直流电机PWM调速系统理论设计和仿真实验

1、一、直流电机PWM调速理论设计和仿真实验1、直流电机调速原理直流电动机根据励磁方式不同,分为自励和他励2种类型。不同励磁方式的直流电动机,其机械特性曲线有所不同。但是对于直流电动机的转速,总满足下式: 式中：U-电压，R-励磁绕组的内阻，Ce-电势常数，Cr-转矩常量由上式可知，直流电机的速度控制既可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。磁场控制法控制磁通，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以在工业生产过程中常用的方法是电枢控制法。电枢控制是在励磁电压不变的情况下，把控制电压信号加到电机的电枢上来控

2、制电机的转速。传统的改变电压方法是在电枢回路中串联一个电阻，通过调节电阻改变电枢电压，达到调速的日的，这种方法效率低平滑度差，由于串联电阻上要消耗电功率，因而经济效益低，而且转速越慢，能耗越大。随着电力电子的发展，出现了许多新的电枢电压控制方法。2 、PWM技术简介在直流电机系统中，开关放大器提供驱动电机所需要的电压和电流，通过改变加在电动机上的电压的平均值来控制电机的运转。在开关放大器中，常采用晶体管作为开关器件，晶体管如同开关一样，总是处在接通和断开的状态。在晶体管处在接通时，其上的压降可以略去；当晶体管处在断开时，其上压降很大，但是电流为零，所以不论晶体管接通还是断开，输出晶体管中的功耗

3、都是很小的。一种比较简单的开关放大器是按照一个固定的频率去接通和断开放大器，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”的相位宽窄，这样的放大器被称为脉冲调制放大器。PWM(Pulse Width Modulation)脉冲宽度调制技术就是通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)的技术。根据PWM控制技术的特点，到目前为止主要有八类方法：相电压控制PWM、线电压控制PWM、电流控制PWM、空间电压矢量控制PWM、矢量控制PWM、直接转矩控制PWM、非线性控制PWM、谐振软开关PWM。3 、直流电机电枢的PWM调压调速原理随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率

4、元器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制的PWM控制方式已成为主流。这种控制方式很容易在单片机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。直流电动机转速n的表达式为： 式中：U-电压，R-励磁绕组的内阻，Ce-电势常数，Cr-转矩常量直流电机的转速控制大多数应用场合都使用电枢控制法。本设计介绍的方法就是在励磁恒定不变的情况下，通过调节电枢电压来实现直流电机调速。大多数直流电机的驱动采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。当开关管D1的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压US。t1

5、秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。t2秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图1-1所示。图1-1输入输出电压波形图电动机的电枢绕组两端的电压平均值Uo为：式 中，称为占空比，=t1/T占空比表示了在一个周期T里开关管导通的时间与周期的比值。的变化范围为0 1。由式(3-2)可知，当电源电压US不变的情况下，电枢的端电压的平均值Uo取决于占空比的大小，改变值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。在PWM调速中，占空比是一个重要参数。在直流电机控制中，改变来实现调速主要方法是定频调宽法：使周期T(或频率)保持不变，而同时改变t1和t2。4、直流电机仿真利用MATLAB进行系统建模和仿真，在Simulink环境下,利用SimPower System Tool进行电路的搭建和参数的设置。由于无法获得直流小电机的具体参数，此仿真用的是中小功率直流电机，整流电路采用单相桥式逆变器，开关电子器件采用IGBT，通过控制两组IGBT的开通和关断，来实现电机的正反转。图1-2 直流电机的参数图1-3 逆变电路