直流调速系统设计

1、摘要摘要当今，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

2、工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II目录目录摘要I1 引言11.1问题的提出11.2 PWM控

3、制的现状和分类22 微机控制双闭环可逆直流PWM调速系统原理设计42.1稳态结构图和静特性42.3双闭环脉宽调速系统的动态性能52.4可逆PWM变换器工作原理92.5 PWM控制电路123 系统的仿真143.1建立仿真模型143.2 PWM开环调速系统仿真结果163.3 PWM双闭环调速系统的仿真结果18总结20参考文献21 1 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

4、机具有良好的起、制动性，适宜在大范围内平滑调速，在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

5、解决了直流电机调速性能好却费时费力的缺点。那么又是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，

6、电网功率因数比相控整流器高 变频调速很快为广大电动机用户所接受，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

7、老路，被模拟、人工控制的思维所禁锢。在电动机转速控制领域，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

8、。在这一时期，计算机集中控制得到认可。在高度集中控制时，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

9、电源技术产业的支柱性领域，也已经经过了漫长的发展历程。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

10、通的正弦；从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪音等，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

11、上是由于PWM技术的不断进步。目前广泛应用的是在规则采样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。2 微机控制双闭环可逆直流PWM调速系统原理设计2.1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2-1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

12、。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压U在稳态时总是为零。图2-1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( 21)和( 22)由第一关系式可得：( 23)从而得到图2-1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

13、的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环系统。稳态时( 24)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2-2的A-B段。这样的下垂特性只适合于n的情况。因为如果 ，则，ASR将退出饱和状态图2-2双闭环调速系统的静特性双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转负反馈起主要调节作用。当负载电流达后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流至负反馈的单闭环系统静特性好

14、。然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，静特性的两段实际上都略有很小的静差。2.3双闭环脉宽调速系统的动态性能动态数学模型：考虑到双闭环控制的结构可绘出双闭环调速系统的动态结构图，如图2-3所示。图中和分别表示转速和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，电机的动态结构图中必须把电流显露出来。图2-3双闭环脉宽调速系统的动态结构图起动过程分析：设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。双闭环调速系突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图2-4所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不

15、饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分成三段，在图中分别以、II、II图2-4双闭环脉宽调速系统起动时转速和电流波形第I阶段0是电流上升的阶段。突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用，使、上升，当后，电动机开始转动。由于电惯性的作用，转速的增长不会很快，因而转速调节器ASR的输入偏差电压数值较大，其输出很快达到限幅值，强迫电流迅速上升。当时，电流调节器的作用使不在迅速增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般应该不饱和以保证电流环的调节作用。第II阶段是恒流升速阶段。从电流升到开始，到转速升到给定值（即静特性上的）为止，属于恒流升速阶段，是起动

16、过程的主要阶段。在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速环相当于是开环。系统表现为在恒值电流给定作用下的电流调节系统，基本上保持电流恒定（电流可能超也可能不超调，取决于电流调节环的结构和参数），因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增长（图2-4）。与此同时，电动机的反电动势E也按线性增长。对电流调节系统来说，这个反电动势是一个线性渐增的扰动量，为了克服这个扰动，和也必须基本上按线性增长，才能保持恒定。由于电流调节器ACR是PI调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，应略低于。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流调节器是不饱和的。第II

17、I阶段以后是转速调节阶段。在这阶段开始时，转速已经达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压相平衡，输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电机仍在最大电流下加速，必然会使转速超调。转速超调以后，ASR输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压即ACR的给定电压立即从限幅值降下来，主电流也因而下降。但是，由于仍大于负载电流，在一段时间内，转速任继续上升。到时，转矩,则，转速n到达峰值时）。此后。电动机才开始在负载的阻力下减速，与此相应，电流也出现一段小于的过程，直到稳定。在这最后的转速调节阶段内，ASR与ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，ASR处于主导地

18、位，而ACR的作用则是力图使尽快地跟随ASR的输出量，或者说，电流内环是一个电流随动子系统.动态性能和两个调节器的作用：（一）动态跟随性能如上所述，双闭环调速系统在起动和升速过程中，能够在电流受电机过载能力约束的条件下，表现出很快的动态跟随性能。在减速过程中，由于主电路电流的不可逆性，跟随性能变差。对于电流内环来说，在设计调节器时应该强调有良好的跟随性能。（二）动态抗扰性能1抗负载扰动由图2-8动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器来产生抗扰作用。因此，在突加（减）负载时，必然会引起动态速降（升）。为了减少动态速降（升），必须在设计ASR时，要求系统具有较好的抗扰性能

