电气工程及其自动化专业毕业设计

1、PWM直流脉宽调速系统的设计摘 要以电力电子学和电机调速技术为基础，本文设计了一种基于直流脉宽调速控制技术的直流电机调速系统。为了得到较好的动静态性能，该控制系统采用了双闭环控制，同时速度调节器和电流调节器都选用PI调节器。本调速系统采用半桥型电路作为主电路,它相当于降压斩波电路和升压斩波电路的串联组合,选用全控型器件IGBT作开关器件。控制电路以集成PWM控制器SG3525为核心,3525输出的脉宽调制信号经LM1413放大后作为IGBT的驱动信号。实验证明本调试系统直流电压大小调节和电机可逆运行的实现非常方便，并具有较硬的静特性和机械特性。 关键词: 升/降压斩波电路；SG3525；直流脉

2、宽调速；MATLABAbstractOn the basis of Power Electronic and electric motor speed adjusting technology, the calibrator designs a speed adjusting system in which Pulse Width Modulation (PWM) controlling technology is used to control D.C. motor. Dual closed loop controlling technic is alse adopted so that t

3、he sysetem has satisfactory steady-state and dynamic characters. The system uses single chip micro computer as an auxiliary unit.Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) is selected as power semiconductor on-off element in the system The thesis explains the principle of PWM controlling. The special

4、integrated PWM controller-SG3525 which can help us realize PWM control easily is elaborated , this chips internal structure and its peripheral circuit are analyzed, and its applying example in this system is given.Key words: Boost/Buck chopper；SG3525；DC Pulse Width speed control；MATLAB目录摘要IIIABSTRAC

5、TIV第1章 引言11.1 直流拖动系统112调速系统的性能指标11.3课题来源21.4文献综述3 1.5直流电机参数5第2章 PWM直流调速系统总体介绍与主电路原理62.1 电路组成及系统分析62.2主电路工作原理62.3主电路的组成8第3章 PWM控制电路1031 PWM基本原理1032 PWM的理论基础1133 PWM实现方法1234直流电机的PWM控制技术13第4章 转速调节器和电流调节器的设计184.1 PID调节器的基本原理184.2速度调节器ASR194.3电流调节器ACR204.4触发输入及保护装置（CSR）214.5 PWM波形发生器244.6电流检测244.7给定单元24第

6、5章 MATLB仿真5.1 MATLAB简介5.2 PWM直流脉宽调速系统仿真 5.3仿真结果致谢25参考文献26第1章 引言在现代科学技术革命过程中，电气自动化在20世纪的后四十年曾进行了两次重大的技术更新。一次是元器件的更新，即以大功率半导体器件晶闸管取代传统的变流机组，以线形组件运算放大器取代电磁放大器件。后一次技术更新主要是把现代控制理论和计算机技术用于电气工程，控制器由模拟式进入了数字式。在前一次技术更新中，电气系统的动态设计仍采用经典控制理论的方法。而后一次技术更新是设计思想和理论概念上的一个飞跃和质变，电气系统的结构和性能亦随之改观。在整个电气自动化系统中，电力拖动及调速系统是其

7、中的核心部分。现代的电力拖动控制系统都是由惯性很小的晶闸管、电力晶体管或其他电力电子器件以及集成电路调节器等组成的。经过合理的简化处理，整个系统一般都可以用低阶近似。而以运算放大器为核心的有源校正网络（调节器），和由 R、C等元件构成的无源校正网络相比,又可以实现更为精确的比例、微分、积分控制规律,于是就有可能将各种各样的控制系统简化和近似成少数典型的低阶系统结构。如果事先对这些典型系统作比较深入的研究,把它们的开环对数频率特性当作预期的特性,弄清楚它们的参数和系统性能指标的关系,写成简单的公式或制成简明的图表,则在设计实际系统时,只要能把它校正或简化成典型系统的形式,就可以利用现成的公式和图

8、表来进行参数计算,这样,就建立了工程设计方法的可能性。1.1 直流拖动系统直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系可表示为 式中 n转速（r/min）；U电枢电压 （V）；I电枢电流 （A）；R电枢回路总电阻（ ）；励磁磁通（wb）；Ke由电机结构决定的电动势常数。由上式可以看出，调节电动机的转速有三种方法： 1）调节电枢供电电压U:即保持 R和不变，通过调节U来调节n，是一种大范围无级调速方式。2）减弱励磁磁通:即保持和U不变，通过减少 来升高 n，是一种小范围无级调速方式。3）改变电枢回路电阻R:即保持U和不变，通过调节R来调节 n，是一种大范围有级调速方式。 对于要求在一定范围内无级平滑调

