直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計

1、摘要摘要當今，自動化控制系統(tǒng)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，而直流調(diào)速控制作為電氣傳動的主流在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著主要作用。本文主要研究直流調(diào)速系統(tǒng)，它主要由三部分組成，包括控制部分、功率部分、直流電動機。長期以來，直流電動機因其具有調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速比較靈活、方法簡單、易于大范圍內(nèi)平滑調(diào)速、控制性能好等特點，一直在傳動領(lǐng)域占有統(tǒng)治地位。微機技術(shù)的快速發(fā)展，在控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文對基于微機控制的雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)進行了較深入的研究，從直流調(diào)速系統(tǒng)原理出發(fā)，逐步建立了雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型，用微機硬件和軟件發(fā)展的最新成果，探討一個將微機和電力拖動控制相結(jié)合的新的控制方法，研究

2、工作在對控制對象全面回顧的基礎(chǔ)上，重點對控制部分展開研究，它包括對實現(xiàn)控制所需要的硬件和軟件的探討，控制策略和控制算法的探討等內(nèi)容。在硬件方面充分利用微機外設(shè)接口豐富，運算速度快的特點，采取軟件和硬件相結(jié)合的措施，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制。論文分析了系統(tǒng)工作原理和提高調(diào)速性能的方法，研究了IGBT模塊應(yīng)用中驅(qū)動、吸收、保護控制等關(guān)鍵技術(shù).在微機控制方面，討論了數(shù)字觸發(fā)、數(shù)字測速、數(shù)字PWM調(diào)制器、雙極式H型PWM變換電路、轉(zhuǎn)速與電流控制器的原理,并給出了軟、硬件實現(xiàn)方案。關(guān)鍵詞：直流可逆調(diào)速 數(shù)字觸發(fā) PWM 數(shù)字控制器II目錄目錄摘要I1 引言11.1問題的提出11.2 PWM控

3、制的現(xiàn)狀和分類22 微機控制雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)原理設(shè)計42.1穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性42.3雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能52.4可逆PWM變換器工作原理92.5 PWM控制電路123 系統(tǒng)的仿真143.1建立仿真模型143.2 PWM開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果163.3 PWM雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果18總結(jié)20參考文獻21 1 引言1.1問題的提出為什么我們要研究一種由計算機系統(tǒng)控制的PWM直流控制系統(tǒng)？要回答這個問題，首先我們應(yīng)該系統(tǒng)的論述一下電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀。電動機按電源供應(yīng)方式來分，可以分為兩大類，即直流電動機和交流電動機。兩類電動機在調(diào)速方面存在著很大差異。直流電動

4、機具有良好的起、制動性，適宜在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。即便如此，直流電動機也存在著固有的很多缺點，制約了其應(yīng)用由于直流電動機使用直流電源，它的碳刷和滑環(huán)都要經(jīng)常更換，這樣的拆換工作是費時費力費財?shù)?，無疑會加重使用者的負擔。因此，人們希望簡單可靠低廉的交流電動機也能像直流電動機那樣調(diào)速。定子調(diào)速、變極調(diào)速、滑差調(diào)速和轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和串極調(diào)速等調(diào)速方法應(yīng)運而生，同時，由于技術(shù)的成熟，滑差電動機、繞線式電動機、同步式交流電機等隨即出現(xiàn)，帶來了電機史上的一次飛躍。但是，這些電動機的調(diào)速性能仍然不能與直流電動機相比。直到20世紀80年代，變頻調(diào)速的出現(xiàn)才

5、解決了直流電機調(diào)速性能好卻費時費力的缺點。那么又是什么促成了變頻調(diào)速的產(chǎn)生呢？ 電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展，直接推動了變頻調(diào)速系統(tǒng)的產(chǎn)生。由于變頻調(diào)速具有其他調(diào)速方式所不具有的幾大特點：1） PWM調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡單，需用的功率器件少 2） 開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較小 3） 低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍廣，可達到1:10000左右 4） 如果可以與快速響應(yīng)的電動機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強 5） 功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當開關(guān)頻率適當時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高 6） 直流電源采用不可控整流時，

