桥式PWM逆变直流电动机控制

课程设计报告
课程设计名称：桥式PWM逆变电动机控制仿真
院系班级：机电工程学院机电一班
姓名：吴增昊
目录
第一部分：课程设计介绍 (3)
H桥式可逆PWM变换器的工作原理： (3)
第二部分：电路设计 (4)
第三部分：参数设置和调节器设计 (5)
调节器参数计算： (5)
电流调节器参数计算 (5)
转速调节器参数计算 (6)
最终的调节器计算结果如下 (7)
第四部分：输出结果 (7)
第五部分：结果分析 (10)
第一部分：课程设计介绍
可逆轧机，龙门刨床等生产机械要求运动控制系统能够快速的正、反转，以及提高产量及质量；开卷机，卷取机等虽然不要求正反转运行，却需要快速制动。

将上述生产工艺要求归纳成运动控制系统的性能，就是电动机转矩还需要产生制动转矩，实现生产机械快速的减速，停车与正，反向运行的功能。

H桥式可逆PWM变换器的工作原理：
PWM控制的示意图如图1所示:可控开关S以一定的时间间隔重复地接通和断开，当S接通时，供电电源Us通过开关S施加到电动机两端，电源向电机提供能量，电动机储能：当开关S断开时，中断了供电电源Us向电动机电流继续流通。

图1：PWM控制示意图
这样，电动机得到的电压平均值Uas为：
Uas=ton·Us/T=aUs
在系统主电路部分，采用的是大功率GTR为开关元件、H桥电路为功率放大电路所构成的电路结构，如图2所示。

图中，四只GTR分为两组，VT1和VT4为一组，VT2和VT3为另一组。

同一组中的两只GTR同时导通，同时关断，且两组晶体管之间可以是交替的导通和关断。

脉宽调制器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定宽度可变的脉冲电压序列，从而平均输出电压的大小，以调节电机转速。

图2：H桥式可逆PWM变换器
正向运行（如图a ）所示:
第1阶段，在0≤t ≤ton 期间，Ub1、Ub4为正，VT1、VT4导通，Ub2、Ub3为负，VT2、VT3截止，电流id 沿回路1流通，电动机M 两端电压UAB=+Us ；
第2阶段，在ton ≤t ≤T 期间，Ub1、Ub4为负，VT1、VT4截止，VD2、VD3续流，并使VT2、VT3保持截止，电流id 沿回路2流通，电动机M 两端电压UAB=-Us;
反向运行（如图b ）所示：
第1阶段，在0≤t ≤ton 期间，Ub2、Ub3为负，VT2、VT3截止，VD1、VD4续流，并使VT1、VT4截止，电流-id 沿回路4流通，电动机M 两端电压UAB=+Us;
第2阶段，在ton ≤t ≤T 期间，Ub2、Ub3为正，VT2、VT3导通，Ub1、Ub4为负，使VT1、VT4保持截止，电流-id 沿回路3流通，电动机M 两端电压UAB=-Us 。

双极式控制的桥式可逆PWM 变换器的优点：
（1）电流一定连续；（2）可使电机在四象运行；（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）低速平稳性好，系统的调速范围可达1：20000左右；（5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，
有利于保证器件的可靠导通。

a.正向电动运行波行
b.反向电动运行波形 双极式控制可逆PWM 变换器的输出平均电压为：
s on on s on d U T
t T t T U T t U )12(-=--= 第二部分：电路设计
第三部分：参数设置和调节器设计
电动机参数：
调节器参数计算：
电流调节器参数计算
按典型Ⅰ型设计电流调节器。

电流环控制对象是双惯性型的,所以把电流调节器设计成PI 型的，其传递函数为
1()i ACR i i s W s K s ττ+=
要求得具体参数，则需要知道i K 及i τ，为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择
s T l i 003.0==τ
则可得到电流环放大系数β
τs i K R K K I i =，要求i σ<5%即可取I K i ΣT =0.5有i
ci 21ΣωT K I ==，则可得到)(22i l s i s l i T T K R T K R T K ∑∑==ββ 其中oi s i T T T +=∑，oi T =0.005s ，选取时间常数s T s 0004.0=,则有s T i 0034.0=∑； 83.0=β
则可求得6.35≈i K 则有电流环传递函数为：s
s s W ACR 003.0)1003.0(6.35)(+= 此时电流超调量i σ=4.3%，小于5%，符合系统要求。

转速调节器参数计算 由公式可知转速调节器的传递函数为s s K s W ASR n n n )1()(ττ+=
，又可求得 )1(
on I n T K h +=τ 选取5=h ，已知Ton=0.01s ，则可得s n 52.0=τ
由公式（1-24）及（1-25）可求转速环开环增益K 及转速调节器ASR 的比例系数n K ，其中
37.2772122≈+=∑n
T h h K n m e n RT h T C h K ∑+=
αβ2)1( 其中Tm=0.2s ；83.0=β；Ce=0.18 ；00417.0=α
则可求得5.23≈n K ，则求得转速调节器闭环传递函数为：
s
s s W ASR 52.0)152.0(5.23)(+=
在退饱和的情况下，计算转速超调有m n N b b b n
T T n n z C C n n C C ∑**∆-∆=∆∆=))((2)(
max max λσ 在h=5时有b
C C m ax ∆=81.2%；λ=2；m T =0.2s ；n T ∑ =0.0208s ；e C =0.18；空载启动时有0=z ；
即可求得%135.0%1002
.00208.0190018.05
.621.02%2.812≈⨯⨯⨯⨯⨯⨯=n σ 由此可见转速超调量小于要求的10%，
最终的调节器计算结果如下
参数
转速调节器ASR 电流调节器ACR 放大倍数
23.5 35.6 积分时间常数
0.52 0.003 调节器输出限幅
±10 ±0.98 转速反馈系数
0.00417 电流反馈系数
0.83
在matlab 的simulink 中搭建电路，电源采用270v 直流电源，逆变桥采用matlab 的默认值
第四部分：输出结果
空载启动，在t=4s 时加上m N T l ⋅=3.1转速图如下：
转矩波形
电枢电流：
设置带载起动后在t=3.5s 左右使电动机反转，负载m N T l ⋅=3.1
电枢电流
转矩波形
从途中可以看到，系统从正传启动至反转运行的过程中转速和电枢电流对转速给定的影响波形，仿真中电流的过载倍数3
λ，因此电动机
=
的正转启动和制动、反转启动的过程中始终保持着最大电流12A左右。

在达到最大转速2400r/min后，电枢电流下降到4A左右
第五部分：结果分析
设计的驱动电路如图所示 1Out1Selector
Signal(s)Pulses PWM Generator1
Signal(s)Pulses PWM Generator
Mux 0.0011
In1
图中输入端In1接脉宽调制信号，输出端Out1输出四路MOSFET 的驱动信号。

脉宽调制由两个PWM 发生器（PWM Generator ）模块进行，其中上方的PWM 发生器产生VF1和VF2的驱动信号，下方的PWM 发生器产生VF3和VF4的驱动信号，为了使PWM 发生器输出的驱动信号顺序与多功能桥的顺序一致，模块中加入一个选择器模块（Selector ），调整了脉冲序列。

因为MOSFET 有导通和关断时间，为了避免上下桥臂的两个管子同时导通和关断，造成桥臂的直通现象，需要有“死时”限制，这里采取的办法是使下方的PWM 发生器输入的控制信号为ct u +0.001,即将ct u 略为抬
高，使下方的PWM 发生器输出信号变窄一些，这样上下桥臂的两个管子就不会同时导通和关断了。