9、速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大。1.2调速系统的性能指标 1.稳态性能指标 1)调速范围 生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫调速范围，用字母 D表示 ，即其中和 一般都指电动机额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的转速。在直流电机调压调速系统中，常以电动机的额定转速为最高转速 。 2)静差率 当系统在某一转速下运行时负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落n，与理想空载转速 n之比，称作静差率，即显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化下的稳定度的。它和机械特性

10、的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。然而，静差率和机械特性硬度又是有区别的。静差率不仅与转速降落有关，还与理想空载转速的大小有关 。2.动态性能指标 调速系统的动态性能指标包括跟随性能指标和抗扰性能指标两类。 1) 跟随性能指标 在给定信号(或称参考输人信号)R (t)的作用下，系统输出量 C(t)的变化可用跟随性能指标来描述通常使用阶跃响应性能指标，即以输出量的初始值为零，给定信号阶跃变化下的过渡过程为典型的跟随过程。一般希望在阶跃响应中输出量C(t)与其稳态值 的偏差越小越好，达到 C的时间越快越好。具体的指标有下列几项:(1)上升时间 在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量

11、从零起第一次上升到稳态值 C所经过的时间称为上升时间。它表示动态响应的快速性。 (2)超调量 在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量 :超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。(3)调节时间t, 调节时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个调节过程的快慢。定义为从加输人量的时刻起，到输出量进人其稳态值的误差带(一般取 5%或2%)，响应曲线达到且不再超出该误差带所需的最短时间。2) 抗扰性能指标 稳定的调速系统在运行中，如果受到扰动，经历一段动态过程后，能达到新的稳态，除了稳态误差以外，在动态过程中输出量

12、变化有多少?在多长的时间内能恢复稳定运行?这些问题标志着调速系统的抗扰能力。一般以系统稳定运行中突加一个使输出量降低的负扰动 N以后的过渡过程作为典型的抗扰过程。1.3课题来源目前，直流调速技术的研究和应用已达到比较成熟的地步，尤其是随着全数字直流调速的出现，更提高了直流调速系统的精度及可靠性。目前国内各大院校，科研单位和厂家也都在开发直流调速装置，但大多数调速技术都已结合工业生产中，所以应用已有的成熟技术开发性能价格比高，具有自主知识产权的直流调速单元，将有广阔的应用前景。直流斩波电路原理实验和直流电机的PWM调速实验都是电力电子技术课程要求必须开设的实验。本课题是应生产教仪的厂家的需要,研

13、制开发出一套控制平滑、稳定、经济、实用、简便、可靠性高、操作方便的直流调速控制挂箱以供大中专院校实验教学之用,利用该挂箱设备可以进行的实验项目有: 降压斩波电路实验升压斩波电路实验可逆直流PWM调速实验，实现了斩波实验电路与可逆PWM调速实验电路的兼容。1.4文献综述1.4.1 PWM直流调速系统研究直流电动机因其可以方便地通过改变电枢电压和励磁电流实现宽范围的调速而得到广泛的应用调节电枢串联电阻来改变电枢上的电压，是最经典的直流电机调速方法，有相当部分的电能消耗在所串联电阻上，很不经济。80年代，以晶闸管为功率开关器件的斩波调速器以其无级、高效、节能而得到大力推广但晶闸管斩波调速器不足之处是

14、晶闸管一旦被触发，其关断必须依赖换流电容和换流电感振荡产生反压来实现换流电容和电感增加了装置的成本，也增加了换流损耗；电源电压下降还会导致换流失败，使系统的可靠性降低；此外，由于晶闸管的开、关时间比较长，加上存在换流环节，使得斩波器的工作频率不能太高(一般在300Hz以下)，电机上的力矩脉动和电流脉动比较严重。因此直流斩波调速呼唤快速自关断器件。于是90年代出现了以IGBT为代表，具有自关断能力并可在高速下工作的功率器件作为开关元件的PWM直流调速系统成为更为先进的直流调速方案2。随着电力电子技术的发展和新型电力电子器件的不断涌现，直流PWM 驱动技术近年来发展更加迅速，由其构成的调速系统也已