6、電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高 變頻調(diào)速很快為廣大電動機用戶所接受，成為了一種最受歡迎的調(diào)速方法，在一些中小容量的動態(tài)高性能系統(tǒng)中更是已經(jīng)完全取代了其他調(diào)速方式。由此可見，變頻調(diào)速是非常值得自動化工作者去研究的。在變頻調(diào)速方式中，PWM調(diào)速方式尤為大家所重視，這是我們選取它作為研究對象的重要原因。 而在眾多PWM變換器實現(xiàn)方法中，又以H型PWM變換器更為多見。這種電路具備電流連續(xù)、電動機四象限運行、無摩擦死區(qū)、低速平穩(wěn)性好等優(yōu)點。因此，本次設(shè)計以H型PWM直流控制器為主要研究對象。 要研究PWM調(diào)速方法，不能不提到微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)和微機控制技術(shù)，沒有這些技術(shù)的支持，我們就只能還是在走前人的

7、老路，被模擬、人工控制的思維所禁錮。在電動機轉(zhuǎn)速控制領(lǐng)域，如果不能有效的引用這些技術(shù)，我們很難有所突破，發(fā)現(xiàn)問題，進而有所進步。 微機控制技術(shù)的發(fā)展也就是計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程。它的發(fā)展大體可以分為三個階段：第一個階段是1965年后的實驗階段，自從1952年計算機被應(yīng)用于生產(chǎn)過程中后，它應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域并創(chuàng)造巨大價值的潛力立刻為世人所注意，進而被大面積研究試用起來。1959年，美國得克薩斯州的一家煉油廠成功建成了世界上第一個計算機控制系統(tǒng)，標志著這項技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)開始。第二個階段是1965年到1972年間的實用階段。在這段時間里，計算機控制系統(tǒng)開始從單項工程試驗中邁向?qū)嵱茫⑶业玫搅讼到y(tǒng)的完善

8、。在這一時期，計算機集中控制得到認可。在高度集中控制時，若計算機出現(xiàn)故障，將對整個生產(chǎn)產(chǎn)生嚴重影響。為了應(yīng)對這種負面影響，人們采取了多機并用的方案，促進了計算機控制系統(tǒng)的進一步發(fā)展。第三個階段是從1972年至今，在這個階段才真正出現(xiàn)了微機的概念，以它為核心，衍生出了很多計算機控制系統(tǒng)，如操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)以及分布式控制系統(tǒng)，而隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，計算機控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)小物起大用的效果，既不占空間，又可以同時處理很多生產(chǎn)問題，省時省力，計算機控制技術(shù)走向了成熟。而隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，計算機控制系統(tǒng)開始向網(wǎng)絡(luò)化變遷，相信會有更大的發(fā)展空間。 電力電子技術(shù)作為

9、電源技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支柱性領(lǐng)域，也已經(jīng)經(jīng)過了漫長的發(fā)展歷程。這些技術(shù)如果都能被應(yīng)用到PWM調(diào)速系統(tǒng)的控制當中，勢必會使得調(diào)速系統(tǒng)的性能有一個很大的提升。在調(diào)速技術(shù)走到這個類似瓶頸地步的今天，這種嘗試無疑是一種很有潛力的設(shè)想。 至于系統(tǒng)應(yīng)該如何構(gòu)成，系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果會如何，這些都是很需要探討的問題，那么，這個研究就是很必要的了，也是我寫這篇論文闡述探討結(jié)果的理由。1.2 PWM控制的現(xiàn)狀和分類目前，高頻電壓領(lǐng)域的具體發(fā)展狀況基本情況是這樣的。目前已經(jīng)提到并得到應(yīng)用的PWM控制方案就不下于數(shù)十種，尤其是微處理器應(yīng)用于PWM技術(shù)數(shù)字化后，花樣是不斷翻新，從最初追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁

10、通的正弦；從效率最優(yōu)，轉(zhuǎn)矩脈動最少，再到消除噪音等，PWM控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個不斷創(chuàng)新和不斷完善的過程。目前仍有新的方案不斷提出，這說明該項技術(shù)的研究方興未艾。不少方法已經(jīng)趨向于成熟，并有許多已經(jīng)在實際中得到應(yīng)用。PWM控制技術(shù)一般可分為三大類，即正弦PWM、優(yōu)化PWM及隨機PWM，從實現(xiàn)方法上來看，大致有模擬式和數(shù)字式兩種，而數(shù)字式中又包括硬件、軟件或查表等幾種實現(xiàn)方式，從控制特性來看主要可分為兩種：開環(huán)式（電壓或磁通控制型）和閉環(huán)式（電流或磁控型）。隨著計算機畢業(yè)設(shè)計技術(shù)的不斷進步，數(shù)字化PWM已逐步取代模擬式PWM，成為電力電子裝置共用的核心技術(shù)。交流電機調(diào)速性能的不斷提高在很大程度

11、上是由于PWM技術(shù)的不斷進步。目前廣泛應(yīng)用的是在規(guī)則采樣PWM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的準優(yōu)化PWM法，即三次諧波疊加法和電壓空間矢量PWM法，這兩種方法具有計算簡單、實時控制容易的特點。2 微機控制雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)原理設(shè)計2.1穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，繪出了它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-1所示。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和：輸出達到限幅值；不飽和：輸出未達到限幅值。當調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的關(guān)系，相當于使調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)

12、。當調(diào)節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓U在穩(wěn)態(tài)時總是為零。圖2-1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。（一）速調(diào)節(jié)器不飽和這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零。因此( 21)和( 22)由第一關(guān)系式可得：( 23)從而得到圖2-1靜特性的段。與此同時，由于ASR不飽和， ，從上述第二個關(guān)系式可知：。這就是說，段靜特性從=0 （理想空載狀態(tài)）一直延續(xù)到。而一般都是大于額定電流的，這就是靜特性的運行段。（二）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時，ASR輸出達到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速

13、的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時( 24)式中，最大電流是設(shè)計者選定的，取決于電機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加度（22）所描述的靜特性是圖2-2的A-B段。這樣的下垂特性只適合于n的情況。因為如果 ，則，ASR將退出飽和狀態(tài)圖2-2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時，轉(zhuǎn)負反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當負載電流達后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護。這就是采用了兩個PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流至負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好

14、。然而實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差。2.3雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能動態(tài)數(shù)學模型：考慮到雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)可繪出雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-3所示。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，電機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中必須把電流顯露出來。圖2-3雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖起動過程分析：設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近于理想的起動過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要首先探討它的起動過程。雙閉環(huán)調(diào)速系突加給定電壓由靜止狀態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程如圖2-4所示。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不

15、飽和、飽和、退飽和三個階段，整個過渡過程也就分成三段，在圖中分別以、II、II圖2-4雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)起動時轉(zhuǎn)速和電流波形第I階段0是電流上升的階段。突加給定電壓后，通過兩個調(diào)節(jié)器的控制作用，使、上升，當后，電動機開始轉(zhuǎn)動。由于電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會很快，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓數(shù)值較大，其輸出很快達到限幅值，強迫電流迅速上升。當時，電流調(diào)節(jié)器的作用使不在迅速增長，標志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR由不飽和很快達到飽和，而ACR一般應(yīng)該不飽和以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。第II階段是恒流升速階段。從電流升到開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值（即靜特性上的）為止，屬于恒流升速階段，是起動

16、過程的主要階段。在這個階段中，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于是開環(huán)。系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定（電流可能超也可能不超調(diào)，取決于電流調(diào)節(jié)環(huán)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)），因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長（圖2-4）。與此同時，電動機的反電動勢E也按線性增長。對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，這個反電動勢是一個線性漸增的擾動量，為了克服這個擾動，和也必須基本上按線性增長，才能保持恒定。由于電流調(diào)節(jié)器ACR是PI調(diào)節(jié)器，要使它的輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應(yīng)略低于。此外還應(yīng)指出，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動過程中電流調(diào)節(jié)器是不飽和的。第II

