直流电机PWM控制系统设计

0 前言
在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用，无论在工业农业生产、交通运输、国防航空航天、医疗卫生、商务与办公设备，还是在日常生活中的家用电器，都在大量地使用着各式各样的电动机。

据资料统计，现在有的90%以上的动力源来自于电动机，电动机与人们的生活息息相关，密不可分。

随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机控制向更复杂的控制发展。

直流电动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。

直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。

直流电机的数字控制是直流电动机控制的发展趋势，用单片机的数字控制的发展趋势,用单片机进行控制是实现电动机数字控制的最常用的手段。

由于电网相控变流器供电的直流电机调速系统能够引起电网波形畸变、降低电网功率因数，除此之外，该系统还有体积大、价格高、电压电流脉动频率低、有噪声等缺点。

而采用直流电动机的PWM调速控制系统可以克服电网相控调速系统的上述诸多缺点。

电动机的控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、电动控制技术、微机应用技术的最新发展成果。

正是这些技术的进步使电机控制技术在近20多年内发生了翻天覆地的变化，其中电动机的控制部分已由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字和模拟的混合控制系统和纯数字控制的应用，并曾向全数字化控制方向快速发展。

电动机的驱动部分所用的功率器件经历了几次更新换代，目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流。

功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动控制方法能够得到实现，脉宽调制控制方法（PWM和SPWM）,变频技术在直流调速和交流调速中获得广泛的应用。

最近几年来，由于直流电机的优秀性能，在众多场合得以应用，所以直流电机的调速方法的研究也逐渐热化。

现在研究方面有很多，例如240KVA时间分割PWM直流调速；采用一种以大功率IGBT模块作主功率开关器件,采用SG3525集成PWM控制器为核心控制器,EXB841作为驱动模块的高效集成化的直流调速系统；基于ARM的PWM直流调速；全数字化双闭环可逆直流PWM调速；新型PWM直流调速及DC／DC电源技术；基于单片机（PIC AVR）的直流PWM电机控制以及和永磁伺服直流电机配套的PWM调速系统等等各种直流调
速装置系统。

随着微电子技术和计算机技术的发展及单片机的广泛应用，使调速装置向集成化、小型化和智能化方向发展。

直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于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中得到了广泛的应用。

从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。

早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。

随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。

采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率，可以实现复杂的控制，控制灵活性和适应性好，无零点漂移，控制精密高，可提供人机界面，多机联网工作。

采用智能功率电路驱动比传统的分立功率器件组成的驱动体积小，功能强；减少了电路元器件数量，提高了系统的可靠性；控制电路哈尔功率电路集成在一起，使监控更容易实现；集成化使电路的连线减少，减少了布线电容和电感以及信号传输的延时，增加了系统抗干扰的能力；集成化使系统成本大大降低。

1 调速原理介绍
本章简单的介绍了直流电机的调速原理以及调速的各种性能指标，重点介绍了PWM 直流调速的原理、电流调节器和速度调节器的工程设计方法以及数字调节器的实现方法。

1.1 直流电动机的调速方法
按励磁方式的不同，直流电机可分为他励、并励、串励和复励电机四种。

图1-1所示为直流电动机的物理模型。

定子励磁绕组通过直流电流I f 时产生励磁磁势F f 和主磁通。

电
枢绕组通过电枢电流I a ，则产生电枢反应磁势F a 。

由于直流屯机的电刷在几何中线AB 上，
因此励磁磁势F f 与电枢反应磁势F a 正交。

通常直流电机在其主磁极上加有补偿绕组，电枢
反应磁势对主磁通没有影响。

直流电机电枢绕组中的电流I 。

与定子主磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，电枢因而转动.直流电机的电磁转矩的大小常用下式表示:
e m a T K I =Φ （1-1）
式中，T e --电动机的电磁转矩，单位为N·m ；
Φ--励磁磁通，单位为Wb ；
I a --电枢电流，单位为A ；
K m --由电机结构决定的转矩常数。

图1-1 直流电动机的物理模型
Fig .1-1 Physical model of DC motor
以上分析表明，直流电动机电磁转矩中的两个可控参量Φ和I a 是相互独立的，可以非
常方便地分别调节，这种机理使直流电动机具有良好的转矩控制特性，从而有优良的转速调节性能。