15、成为现代调速系统的佼佼者，受到越来越多电气控制技术人员的重视。传统的PWM 直流传动系统常采用的主功率元件一般为功率晶体管(GTR)，随着驱动对象的日益复杂和系统性能及可靠性的逐步提高，采用场控器件- - 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的逐渐增多，这里就是采用IGBT作为主电路的控制元件。1.4.2 PWM直流调速系统设计理论分析基于80Cl96KC控制的双闭环直流调速系统电路。主要由电机转速、电流检测电路；转速、电流双闭环单片机PI数字调节器；功率调节电路；直流电机；保护电路等组成，系统硬件主要由80C196KC单片机、外部存储器、驱动芯片TC787、光电编码器、8279键盘显示电路等构成。

16、实现显示、命令输入、循环检测、过压过流保护及软件PI调节功能。80C196KC单片机是INTEL公司新一代高性能、低功耗l6位单片机，具有丰富的软硬件资源和较强的抗干扰能力，它是MCS96系列的芯片中第三类产品，内含AD转换。具有四个高速输入口和六个高输出口 。具有以下显著特点：算术逻辑单元采用寄存器一寄存器结构，消除了一般CPU中存在的累加器瓶颈效应，提高了操作速度和数据吞吐能力；采用垂直窗口技术，大大加速了程序运行速度和精简了程序结构。在中断服务程序或子程序中，其优点尤其显得突出。增添了新的256字节寄存器，使得每个服务程序都可能拥有自已的寄存器组，而在服务程序的人口和出口处，可以用简单的

17、垂直窗口切换代替常用的人栈和出栈指令。具有外设事务服务器，能有效地处理中断事务。外设事务服务器PTS(Peripheral Transaction Serve)对中断能提供一种类似直接存储器访问DMA(Direct Memory Access)的响应，CPU 的开销比一般的中断响应少得多。本系统中，对转速的测量、AD转换、闭环运算和发触发脉冲，都对实时性要求很高，鉴于以上特点，80C196KC能够满足系统的要求，并极大地提高了系统的运行可靠性及控制策略的灵活性，同时也将提高系统的控制精度。 双闭环直流调速系统引入80C196KC单片机控制后，整个系统硬件结构简单、运算速度快、逻辑判断能力强，静

18、动态特性良好，抗负载及电网电压扰动能力强，稳速精度高，节省了设备的投资、提高了设备的利用率，在自动控制系统的实验与科研以及工业电力拖动装置的改造等方面具有较好的应用价值13。 基于模拟电路仿真的双闭环直流调速系统课程设计。介绍了一种基于模拟电路仿真实验平台实现双闭环直流调速系统课程设计的方法，该方法利用计算机完成实验数据的采集、存储和计算处理，根据实验结果可以准确直观地分析转速一电流双闭环调速系统的起动过程及动态抗扰性能，可方便地设计各种不同的调节器参数及控制策略并分析其对系统性能的影响，取得了很好的教学效果。该方法亦可用于对其他类型自控系统的分析设计。利用模拟电路仿真实验平台实现双闭环直流调

19、速系统课程设计，生动直观地再现了调速系统的起动过程及抗扰过程，说明了调节器的有关设计问题，将抽象的理论问题变得直观易懂，取得了较好的教学效果，该方法同样适用于学生学习设计其他各种自动控制系统。 基于MATLAB的双闭环可逆直流调速系统的仿真研究。对双闭环无环流可逆直流调速系统进行了计算机仿真研究。双闭环可逆直流调速系统是一个复杂的自动控制系统，在设计和调试过程中有大量的参数需要计算和调整。运用传统的设计方法工作量大，系统调试困难。随着计算机技术的发展，在软件和硬件方面提供了良好的设计平台。该文运用MATLAB软件建立了调速系统的仿真模型。在建立系统计算机仿真模型时，由于系统复杂，首先利用MAT

20、LAB的子系统模块将主电路和触发电路封装成一个子系统；然后将子系统与其他模块一起组成整个调速系统的仿真模型。利用SLMULINK中仿真功能对系统进行了仿真，仿真的结果证明了该方法的可行性、合理性。利用仿真技术可以很大程度地减少双闭环可逆直流调速系统设计和调试强度。 此外还有由单片微机控制的IGBT-PWM直流调速系统11。单片微机由于体积小，重量轻，功能全，价格便宜，在电气传动实时控制系统中越来越受到重视和普遍应用。利用单片微机逻辑功能强和软件灵活的优点，不仅可使很多控制硬件软件化，且便于参数的设定和调整，同时可以对系统工作中的各种信息数据作诊断，检洲并及时处理，加强实时维护和提高控制系统的可

