three-phase induc