17、I階段以后是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這階段開始時，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓相平衡，輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電機仍在最大電流下加速，必然會使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后，ASR輸入端出現(xiàn)負的偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓即ACR的給定電壓立即從限幅值降下來，主電流也因而下降。但是，由于仍大于負載電流，在一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速任繼續(xù)上升。到時，轉(zhuǎn)矩,則，轉(zhuǎn)速n到達峰值時）。此后。電動機才開始在負載的阻力下減速，與此相應(yīng)，電流也出現(xiàn)一段小于的過程，直到穩(wěn)定。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR與ACR都不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在外環(huán)，ASR處于主導(dǎo)地

18、位，而ACR的作用則是力圖使盡快地跟隨ASR的輸出量，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng).動態(tài)性能和兩個調(diào)節(jié)器的作用：（一）動態(tài)跟隨性能如上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在起動和升速過程中，能夠在電流受電機過載能力約束的條件下，表現(xiàn)出很快的動態(tài)跟隨性能。在減速過程中，由于主電路電流的不可逆性，跟隨性能變差。對于電流內(nèi)環(huán)來說，在設(shè)計調(diào)節(jié)器時應(yīng)該強調(diào)有良好的跟隨性能。（二）動態(tài)抗擾性能1抗負載擾動由圖2-8動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，負載擾動作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來產(chǎn)生抗擾作用。因此，在突加（減）負載時，必然會引起動態(tài)速降（升）。為了減少動態(tài)速降（升），必須在設(shè)計ASR時，要求系統(tǒng)具有較好的抗擾性能

19、指標。對于ACR的設(shè)計來說，只要電流環(huán)具有良好的跟隨性能就可以了。2.電網(wǎng)電壓擾動和負載擾動在系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中作用的位置不同，系統(tǒng)對它的動態(tài)抗擾效果也不一樣。例如圖2-8 a的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，電網(wǎng)電壓擾動和負載電流擾動都作用在被負反饋包圍的前向通道上，僅靜特性而言，系統(tǒng)對它們的抗擾效果是一樣的。但是從動態(tài)性能上看，由于擾動作用的位置不同，還存在著及時調(diào)節(jié)上的差別。負載擾動作用在被調(diào)量n的前面。它的變化經(jīng)積分后就可被轉(zhuǎn)速檢測出來，從而在調(diào)節(jié)器ASR上得到反映。電網(wǎng)電壓擾動的作用點離被調(diào)量更遠，它的波形先要受到電磁慣性的阻撓后影響到電樞電流，再經(jīng)過機電慣性的滯后才能反映到轉(zhuǎn)速上來，等到轉(zhuǎn)速反饋產(chǎn)生

20、調(diào)節(jié)作用，已經(jīng)嫌晚。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)（圖2-5 b），這個問題便大有好轉(zhuǎn)。由于電網(wǎng)電壓擾動被包圍在電流環(huán)之內(nèi)，當電壓波動時，可以通過電流反饋得到及時的調(diào)節(jié)，不必等到影響到轉(zhuǎn)速后，才在系統(tǒng)中起作用。因此，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的動態(tài)速降會比單閉環(huán)系統(tǒng)中小得多。圖2-5脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾性能a)單閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)b)雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)2.4可逆PWM變換器工作原理可逆變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式有H型、T型等多種類型，現(xiàn)在選用常用的H型變換器，它是由4個電力晶體管和4個續(xù)流二極管組成的橋式電路。H型變換器在控制方式上分為雙極式、單極式和受限式三種。本設(shè)計選用雙極

21、式H型PWM變換器。圖3-1繪出了雙極式H型PWM變換器的電路原理圖。4個IGBT選用德國西門康公司生產(chǎn)型號為SKM 50GB123D，二極管選用MOTOROLA公司生產(chǎn)的超快恢復(fù)功率二極管，型號為MUR200 40CT,反向恢復(fù)時間小于50ns.基極驅(qū)動電壓分為兩組。和同時導(dǎo)通和關(guān)斷，其驅(qū)動電壓和；和同時動作，其驅(qū)動電壓= =。它們的波形如圖311所示。在一個開關(guān)周期內(nèi)，當0t 時，和為正，晶體管和飽和導(dǎo)通；而和為負，和截止。這是，加在電樞AB兩端, =,電樞電流沿回路1流通。t T時，和變負，和截止；、變正，但、并不能立即導(dǎo)通，因為在電樞電感釋放儲能的作用下，di沿回路2經(jīng)、續(xù)流，、上的壓

