直流PWMM可逆调速系统的设计与仿真

图 2-1 双闭环调速系统稳态结构图
实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于 静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。
（一）速调节器不饱和 这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。因此
U
* n
Un
n
( 2-1)
和
U
* i
Ui
Id
( 2-2)
关键词：直流可逆调速 数字触发 PWM 数字控制器
—I—
目录
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摘要 .................................................... I 1 引言 .................................................. 1
1.1 问题的提出 ......................................... 1 1.2 PWM 控制的现状和分类 ............................... 2 2 微机控制双闭环可逆直流 PWM 调速系统原理设计 ............ 4 2.1 稳态结构图和静特性 ................................. 4 2.3 双闭环脉宽调速系统的动态性能 ....................... 5 2.4 可逆 PWM 变换器工作原理 ............................. 9 2.5 PWM 控制电路 ...................................... 12 3 系统的仿真 ........................................... 15 3.1 建立仿真模型 ...................................... 15 3.2 PWM 开环调速系统仿真结果 .......................... 17 3.3 PWM 双闭环调速系统的仿真结果 ...................... 19 总结 ................................................... 21 参考文献 ............................................... 22
由第一关系式可得：
n
U
i n
n0
( 2-3)
-4-
从而得到图 2-1 静特性的 n0 A 段。
与此同时，由于
ASR
不饱和，
U
* i
＜
U
* im
，从上述第二个关系式可知：
Id ＜ Idm 。这就是说， n0 A 段静特性从 Id =0 （理想空载状态）一直延续
到
Id Idm 。而 Idm 一般都是大于额定电流 Idnom 的，这就是静特性的运行段。 （二）转速调节器饱和
这时，ASR
输出达到限幅值
U
* im
，转速外环呈开环状态，转速的变化对系
统
不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环系统。稳态时
Fra Baidu bibliotekId
U
* im
I dm
( 2-4)
式中，最大电流 Idm 是设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动 系统允许的最大加度（2－2）所描述的静特性是图 2-2 的 A-B 段。这样的下
电力电子技术、微电子技术和信息技术的产生与发展，直接推动了变频调 速系统的产生。由于变频调速具有其他调速方式所不具有的几大特点：
1） PWM 调速系统主电路线路简单，需用的功率器件少 2） 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小 3） 低速性能好，稳速精度高，调速范围广，可达到 1:10000 左右 4） 如果可以与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动 态抗扰能力强 5） 功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开 关损耗也不大，因而装置效率较高 6） 直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高 变频调速很快为广大电动机用户所接受，成为了一种最受欢迎的调速方 法，在一些中小容量的动态高性能系统中更是已经完全取代了其他调速方式。 由此可见，变频调速是非常值得自动化工作者去研究的。在变频调速方式中， PWM 调速方式尤为大家所重视，这是我们选取它作为研究对象的重要原因。 而在众多 PWM 变换器实现方法中，又以 H 型 PWM 变换器更为多见。这 种电路具备电流连续、电动机四象限运行、无摩擦死区、低速平稳性好等优点。 因此，本次设计以 H 型 PWM 直流控制器为主要研究对象。 要研究 PWM 调速方法，不能不提到微电子技术、电力电子技术和微机控
基础课程设计（论文）
直流 PWM-M 可逆调速系统 的设计与仿真
专 业：电气工程及其自动化 指导教师：刘雨楠 小组成员：陈慧婷（20114073166）
石文强（20114073113） 刘志鹏（20114073134） 张华国（20114073151）
信息技术学院电气工程系
2014 年 10 月 20 日
PWM 控制技术一般可分为三大类，即正弦 PWM、优化 PWM 及随机 PWM， 从实现方法上来看，大致有模拟式和数字式两种，而数字式中又包括硬件、软
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件或查表等几种实现方式，从控制特性来看主要可分为两种：开环式（电压或 磁通控制型）和闭环式（电流或磁控型）。
随着计算机毕业设计技术的不断进步，数字化 PWM 已逐步取代模拟式 PWM，成为电力电子装置共用的核心技术。交流电机调速性能的不断提高在 很大程度上是由于 PWM 技术的不断进步。目前广泛应用的是在规则采样 PWM 的基础上发展起来的准优化 PWM 法，即三次谐波叠加法和电压空间矢 量 PWM 法，这两种方法具有计算简单、实时控制容易的特点。
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1 引言
1.1 问题的提出
为什么我们要研究一种由计算机系统控制的 PWM 直流控制系统？要回 答这个问题，首先我们应该系统的论述一下电动机转速控制系统的发展历程及 现状。