由直流电动机的转速特性知道，直流电动机的转速和其他参量的关系可用下式表示： a e U I R n K -=Φ
（1-2） 式中，n--电动机转速，单位为，r / min ；
U--电枢供电电压，单位为v ；
R--电枢回路总电阻，R=R a +R ad 单位为n ；
Ke--由电机结构决定的电势常数，K m =9.55K e
在式（1-2）中,K e 为常数，I a 的大小取决于负载转矩，因此可知，直流电动机的调速方法
有三种:
1)改变电枢电压U 进行调速
改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，机械特性如图1-2所示，从电动
机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法.对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。

I a 变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流
电源。

这种方法有如下性能：可以实现无级调速；n ＜n N ；机械特性硬；恒转矩调速；可以
利用调压方法启动设备。

图1-2 改变电枢电压调速机械特性
Fig .1-2 The mechanical properties of changing armature voltage
2)改变电动机主磁通
改变励磁电流的大小便可以改变刺痛的大小，从而达到调速的目的。

改变励磁电流调
速的系统机械特性如图1-3所示。

改变磁通调速的特性：可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通，系统特性软，从电动机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。

I
变化时遇到
f
变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。

的时间常数同I
a
图1-3 改变励磁电流即改变主磁通调速电机机械特性
Fig. 1-3 The mechanical properties of changing the excitation current
3)改变电枢回路电阻R
在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。

其机械特性如图1-4所示。

但是只能有级调速，调速平滑性差，机械特性较软，Rad越大特性越软，空载时几乎没什么调速作用，在调速电阻上消耗大电
图1-4改变电枢电阻调速的机械特性
Fig .1-4 The mechanical properties of changing the armature resistance 综上所述，对于一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式最佳。

因为改变电阻只能有级调速，而调节磁通范围很小，不然将造成飞车事故。

所以直流调速一变压调速为主。

本次设计也正是采用了改变电动机两端电压U的调速方法。

变电枢电压可通过多种途径实现，如晶闸管供电速度控制系统、大功率晶体管速度控
制系统、直流发电机供电速度控制系统及晶体管直流脉宽调速系旋转变流机组。

1.2 直流调速系统中可控直流电源介绍
改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压或者改变励磁
磁通，无论是哪种方法都需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种:
1)旋转变流机组。

用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。

2)静止可控整流器。

用静止的可控整流器，如汞孤整流器和晶闸管整流装置，产生可
调的直流电压。

3)直流斩波器或脉宽调制变换器。

用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用直流斩
波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。

第一种方法在20世纪50年代曾广泛地使用，至今在尚未进行设备更新的地方仍然使用
这种系统。

这种系统体积大、效率低、安装需打地基、运行有噪音、维护不方便。

为了克
服这些缺点，在20世纪50年代开始采用静止变流装置来代替旋转变流机组，即上文的第二
种方法，直流调速系统进入了由静止变流装置供电的时代。

晶闸管问世以来，变流技术出
现了根本性的变革。

目前，采用晶闸管整流供电的直流电动机调速系统(即晶闸管一电动
机调逮系统，简称V-M系统，又称静止的Ward-Leonard系统)己经成为直流调速系统的主要
形式。

虽然该系统有很多的优秀性能但是它也有它的缺点：
a)晶闸管一般是单向导电元件，晶闸管整流器的电流是不允许反向的，这给电动机实
现可逆运行造成困难。

b)晶闸管元件对于过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt十分敏感，其中任一指标超
过允许值都可能在很短时间内使元件损坏。

c)晶闸管的控制原理决定了只能滞后触发，因此晶闸管可控整流器对交流电源来说相
当于一个感性负载，吸取滞后的无功电流，因此功率因数低。

d)晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，而且脉波数总是有限的，如果主电路电感不
是非常大，则输出电流总存在连续和断续两种情况，因而机械特性也有连续和断续两段，
连续段特性比较硬，基本上还是直线;断续段特性则很软，而且呈现出显著的非线性。