21、靠性。由单片微机控制的IGBT-PWM调速系统是一种新型的控制系统，由于IGBT是一种高频垒控型器件，可方便地控制其通断，因此由它组成的控制系统除结构简单外，更具有开关频率高、主回路脉动成分系统采用单闭环结构，省去了电流环，而电流环的作用则由反电势跟踪控制来取代。使系统在动态过程中输出最大电流，以加快过渡过程。由于用单片微机实现了全数字控制。它不仅简化了系统的结构，而且使系统具有良好的动静态特性。由于调速系统采用了徽机控制，使系统结构得以简化，且系统参数可调，使系统得动静态特性得以优化。 如何设计好PWM直流调速系统 在转速的比例控制系统中，提高放大器的电压放大倍数，只能减小静差，而不能消除静

22、差。要想消除静差，就必须在放大器中增加一个积分环节，使放大器变成比例积分(PI)控制器。PI反馈网络是由一些电阻和电容组成的线性网络。其中有一个可变电阻器和一个可变电容器。可变电阻器用于PI控制器的比例度值的调节。可变电容器用于P1控制器的积分时间的调节。在转速的PI控制系统中，只要有静差的存在，积分环节就要工作，一直到静差为0时，积分环节才停止工作。积分环节能完全消除静差。 在生产实际中会出现这样的现象：虽然转速的偏差的绝对值不大，但是它的变化速度却很快。PI控制对于这样的偏差(动偏差)的控制力度很小。因此，这个快速变化的偏差很快就会造成很大的偏差。等到大的偏差出现后，再来实施控制，已经为时

23、过晚，这样必定会使控制精度大幅度地下降。为了及时消除这种快速变化的转速偏差，必须在PI控制器中再引进一个微分(D)环节使PI控制器变成PID控制器。具体的作法是：在PI控制器的反馈网络中再增加一个微分环节就可以了。在微分环节中设置一个可变电容器，用来调节微分时间值。将PI控制系统中的PI控制器换成PID控制器，就成了转速的PID控制系统。当绝对值很小而变化速度很快的转速偏差出现后，PID控制器中的微分环节就会输出一个很大的控制电压，来提前对转速作相应的大幅度的调整，这样就避免了今后大的速度偏差的出现，使控制精度大幅度地提高。对于PID控制器，可以用工程整定的方法确定出一组最佳的比例度、积分时间

24、和微分时间的值，使转速控制达到最佳的效果这时，转速的最大超调量最小，调节时间最短。或者说，此时控制精度最高，控制速度最快1.5直流电机参数 直流并励电动机 型号：ZYDJ04 功率：PN=150W 电枢电压：UN=220V 电枢电流：IN=1.06A 测速发电机： 48V/2400r/min第2章 PWM直流调速系统总体介绍与主电路原理2.1电路组成及系统分析直流脉宽调速电路原理图如图2.1所示,其中直流斩波电路可看成降压型变换器和升压型变换器的串联组合,采用IGBT(800V/5A)作为自关断器件,二极管（2ZCP12）续流，利用集成脉宽调制控制器SG3525产生的脉宽调制信号作为驱动信号,

25、由两个IGBT及其反并联的续流二极管组成。IGBT为 GT25Q10 。直流并励电动机型号 ZYDJ04 。图中PN =150W; UN=220V; IN=1.06A 。2.2主电路工作原理三相127V交流电经桥式整流电路,所选用二极管型号为 2CP12 滤波电路变成直流电压加在P、N两点间，直流斩波电路上端接P点，下端接N点，中点公共端（COM）（如图2.1所示）。若使COM端与电机电枢绕组A端相接,B端接N,可使电机正转。若T2截止，T1周期性地通断，在T1导通的Ton时间内，形成电流回路P-T1- A-B-N，此时VAB0,IAB0;在T1截止时由于电感电流不能突变,电流IAB经D2续流

26、形成回路为A-B-D2-A,仍有VAB0,IAB0，电机工作在正转电动状态（第一象限），T1,D2构成一个Buck变换器。若T1截止,T2周期性地通断,在T2导通的Ton时间内，形成流回路A-T2-B-A;在T2截止时,由于电感电流不能突变,电流IAB经D1续流形成回路为A-D1-P-N-B-A,此时VAB0,IAB0,电机工作在正转制动状态（第二象限）,T2，D1构成一个 Boost变换器。只要改变T1,T2导通时间Ton的大小即改变给T1,T2所加门极驱动动信号脉冲的宽度即可改变VAB和IAB的大小调控直流电动机的转速和转矩。若使COM端与电机电枢绕组A端相接，B端接N,可使电机工作在正转