22、降使、極承受反壓，這時，=。在一個周期內(nèi)正負相間，這是雙極式PWM變換器的特征。圖2-6雙極式H型PWM變換器電路由于電壓的正、負變化，使電流波形存在兩種情況，如圖2-6中的和。相當于電動機負載較重的情況，這是平均負載電流大，在連續(xù)階段電流仍維持正方向，電機始終工作在第一象限的電動狀態(tài)。相當于負載很輕的情況，平均電流小，在續(xù)流階段電流很快衰減到零，于是和極兩端失去反壓，在負的電源電壓（-）和電樞反電動勢的合成作用下導(dǎo)通，電樞電流反向，沿回路3流通，電機處于制動狀態(tài)。與此相仿，在0t 期間，當負載輕時，電流也有一次倒向。雙極式PWM變換器的可逆要視正、負脈沖電壓的寬窄而定。當正脈沖較寬時，則電樞

23、兩端的平均電壓為正，在電動運行時電動機正轉(zhuǎn)。當正脈沖較窄時，平均電壓為負，電動機反轉(zhuǎn)。如果正、負脈沖寬度相等，平均電壓為零，則電動機停止。圖2-7雙極式PWM變換器電壓和電流波形雙極式可逆PWM變換器電樞平均端電壓為：( 25)以=定義PWM電壓的占空比，則=( 26)的變化范圍為。當為正值時，電動機正轉(zhuǎn)；為負值時，電動機反轉(zhuǎn)。這個交變電流平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，陡然增大電機的損耗。但它的好處是使電機帶有高頻的微振，起著所謂“動力潤滑”的作用，消除正、反向的靜摩擦死區(qū)。雙極式PWM變換器的優(yōu)點如下：（1）電流一定是連續(xù)的；（2）可使電動機在四象限運行；（3）電機停止時有微振電流，能消除靜摩

24、擦死區(qū)；（4）低速時，每個晶體管的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導(dǎo)通；（5）低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍可達20000左右。2.5 PWM控制電路經(jīng)典的模擬控制電路主要由PWM電路、延時電路和驅(qū)動電路組成。而PWM發(fā)生電路是采用三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波放大后與一路可調(diào)直流電壓（電流調(diào)節(jié)器輸出的） 進行比較，則電壓比較器輸出的是一系列方波信號。如果改變 的大小, 那么方波脈沖寬度將會改變, 從而達到脈寬調(diào)制的目的。其基本電路結(jié)構(gòu)和調(diào)制原理如圖3-3。脈寬調(diào)制信號的質(zhì)量，對于PWM 調(diào)速系統(tǒng)是十分重要的。然而它的質(zhì)量主要取決于三角波信號的質(zhì)量。如果三角波的線性度不好，那么PWM 的輸出將得不到對稱

25、的波形。這對調(diào)速系統(tǒng)來說，將大大地降低系統(tǒng)的性能，出現(xiàn)正反轉(zhuǎn)不平衡。 圖2-8 PWM基本電路結(jié)構(gòu)和調(diào)制原理脈寬調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)機械特性：在穩(wěn)態(tài)情況下，脈寬調(diào)速系統(tǒng)中電動機所承受的電壓仍為脈沖電壓，因此盡管有高頻電感的平波作用，電樞電流和轉(zhuǎn)速還是脈動的。所謂穩(wěn)態(tài)，只是指電機的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，電樞電流實際上是周期變化的，只能是算作“準穩(wěn)態(tài)”。脈寬調(diào)速系統(tǒng)在準穩(wěn)態(tài)下的機械特性是平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩（電流）的關(guān)系。在雙極式可逆PWM電路中，具有反向電流通路，在同一轉(zhuǎn)向下電流可正可負，無論是重載還是輕載，電流波形都是連續(xù)的，這就使機械特性的關(guān)系式簡單得多，對于雙極式可逆電路，其電壓方程