电动机按电源供应方式来分，可以分为两大类，即直流电动机和交流电动 机。两类电动机在调速方面存在着很大差异。直流电动机具有良好的起、制动 性，适宜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 得到了广泛应用。即便如此，直流电动机也存在着固有的很多缺点，制约了其 应用——由于直流电动机使用直流电源，它的碳刷和滑环都要经常更换，这样 的拆换工作是费时费力费财的，无疑会加重使用者的负担。因此，人们希望简 单可靠低廉的交流电动机也能像直流电动机那样调速。定子调速、变极调速、 滑差调速和转子串电阻调速和串极调速等调速方法应运而生，同时，由于技术 的成熟，滑差电动机、绕线式电动机、同步式交流电机等随即出现，带来了电 机史上的一次飞跃。但是，这些电动机的调速性能仍然不能与直流电动机相比。 直到 20 世纪 80 年代，变频调速的出现才解决了直流电机调速性能好却费时费 力的缺点。那么又是什么促成了变频调速的产生呢？
垂特性只适合于 n< n0 的情况。因为如果
n
n0
，则
Un
U
* n
，ASR
将退出饱和
状态
图 2-2 双闭环调速系统的静特性
双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时 Idm 表现为转速无静差，这时， 转负反馈起主要调节作用。当负载电流达 Idm 后，转速调节器饱和，电流调节 器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是 采用了两个 PI 调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比 带电流至负反馈的单闭环系统静特性好。然而实际上运算放大器的开环放大系 数并不是无穷大，静特性的两段实际上都略有很小的静差。
1.2 PWM 控制的现状和分类
目前，高频电压领域的具体发展状况基本情况是这样的。目前已经提到并 得到应用的 PWM 控制方案就不下于数十种，尤其是微处理器应用于 PWM 技 术数字化后，花样是不断翻新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正 弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪音等，PWM 控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。目前仍有新的方案不 断提出，这说明该项技术的研究方兴未艾。不少方法已经趋向于成熟，并有许 多已经在实际中得到应用。
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制技术，没有这些技术的支持，我们就只能还是在走前人的老路，被模拟、人 工 控 制 的 思 维 所 禁 锢 。在 电 动 机 转 速 控 制 领 域 ，如 果 不 能 有 效 的 引 用 这 些 技 术 ， 我们很难有所突破，发现问题，进而有所进步。
微机控制技术的发展也就是计算机控制系统的发展历程。它的发展大体可 以分为三个阶段：第一个阶段是 1965 年后的实验阶段，自从 1952 年计算机被 应用于生产过程中后，它应用于生产领域并创造巨大价值的潜力立刻为世人所 注意，进而被大面积研究试用起来。1959 年，美国得克萨斯州的一家炼油厂 成功建成了世界上第一个计算机控制系统，标志着这项技术的发展已经开始。 第二个阶段是 1965 年到 1972 年间的实用阶段。在这段时间里，计算机控制系 统开始从单项工程试验中迈向实用，并且得到了系统的完善。在这一时期，计 算机集中控制得到认可。在高度集中控制时，若计算机出现故障，将对整个生 产产生严重影响。为了应对这种负面影响，人们采取了多机并用的方案，促进 了计算机控制系统的进一步发展。第三个阶段是从 1972 年至今，在这个阶段 才真正出现了微机的概念，以它为核心，衍生出了很多计算机控制系统，如操 作指导控制系统、直接数字控制系统、监督计算机控制系统以及分布式控制系 统，而随着微电子技术的发展，计算机控制系统可以实现小物起大用的效果， 既 不 占 空 间 ，又 可 以 同 时 处 理 很 多 生 产 问 题 ，省 时 省 力 ，计 算 机 控 制 技 术 走 向 了成熟。而随着嵌入式系统的发展，计算机控制系统开始向网络化变迁，相信 会有更大的发展空间。
摘要
摘要
当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流 调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用。本文主要研究直 流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。 长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内 平滑调速、控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。微机技术的快 速发展，在控制领域得到广泛应用。本文对基于微机控制的双闭环可逆直流 PWM 调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了 双闭环直流 PWM 调速系统的数学模型，用微机硬件和软件发展的最新成果， 探 讨 一 个 将 微 机 和 电 力 拖 动 控 制 相 结 合 的 新 的 控 制 方 法 ，研 究 工 作 在 对 控 制 对 象全面回顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的 硬件和软件的探讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。在硬件方面充分利用 微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，实现 对转速、电流双闭环调速系统的控制。论文分析了系统工作原理和提高调速性 能的方法，研究了 IGBT 模块应用中驱动、吸收、保护控制等关键技术.在微 机控制方面，讨论了数字触发、数字测速、数字 PWM 调制器、双极式 H 型 PWM 变换电路、转速与电流控制器的原理,并给出了软、硬件实现方案。
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2 微机控制双闭环可逆直流 PWM 调速系统原理设计
2.1 稳态结构图和静特性
为了分析双闭环调速系统的静特性，绘出了它的稳态结构图，如图 2-1 所 示。分析静特性的关键是掌握这样的 PI 调节器的稳态特征。一般存在两种状 况：饱和：输出达到限幅值；不饱和：输出未达到限幅值。当调节器饱和时， 输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退 出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的关系，相当于使 调节环开环。当调节器不饱和时，PI 作用使输入偏差电压 U 在稳态时总是为 零。
电力电子技术作为电源技术产业的支柱性领域，也已经经过了漫长的发展 历程。这些技术如果都能被应用到 PWM 调速系统的控制当中，势必会使得调 速系统的性能有一个很大的提升。在调速技术走到这个类似瓶颈地步的今天， 这种尝试无疑是一种很有潜力的设想。
至于系统应该如何构成，系统的实际应用效果会如何，这些都是很需要探 讨的问题，那么，这个研究就是很必要的了，也是我写这篇论文阐述探讨结果 的理由。