27、电动或制动状态（,象限），若使 COM端与B相接而A端接N,可使电机工作在反转电动或制动状态（，象限）。（正转或反转状态电机电枢绕组的连接通过状态开关进行切换）。这样仅用两个开关器件就可实现电机的四象限运行。电机的转速经测速发电机以及FBS(转速变换器）输出到ASR(转速调节器)，作为ASR的输入并和给定电压比较，组成系统的外环,ASR的输出作为ACR(电流调节器)的输入并和主电路电流反馈信号进行比较作为系统的内环。由于电流调节器的输出接到SG3525的第2脚,R2为限流电阻，所以要求电流调节器再通过一个反号器的输出电压的极性必须为正，转速调节器的输出作为电流调节器的给定则又要求其输出电压信号

28、为正, 最后转速调节器的给定选择了负极性的可调电压,如图2.1所示。ASR和ACR均采用PI调节器，利用电流负反馈与速度调节器输出限幅环节的作用,使系统能够快速起制动,突加负载动态速降小,具有较好的加速特性。 图2.1电路总图2.3主电路的组成本实验电路中主电路部分由直流电源、两个IGBT管组成，可看成降压型变换器和升压型变换器的串联组合，下面结合H型桥式可逆直流PWM调速电路图来对降压、升压斩波电路进行介绍。降压斩波电路与电机的电动状态图2.2中如果始终保持T4导通、T3关断（则如图2.3所示），并使T2截止、T1周期性地通断，在T1导通的Ton时间内，vAB=vPN0,iAB0; 在T1截

29、止的Toff时间内，由于电感电流不能突变，iAB经D2续流，vAB=0，A、B两端电压的平均值VAB=Ton VPN/(Ton+Toff)=VPN,为占空比。可见在图2.3中当T2截止时由T1、D2构成了一个降压斩波电路，iAB0，vAB0，电机工作在正向电动状态。图2.3 半桥变换电路图2.2 H型桥式变换电路2.3.2升压斩波电路与电机的制动状态图2.3中若T1截止、T2周期性地通断，在T2导通的Ton时间内，vAB= 0, iAB0;在T2截止的Toff时间内，由于电感电流不能突变，电流iAB经D1续流，vAB=vPN，A、B两端电压的平均值VAB= ToffVPN/(Ton+Toff)

30、=（1）VPN,可见当T1截止时由T2、D1构成了一个升压斩波电路，vAB0, iAB0，电机工作在正向制动状态，将电能回送给直流电源。半桥电路与电机的电动和制动运行状态由上述分析可知，在图2.3所示的半桥电路中，若T2截止、T1通断转换时由T1、D2构成了降压斩波电路，电机工作在正向电动状态；若T1截止、T2通断转换时由T2、D1构成了升压斩波电路，电机工作在正向制动状态。在图2.2中如果始终让T2导通、T1断开则类似地，当T4截止时，由T3、D4构成了降压斩波电路，电机工作在反向电动状态；当T3截止时，由T4、D3构成了升压斩波电路，电机工作在反向制动状态。电机可逆运行的实现由以上对可逆H

31、桥电路的分析可知，电机的正反转是通过两个半桥电路即两套升/降压斩波电路交替工作来实现的，（正转时由T1、T2组成的半桥电路工作，反转时由T3、T4组成的半桥电路工作）。因此设计出一种半桥型可逆PWM调速电路，即用一套升/降压斩波电路通过一个转换开关的切换既可用于电机的正转也可用于电机的反转,它与H桥电路相比节省了两个开关器件，而且大大简化了电路，状态开关的连接如图2.4所示，当A接COM, B接N时，电机正转（工作在、象限），当A接N，B接COM时，电机反转（工作在、象限）。图2.4 转换开关连接图 第3章 PWM控制电路PWM（Pulse Width Modulation）控制脉冲宽度调制技

32、术，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）。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 Wid

33、th 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。PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。 3.1 PWM基本原理PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整

34、方法。PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如图3.1所示，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为式中Vd电机的平均速度Vmax电机全通电时的速度（最大）D=t1/T

35、占空比由公式（2）可见，当我们改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度Vd与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。图3.1 电枢电压“占空比”与平均电压关系图Vd=VmaxD3.2 PWM的理论基础 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。低频段非常接近，仅在高频段略有差异。 图3.2形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 面积等效原理： 分别将如图3.1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图3.2a所