26、為： ( 27) ( 28)如上兩式所示，一個周期內(nèi)電樞兩端的平均電壓都是，平均電流用表示，平均電磁轉(zhuǎn)矩為，而電樞回路電感電壓的平均值為零。于是，上式平均值方程都可寫成( 29)則機械特性方程式為( 210)或用轉(zhuǎn)矩表示( 211)其中理想空載轉(zhuǎn)速，與占空比成正比。圖34繪出了第一、第二象限的機械特性，它適用于帶制動作用的不可逆電路。可逆電路的機械特性與此相仿，只是擴展到第三、第四象限而已。圖29脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機械特性脈寬調(diào)制器和PWM變換器的傳遞函數(shù)：根據(jù)其工作原理，當控制電壓CU改變時，PWM變換器的輸出電壓要到下一個周期方能改變。因此，脈寬調(diào)制器和PWM變換器合起來可以看成一個滯后環(huán)節(jié)，

27、它的延時最大不超過一個開關(guān)周期T。則，當整個系統(tǒng)開環(huán)頻率特性截至頻率滿足下式時( 212)可將滯后環(huán)節(jié)近似看成一階慣性環(huán)節(jié)。因此，脈寬調(diào)制器和PWM變換器的傳遞函數(shù)可近似看成( 213)式中為寬調(diào)制器和PWM變換器的放大系數(shù)；為PWM變換器的輸出電壓；為脈寬調(diào)制器的控制電壓。3 系統(tǒng)的仿真3.1建立仿真模型(1)打開MATLAB中的Simulink工具箱，將所需模塊拖入模型編輯窗口并將其相連。(2)將設(shè)計的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)輸入各個模塊，運行調(diào)試功能，如果無誤后就可以運行系統(tǒng)。(3)運行后便可通過模擬示波器觀察波形。1 PWM發(fā)生器防真模型如圖3-1示圖3-1PWM發(fā)生器防真模型2H橋PWM開

28、環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型如圖3-2所示圖3-2 PWM開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型3H橋PWM雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型如圖3-3所示圖3-3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型3.2 PWM開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果在如圖3-4所示的轉(zhuǎn)速給定條件下，可以得到H橋PWM開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電樞電流，電樞電壓，電磁轉(zhuǎn)矩，輸出轉(zhuǎn)速的仿真圖。圖3-4轉(zhuǎn)速給定圖3-5開環(huán)系統(tǒng)電樞電流仿真圖如圖3-5所示：在T=0時，轉(zhuǎn)速給定=8，電樞電流=20，隨著轉(zhuǎn)速的上升，電樞電流開始下降，當T=1時，系統(tǒng)穩(wěn)定，電樞電流=6也保持一穩(wěn)定值。當T=2時，轉(zhuǎn)速給定=-8，電樞電流也反向達到最大，然后電樞電流的變化過程和正向給定一樣。圖3-6開環(huán)系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩仿真

29、圖如圖3-6所以：因為電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電流有關(guān)，所以它的變化過程和電樞電流一模一樣。圖3-7開環(huán)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速仿真圖如圖3-7所示：T=0時，在轉(zhuǎn)速給定=8的條件下，轉(zhuǎn)速N=0開始加速上升。當T=1時，電樞電流達到穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速加速度也等于零，轉(zhuǎn)速也達到最大N=1750,系統(tǒng)穩(wěn)定。當T=2時，隨著轉(zhuǎn)速給定=-8反向，轉(zhuǎn)速開始加速下降，并在很短的時間里下降到零。緊接著轉(zhuǎn)速開始反向加速，然后和正向起動是一樣的過程。3.3 PWM雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果同樣在如圖5-1所示的轉(zhuǎn)速給定下。我們可以用H橋PWM雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型得到閉環(huán)系統(tǒng)的電樞電流，電樞電壓，電磁轉(zhuǎn)矩，和輸出轉(zhuǎn)速的仿真圖。圖3-8雙閉環(huán)系