以上两种方法逐渐将被淘汰，现在研究的热点就是第三种方法，利用直流斩波器或脉
宽调制变换器控制系统电压。

下面就详细的介绍下改系统的工作原理和方式。

直流斩波器又称直流调压器，是利用开关器件来实现通断控制，将直流电源电压断续
加到负载上，通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值，将固定电压的直流
电源变成平均值可调的直流电源，亦称直流一直流变换器.它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点，现广泛应用于地铁、电力机车、城市无轨电车以及电瓶搬运车等电力牵引设备的变速拖动中。

图1-5为直流斩波器的原理电路和输出电压波形，图中VT 代表开关器件。

当开关VT 接通时，电源电压U 。

加到电动机上：当VT 断开时，直流电源与电动机断开，电动机电枢端电压为零。

如此反复，得电枢端电压波形如图1-5(b)所示。

这样，电动机电枢端电压的平均值为: s s on d U U T t U α==
（1-3） 式中， T --开关器件的通断周期；
T on —开关器件的导通时间；
α--占空比， f t T
t on on ==α，其中f 为开关频率。

图1-5直流斩波器电路和输出电压波形
Fig .1-5 DC chopper circuit and output voltage wave
由式(1-3)可知，直流斩波器的输出电压平均值Ud 可以通过改变占空比即通过改变开关器件导通和(或)关断时间来调节，常用的改变输出平均电压的调制方法有以下三种:
1)脉冲宽度调制(pulse width modulation ，简称PWM)。

开关器件的通断周期T 保持不变，只改变器件每次导通的时间t on ，也就是脉冲周期不变，只改变脉冲的宽度，即定频调宽，称为脉冲调宽。

2)脉冲频率调制(pulse frequency modulation ，简称PFM )。

开关器件每次导通的时间t on ，
不变，只改变通断周期T 或开关频率f ，也就是只改变开关的关断时间，即定宽调频，称为调频.
3)两点式控制。

开关器件的通断周期T 和导通时间t on ,，均可变，即调宽调频，亦可称为混合调制。

当负载电流或电压低于某一最小值时，使开关器件导通；当电流或电压高于某一最大值时，使开关器件关断。

导通和关断的时间以及通断周期都是不确定的。

构成直流斩波器的开关器件过去用得较多的是普通晶闸管和逆导晶闸管，它们本身没有自关断能力，必须有附加的强迫关断电路，增加了装置的体积和复杂性，增加了损耗，而且由它们组成的斩波器开关频率低，输出电流脉动较大，调速范围有限。

自20世纪70年代以来，电力电子器件迅速发展，研制并生产出多种既能控制其导通又能控制其关断的全控型器件，如门极可关断晶闸管(GTO),电力晶体管(GTR)、电力场效应管(P-MOSFET)、绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)等，这些全控型器件性能优良，由它们构成的脉宽调制直流调速系统(简称PWM 调速系统)。

1.3 PWM 调速基本原理
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方法。

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”来改变平均压的大小，从而控制电动机的转速。

其调速原理如图1-6所示。

通过改变占空比来改变电机电枢电压，电枢电压为其平均值:
U =121d T U T T +=1T T d U =αd U (1-4)
式中α=121
T T T + α 为一个周期T 中,功率开关1U 导通时间的比率,称为负载率或占空比。

改变占空比有三种方法：
(1)定宽调频法:1T 保持不变,使2T 在0—∞范围变化;
(2)调宽频法: 2T 保持不变,使1T 在0—∞范围变化;
(3)定频调宽法:21T T + 保持不变,使1T 在0—∞范围变化。

图1-6 脉宽调速系统原理图
Fig1-6 .The system priciple for pulse width speeding 设电机永远通电时，其最大转速时V max ，设站空比T t D 1=,则电机的平均转速时V d ，D V V d ⨯=m ax ，平均速度与占空比D 的关系如图1-7所示：
图1-7平均速度与占空比的关系
Fig.1-7 The relation between average speed and occupy empty ratio
严格地讲，平均速度 V d 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。