36、示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图3.2b所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎完全相同。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。如果周期性地施加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。 图3.3 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形 用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。 SPWM波形脉冲宽度按正弦规律变化而和

37、正弦波等效的PWM波形。 图3.4用PWM波代替正弦半波 要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。PWM电流波；电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。PWM波形可等效的各种波形：直流斩波电路：等效直流波形，SPWM波：等效正弦波形，还可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面积原理。3.3 PWM实现方法PWM信号的产生通常有两种方法：一种是软件的方法；另一种是硬件的方法。硬件方法的实现已有很多文章介绍，这里不做赘述。本文主要介绍利用单片机对PWM信号的软件实现方法。MCS-51系列典型产品8051具有两个定时

38、器T0和T1。通过控制定时器初值T0和T1，从而可以实现从8051的任意输出口输出不同占空比的脉冲波形。由于PWM信号软件实现的核心是单片机内部的定时器，而不同单片机的定时器具有不同的特点，即使是同一台单片机由于选用的晶振不同，选择的定时器工作方式不同，其定时器的定时初值与定时时间的关系也不同。因此，首先必须明确定时器的定时初值与定时时间的关系。如果单片机的时钟频率为f，定时器计数器为N位，则定时器初值与定时时间的关系为:式中，TW定时器定时初值；N一个机器周期的时钟数。N随着机型的不同而不同。在应用中，应根据具体的机型给出相应的值。这样，我们可以通过设定不同的定时初值TW，从而改变占空比D，

39、进而达到控制电机转速的目的。3.4 直流电机的PWM控制技术 由于控制的对象是直流电机，本系统选择了等脉宽PWM法对电机的电压进控制。这样一来，对电机转速的控制就变成了对电枢电压的控制，PWM控制任务就简单的变成了调压，省去了调频的内容。图3.5给出了直流电机PWM控制原理的电路及输出电压波形图。在图中，控制程序设计假定晶体管 V先导通T1秒，这个期间电压Ud全部加到电枢上(如果忽略 V上的管压降)，然后关断 T2秒，这个期间电枢两端电压为零。如此反复，则电枢端的电压波形如图中(b)所示 。电枢两端电压的平均值为: 图3.5直流电机PWM控制原理的电路（a）电枢端的电压波形（b） a为一个周期

40、T中，晶体管V导通时间时间的比率，称为负载率或占空比。变a即可改变电枢两端的电压。使用下面三种方法中的任何一种，即可改变达到调压的目的:(1) T1保持一定，T2变化。(2) T2保持一定，T1变化。 (3) T保持一定，T1变化。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

41、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。3.4.2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

42、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

43、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

44、。3.4.3 SG3525的结构 控制电路以SG3525为核心构成，它采用 恒频脉宽调制控制方案,适合于各种开关电源，斩波器的控制。其内部包含精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器等，并含有欠压锁定电路,闭锁控制电路和软起动电路。SG3525采用16引脚标准DIP封装。其各引脚功能如图3.6所示，内部框图如图3.7所示。 图3.6 SG3525的引脚 图3.7 SG3525的内部结构图 3.4.4 工作原理 SG3525 为频率固定脉宽可调的集成PWM控制器，其内部原理由基准电压Uref、振荡器G 、误差放大器比较器DC 、PWM锁相器、分相器、欠电压锁定器、输出极、软启动及关闭

45、电路等组成 其中：输入电压 Uccl 、 基准电压Uref与输出电压Uccl 可在 8 35V范围变化通常可用 + l5 V. Uref是一AE 个标准三端稳压器，有温度补偿，精度可达 I51 +1)V。它即是内部电路的供电电源，也可为芯片外围电路提供标准电源，输出电流可达40 mA ，有电流保护功能；振荡器G 由一个双门限比较器、一个恒流电源及电容充放电电路构成 。Cr恒流充电，产生一锯齿波电压，锯齿波的峰点电平为3. 3 V ，谷点电平为0.9 V ，锯齿波的上升边对应Cr充电，充电时间 t1(参见图3) 决定于RtCr ；锯齿波下降边对应Cr放电，放电时间t2决定于RdCr。锯齿波频率由