30、統(tǒng)電樞電流仿真圖如圖3-8所示：因為雙閉環(huán)系統(tǒng)有電流負反饋，所以電樞電流理論上基本保持一樣。只是在不同的轉(zhuǎn)速給定下大小和方向不同。比如在轉(zhuǎn)速給定是正值時，它也是正值。反之它就是負值。圖3-9雙閉環(huán)系統(tǒng)PWM輸出波形圖3-10閉環(huán)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速仿真圖總結(jié)本文對電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流可逆PWM調(diào)速系統(tǒng)進行了較深入的研究，從直流調(diào)速系統(tǒng)原理出發(fā)，逐步建立了雙閉環(huán)直流可逆PWM調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學模型并對電流控制器與轉(zhuǎn)速控制器的設(shè)計進行了探討，然后在微機實現(xiàn)上討論了數(shù)字觸發(fā)、數(shù)字測速、轉(zhuǎn)速與電流控制器的原理并給出了軟件、硬件實現(xiàn)方案。現(xiàn)代電機控制的發(fā)展，一方面要求提高性能、降低損耗、減少成本，另一方面又不斷地有

31、技術(shù)指標及其苛刻特殊應(yīng)用系統(tǒng)要求。隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)地飛速發(fā)展，以及控制理論地完善、仿真工具地日漸成熟，給電機控制行業(yè)帶來了很多機遇和反展契機。使用高性能的微機解決電機控制器不斷增加的計算量和速度要求，使其功能強大、維修方便、適用范圍廣又非常經(jīng)濟。雖然，在研究的過程中克服了很多困難，解決了不少問題，提出創(chuàng)新思路，但由于研究環(huán)境的限制，本研究只是處于初級階段。它將是一個有益而大膽的探索，為以后的研究工作開了一個好頭，相信將來會有很多成果出現(xiàn)。限于篇幅，本文未涉及以下幾個方面的內(nèi)容：1電動機負載較輕時電流斷續(xù)時可采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)器。2自動控制理論中的復(fù)雜推導(dǎo)。3額定轉(zhuǎn)速以上的弱

32、磁調(diào)速系統(tǒng)。4典型系統(tǒng)的介紹。5系統(tǒng)參數(shù)、電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器的定量計算。通過對你課題的研究我有以下幾個方面的收獲：1學習與掌握了微機的基本原理及其各種應(yīng)用，對它的各種硬件接口與軟件方法有了較深入的認識和了解。2對開關(guān)電源的工作原理和設(shè)計方法有了較深入的了解。3對自動控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能及其控制有一定的認識。5掌握了不少軟件的應(yīng)用如PROTEL、SPICE、MATLAB、VISIO、匯編語言等。參考文獻1李仁定.電機的微機控制.北京：機械工業(yè)出版社，19992陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社，20003莫正康.電力電子應(yīng)用技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，20014高鵬，安濤，

33、寇懷誠等.Protel 99入門與提高.北京：人民郵電出版社，20045李發(fā)海，王巖.電機與拖動基礎(chǔ).第二版.北京：清華大學出版社，20016王曉明電動機的單片機控制.第一版.北京：北京航空航天大學出版社，20027王福永.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計.蘇州絲綢工學院學報.2001(10):VOL.21NO.5 35398張世銘，王振和.直流調(diào)速系統(tǒng).武漢：華中理工大學出版社，19939王可恕.IGBT的柵極驅(qū)動.國外電子元器件，199610吳雄.絕緣柵雙極晶體管（IGBT）及其應(yīng)用.電子與自動化，199411阮新波，嚴仰光.一種適用于IGBT,MOSFET的驅(qū)動電路.電力電子技術(shù)，199

34、6（4）12丁道宏.電力電子技術(shù).北京：航空工業(yè)出版社，199913廖曉鐘.電力電子技術(shù)與電氣傳動.北京：北京理工大學出版社，200014H.Grob J.Hamann G.Wiegartner德（著），熊其求（譯）自動化技術(shù)中的進給電氣傳動機械工業(yè)出版社，200215喬忠良.全數(shù)字直流調(diào)速裝置及工程應(yīng)用.太原理工大學學報，200016王馨、陳康寧.機械工程控制基礎(chǔ).西安：西安交通大學出版社，199217韋惟.智能控制技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，200118顧德英，張海濤，王鐵.神經(jīng)元調(diào)節(jié)器在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用.遼寧：遼工程技術(shù)大學學報，2002年2月19卷第一期19胡壽松.自動控制原理.長沙：國防科技大學出版社，199520王離九，黃錦恩。晶體管脈寬直流