1.4 PWM 变换器的工作原理
电机转动方向主要就靠PWM 变换器来实现的，下面就简单的介绍可逆PWM 变换器的基本原理和工作特性。

在本设计中，我选用PWM 调速系统，PWM 变换器有不可逆和可逆两类，可逆变换器又有双极性、单极性和受限单极式等多种电路。

下面介绍可逆的工作原理和特性。

1）桥式可逆PWM 变换器
桥式可逆PWM 变换器主电路有多种形式，最常用的是H 型桥式,其电路原理图如图1-8所示。

这时，电动机M 两端电压U AB 的极性随开关器件驱动电压极性的变化而改变，其控制方
式有双极式、单极式、受限单极式等多种方式。

在一个开关周期中，当on t t ≤≤0时，1g U 和2g U 为正，晶体管1VT 和4VT 导通；而3g U 和4g U 为负，2VT 和3VT 截止。

当T t t on ≤≤时，1g U 和4g U 变负，2g U 和3g U 变正。

电机两端电压在一个周期内正负相间，这是双极式PWM 变换器的特征。

图1-8 桥式可逆桥式可逆PWM 变换器
Fig.1 -8 reversible bridge reversible bridge PWM converter
2）单极式控制的可逆桥式可逆PWM 变换器
单极式控制的可逆桥式可逆PWM 变换器的电路和双极式的可逆桥式可逆PWM 变换器一样，如图1-8所示，但开关元件的驱动信号不同。

其控制方法是：控制电压U c >0时，VT 1、VT 2交替轮流导通或截止，VT 3始终截止，VT 4始终导通，电动机正转。

当U c <0时，U g1与U g2对换（即原来VT 1的驱动信号U g1 施加于VT 2，原来VT 2的驱动信号U g2 施加于VT 1，以下仿此），
U g3与U g4对换，电动机反转。

当U c =0时，电动机停止。

改变U c ，即可改变U g1、U g2正脉冲宽度
t 1，从而改变电动机转速。

Fig. 1 -9 when U c>0 H unipolar PWM converter work
图1-10 U c<0时H型单极式PWM变换器的工作情况
Fig.1-10 when U c<0 H unipolar PWM converter work
(1)当控制电压U c>0时，H型单极式PWM变换器的工作情况如下：当负载较轻时，在电压、
电流波形图1-9中，一个工作周期T 内可分成Ⅰ～Ⅳ四个区间。

(2) 当U c <0时，电动机反转。

工作情况与上述U c >0时相似。

若负载较重，则电压电流波形均横轴以下，一个工作周期有Ⅰ、Ⅱ两个区间，如上图1-9所示。

(3) 当U c =0时，U g1、U g2的正脉冲宽度t 1=0，i d =0，电动机静止不动。

从以上分析可知，这种电路得到的电枢电压波形是单极式的，故称为H 型单极式PWM 变换器，它所产生的电枢脉冲电压u d 的频率与每个开关管的开关频率相同，所以也称为H 型单极式同频PWM 变换器。

H 型PWM 变换器还包括H 型单极式倍频PWM 变换器、H 型单极式受限PWM 变换器等，在这里就不做过多的叙述了。

1.5 转速控制的要求和调速指标
在一般意义上，对调速系统转速控制要求大致有以下三个方面:
1）调速——在一定的最高转速和最低转速的范围内，分档地(有级)或平滑地(级)调节转速。

2）稳速——以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种可能的干扰下(如负载变化、电源电压波动等)，不允许有较大的转速波动，以确保产品质量。

3）加、减速——频繁起、制动的设备要求尽量快地加、减速以提高生产率；不易经受剧烈变化的机械则要求起、制动尽量平稳。

能否满足以上几个方面的要求反映了调速性能的好坏，可以用调速性能指标来定量衡量。

对于1、2两点的要求，是系统在稳态运行时的性能要求，对于第3点的要求则是系统在动态调节过程中的要求，所以可以定义稳态性能指标及动态性能指标两大类指标，以此作为设计系统时的依据和用户选用系统时的要求。