46、下式决定 f= 1(t1+t 2) = 1【Cr0.67 Rt+ 13RRd】 由于双门限比较器门限电平由基准电压分压取得，并且给Cr充电的恒流源对电压及温度变化的稳定性很好，故Uccl在 8 35 V 范围变化时，锯齿波的频率稳定度可达 1；当温度在一55 125 qc范围内变化时，其频率稳定度为3。振荡器G 对应于锯齿波下降进输出一时钟信号(CP 脉冲)，其宽度为t2故调节Rd 即可调节CP 脉冲宽度，由后面的叙述可知，这个CP 脉宽决定了两输出口I、II输出脉冲之问最小的时间间隔，即死区td所以调节Rd就可调节死区td，Ro越大，死区越大。振荡器还设有外同步输入端3脚，在3脚加直流或高于

47、振荡器频率的脉冲信号，可实现对振荡器的外同步；误差放大器AE 其直流开环增量为70dB。同相输入端接基准电压或其分压值，反馈电压信号接反相输入端。根据系统动态、静态特性的要求，可在9 脚和 1脚之间接入适当的反馈电路网络，如比例积分电路等；比较器DC与PWM锁存器误差放大器输出电压U加至比较器DC反相端，振荡器输出的锯齿波电压U + 加于同相端，比较器DC 输出一PW M 信号，该PW M 信号经锁存器锁存，以保证在锯齿被的一个周期内只输出一个PW M 脉冲信号；分相器是一个T 触发器，每输入一个cP 脉冲，则 Q 翻转一次 。所以分相器的输出是一个方波信号，其频率为锯齿波频率的 12。此方波

48、信号加至输出级两组门电路的输入端 B ；当电源电压t 7 V 时，欠电压锁定器输出一高电平，加至输出级门电路的输入端 A ，同时也加到关闭电路的输入端，以封锁输出；输出级两组输出级结构相同，每一组的上侧为“或非”门，下侧为“或”门，有A.B.C.D四个输入端，D端输入PWM脉冲信号。端输入分相器输出的Q (或Q ) 信号，C端输入CP 脉冲信号，A 端输入欠电压锁定信号。设输出信号为 P 和 P，则P =a+b+c+d ,P=A +B+ C + D。P和 P分别驱动输出级上、下个晶体管。两个晶体管组成图腾柱结构，使输出级既可向负载提供电流 又可吸收负载电流 。 设计IGBT工作频率为10 kH

49、Z左右，开关频率高，滤波电感、电容值可以减小，甚至可不用。据此选择、CT在5脚与7 脚之间跨接电阻Rd，以形成死区时间。Cr上形成锯齿波电压 u +的频率为10 kHZ，此锯齿波电压u +加于PWM比较器DC的同相输入端。基准电压+5 V 经 船、RP分压后加于误差放大器AE 的同相输入端,而由输出电压采样电路引来的电压反馈信号加于AE 的反相输入端。设这时AE的输出电压为 U_ ，它加于比较器DC的反相输入端在 U _、 U+、的共同作用下，比较器DC和PWM锁存器输出PWM信号，加于“或非” 或j门的输入端 D。振荡器输出的cP 脉冲加于“或非”(“或”)门的输入端 C。分相器输出的q 、

50、Q 脉冲分别加于两组输出级“或非”(“或”)门的输入端口。设这时SG3525 电源电压正常，欠电压锁定器输出低电平；加于主电路输入端A，于是，对于输出口I，根据P=a+b+c+d 及 P= A+B+C+D 的逻辑关系，获得如图3.4所示的脉冲列，而对于输出口获得图3.4所示的脉冲列。现在，I口(11脚)、II口(14 脚)并联使用。以此脉冲经光隔离、放大后驱动开关器件IGBT ，则电动机M 获得同样波形的端电压 。 SG3524与SG3525的功能特点及软起动功能的比较 对PWM控制芯片SG3524与SG3525的工作性能作了介绍和比较，通过实验得出了SG3525在软起动功能上较SG3524有

51、很大的改进。目前，开关电源越来越广泛地应用于各行各业中，是各种用电设备的重要组成部分。在开关电源的设计过程中，常常使用各种PWM的IC。因此，作为开关电源的设计者，有必要熟悉各种PWM的集成芯片的性能差别。 SG3525在SG3524的基础上，主要作了以下改进。 1）增设欠压锁定电路电路主要作用是当IC输入电压小于8V时，集成块内部电路锁定，停止工作（基准源及必要电路除外），使之消耗电流降至很小（约2mA）。 2）有软起动电路比较器的反相端即软起动控制端脚8可外接软起动电容。该电容由内部5V基准参考电压的50A恒流源充电，使占空比由小到大（50）变化。 3）比较器有两个反相输入端SG3524的