19、指标。对于ACR的设计来说，只要电流环具有良好的跟随性能就可以了。2.电网电压扰动和负载扰动在系统动态结构图中作用的位置不同，系统对它的动态抗扰效果也不一样。例如图2-8 a的单闭环调速系统，电网电压扰动和负载电流扰动都作用在被负反馈包围的前向通道上，仅静特性而言，系统对它们的抗扰效果是一样的。但是从动态性能上看，由于扰动作用的位置不同，还存在着及时调节上的差别。负载扰动作用在被调量n的前面。它的变化经积分后就可被转速检测出来，从而在调节器ASR上得到反映。电网电压扰动的作用点离被调量更远，它的波形先要受到电磁惯性的阻挠后影响到电枢电流，再经过机电惯性的滞后才能反映到转速上来，等到转速反馈产生

20、调节作用，已经嫌晚。在双闭环调速系统中，由于增设了电流内环（图2-5 b），这个问题便大有好转。由于电网电压扰动被包围在电流环之内，当电压波动时，可以通过电流反馈得到及时的调节，不必等到影响到转速后，才在系统中起作用。因此，在双闭环调速系统中，由电网电压波动引起的动态速降会比单闭环系统中小得多。图2-5脉宽调速系统的动态抗扰性能a)单闭环脉宽调速系统b)双闭环脉宽调速系统2.4可逆PWM变换器工作原理可逆变换器主电路的结构形式有H型、T型等多种类型，现在选用常用的H型变换器，它是由4个电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。H型变换器在控制方式上分为双极式、单极式和受限式三种。本设计选用双极

21、式H型PWM变换器。图3-1绘出了双极式H型PWM变换器的电路原理图。4个IGBT选用德国西门康公司生产型号为SKM 50GB123D，二极管选用MOTOROLA公司生产的超快恢复功率二极管，型号为MUR200 40CT,反向恢复时间小于50ns.基极驱动电压分为两组。和同时导通和关断，其驱动电压和；和同时动作，其驱动电压= =。它们的波形如图311所示。在一个开关周期内，当0t 时，和为正，晶体管和饱和导通；而和为负，和截止。这是，加在电枢AB两端, =,电枢电流沿回路1流通。t T时，和变负，和截止；、变正，但、并不能立即导通，因为在电枢电感释放储能的作用下，di沿回路2经、续流，、上的压

22、降使、极承受反压，这时，=。在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征。图2-6双极式H型PWM变换器电路由于电压的正、负变化，使电流波形存在两种情况，如图2-6中的和。相当于电动机负载较重的情况，这是平均负载电流大，在连续阶段电流仍维持正方向，电机始终工作在第一象限的电动状态。相当于负载很轻的情况，平均电流小，在续流阶段电流很快衰减到零，于是和极两端失去反压，在负的电源电压（-）和电枢反电动势的合成作用下导通，电枢电流反向，沿回路3流通，电机处于制动状态。与此相仿，在0t 期间，当负载轻时，电流也有一次倒向。双极式PWM变换器的可逆要视正、负脉冲电压的宽窄而定。当正脉冲较宽时，则电枢

23、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2-7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：( 25)以=定义PWM电压的占空比，则=( 26)的变化范围为。当为正值时，电动机正转；为负值时，电动机反转。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

24、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。2.5 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（电流调节器输出的） 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 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

25、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。 图2-8 PWM基本电路结构和调制原理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

26、为： ( 27) ( 28)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，上式平均值方程都可写成( 29)则机械特性方程式为( 210)或用转矩表示( 211)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29脉宽调速系统的机械特性脉宽调制器和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，

27、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( 212)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( 213)式中为宽调制器和PWM变换器的放大系数；为PWM变换器的输出电压；为脉宽调制器的控制电压。3 系统的仿真3.1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。1 PWM发生器防真模型如图3-1示图3-1PWM发生器防真模型2H桥PWM开

28、环调速系统仿真模型如图3-2所示图3-2 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3-3所示图3-3双闭环调速系统仿真模型3.2 PWM开环调速系统仿真结果在如图3-4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3-4转速给定图3-5开环系统电枢电流仿真图如图3-5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3-6开环系统电磁转矩仿真

29、图如图3-6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3-7开环系统输出转速仿真图如图3-7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。3.3 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3-8双闭环系

30、统电枢电流仿真图如图3-8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3-9双闭环系统PWM输出波形图3-10闭环系统输出转速仿真图总结本文对电流、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

31、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

32、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。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，

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