1.5.1 调速系统稳态性能指标
调速系统稳态运行时的性能指标称为稳态性能指标，它有调速范围D 和静差率，两个指标。

1） 调速范围
生产机械要求电动机提供的最高转速max n 和最低转速min n 之比叫做调速范围，用
字母D 表示。

即
nin
n n D max
（1-5）
其中max n 和nin n 。

一般都指电机额定负载时的转速，对于少数轻载的机械，也可以用实际负载时的转速。

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负载时所对应的转速降落。

与理想max n ∆空载转速n 0之比，称作静差率s ，用百分函数表示为: %1000
max
⨯∆=
n n s （1-6） 显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化的情况下转速的稳定度，并且调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提时才‘有实际意义。

一个调速系统的调速范围，是指在最低转速时还能满足静差率要求下的转速可调范围。

调压调速系统中调速范围、静差率与额定速降之间有以下关系。

在直流电动机调压调速中，常以电动机额定转速
N n 为最高转速，若在额定负载时转
速降为N n ∆则该系统的静差率应该是最低转速时的静差率，即
0min
N n s n ∆=
（1-7） 于是s
n s n s n n n n N
N x x ∆-=
∆-∆=
∆-=)1(m in 0m in 而调速范围为：
max min min
N n n D n n ==
（1-8）
将
min n 代入上式得
(1)
N N n s D n s =
∆- （1-9） 对于同一调速系统，它的特性硬度或N n ∆值是一定的，因此，由上式(1-9)可见，如果对静差率的要求越严，也就是说要求
s 越小时，系统能够允许的调速范围也越小。

1.5.2 调速系统动态性能指标
控制系统的动态性能指标可分为跟随性能指标和抗扰性能指标两类。

1）跟随性能指标 a)上升时间t r
在典型阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值c
∞所经过的时间。

b)超调量σ
输出量超出稳态值的最大偏差与稳态值之比 max 100%c c c σ∞∞
-=⨯ （1-10）
c)调节时间t s
响应曲线到达并不再超出允许误差带所需要的最短时间,允许误差带(100%±5%～2%) 稳态值。

2）抗扰性能指标 a)动态降落max %c ∆
最大动态降落max c ∆与原稳态值c
∞之比。

b)恢复时间t v
从阶跃扰动开始，到响应曲线到达并不再超出允许误差带所需的最短时间间隔段称之为恢复时间。

1.6数字PI 调节器
PI 调节器是电力拖动自动控制系统中最常用的一种控制器。

再微机数字控制系统中当采样频率足够高十，可以先按模拟系统的设计方法设计调节器，然后再离散，就得到数字控制器的算法，这就是模拟调节器的数字化。

PI 调节器的控制方法：设PI 调节器的输出量为()y t ，输入量为()e t 调节器的比例系数数为p k ，积分时间为i T ，可以列出PI 调节器的积分方程。

⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡+
=⎰t
i
p dt t e T t e k t y 0
)(1)()( （1-11）对上式离散化后，可得第(1)k -次和第k 次采样时刻调节器的输出：
1
()k
k p k S n i y k e e n T T =⎡⎤
=+
⎢⎥⎣⎦∑
（1-12）
1
10
1
()k k p k S n i y k e e n T T --=⎡⎤
=+
⎢⎥⎣
⎦
∑
（1-13）
式中 ，S T —调节器的采样周期。

采用增量式算法由式（1-12）和式（1-13）可得两个时刻间的调节器输出增量k y ∆为：
1k k k y y y -∆=- []1p k k p k
i
Ts
k e e
k
e T -=-+ （1-14） 从而得到 1()k k p k I k y y k e K e -=+∆+。

这就是PI 控制算法的数字化形式，也就是数字化PI 调节器的表达式。

式中:
k y ——PI 调节器的第k 次输出值； 1k y -——PI 调节器的第1k -次输出值；
k e ——第k 次采样时给定量与反馈量之间的偏差； I K ——积分系数，I i
Ts K T =
； 在微机控制系统中;按式（1-14）编程可实现数字化的PI 调节功能使系统获得良好的静态与动态性能。

式中的I K 和p K 等系数一般需要在系统调试中加以修正，才能使系统获得满意的结果。

2. 方案论证和确定
我们知道，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I
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dcr
的动态波形。

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。

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。

2.1 转速、电流双闭环调速系统原理
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2－1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。

图2－1 双闭环直流调速系统结构框图
Fig.2-1 double-loop DC converter system architecture block diagram。