52、误差放大器、电流控制器和关闭控制3个信号共用一个反相输入端，现改为增加一个反相输入端，误差放大器与关闭电路各自送至比较器的反相端。这样，便避免了彼此相互影响，有利于误差放大器和补偿网络工作精度的提高。 4）增加PWM锁存器使关闭作用更可靠比较器（脉冲宽度调制）输出送到PWM锁存器，锁存器由关闭电路置位，由振荡器输出时间脉冲复位。这样，当关闭电路动作，即使过电流信号立即消失，锁存器也可维持一个周期的关闭控制，直到下一个周期时钟信号使锁存器复位为止。 5）振荡器作了较大改进SG3524中的振荡器只有CT及RT两引脚，充电和放电回路是相同的。SG3525的振荡器，除了CT及RT引脚外，增加了放电引脚

53、7、同步引脚3。RT阻值决定对CT充电的内部恒流值，CT的放电则由脚5及脚7之间外接的电阻值RD决定。把充电和放电回路分开，有利于通过RD来调节死区的时间，这是重大的改进。在SG3525中增加了同步引脚3专为外同步用，为多个SG3525的联用提供了方便。 6）输出级作了结构性改进电路结构改为确保其输出电平处于高电平，或低电平状态。另外，为了适应驱动MOSFET的需要，末级采用了推挽式电路，使关断速度更快。 SG3525增加的工作性能在实际应用中具有重要意义。例如，脚8增加的软起动功能，避免了开关电源在开机瞬间的电流冲击，可能造成的末级功率开关管的损坏。3.4.6. LM1413的结构图3.8

54、LM1413的内部接线图3.4.7 LM1413的作用LM1413是一种复合晶体管（达林顿电路）阵列驱动器，增加和耗散功率大，可靠性高。由于SG3525的驱动能力有限，本电路中把SG3525第11，14脚的输出信号经LM1413放大后再驱动IGBT。给定电压封锁去脉冲变压器图 3.9 SG3525和LM1413外围电路接线图第4章 转速调节器和电流调节器的设计4.1 PID调节器的基本原理 在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。常规PID控制系统原理框图如图4.1所示，系统由模拟PID控制器和被控对象组成。图4.1模拟 PID控制原理框图PID控制器是一种线性控制器，它根据给定

55、值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差将偏差的比例(P)，积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。 简单说来，PID控制器各校正环节的作用及对控制效果的影响如下:比例环节:作用快，无滞后，只要一有偏差，立即就能给出相应的调节作用，它能及时克服扰动，使被调参数稳定在给定值附近。加大比例系数可以提高系统对偏差的分辨率，提高系统的调节精度。缺点是对具有自平衡性的控制对象有余差(自平衡性是指系统阶跃响应终值为一有限值)，扰动出现后，比例调节的结果使被调量不能回到给定值，只能恢复到给定值附近。对一带有滞后的系统，叮能产生振荡，动态特性也差。比例系数过大会产

56、生较大的超调，甚至导致系统不稳定:若取值过小，可以减小系统的超调量，增大稳定裕度，但会降低系统的调节精度，使过渡时间延长。积分环节:提高系统的抗干扰能力，消除系统的静态误差，适用于有自平衡性的系统。只要有偏差存在，输出调节信号就不断动作，直到把偏差信号消除。但它有滞后现象，使系统的响应速度变慢，超调量变大，并可能产生振荡。加大积分系数有利于减小系统的静态误差，但过强的积分作用会使超调增大。通常在调节过程的初级阶段，为防止由于某些外部因素以及非线性等影响造成的积分饱和，从而引起整个系统响应过程中有较大的超调量，积分系数应该取得小一些，在响应过程的中期，为避免对动态稳定性造成影响，积分作用应该适中,在过渡过程后期，应该取较大的积分系数以减小系统的静差以提高调节精度，消除系统的稳态误差。微分环节:改善系统的动态特性。它是根据偏差的变化速度来调节的，所以它的输出快，有时尽管偏差很小，只要它的变化速度很快，微分调节就有一个较大的输出。它的速度比比例调节还要迅速，它能给出响应过程提前制动的减速信号，有助于减小超调，克服振荡，使系统趋于稳定;同时加快系统的响应速度，减小调整时间，从而改善了系统的动态性能,缺点是抗干扰能力差。适当选取微分环节，可以减小系统的超调，增加系统的稳定性，但是过大的微分系数会导致响