不可逆直流PWM数字调速系统设计【文献综述】

文献综述
电气工程及其自动化
不可逆直流PWM数字调速系统设计
一、前言
生产中要求机械在不同情况下以不同的速度工作，这就需要对电机的速度进行快速精确的调节。

直流电动机调速具有良好的起动、制动性能，由于其范围宽、精度高、易控制等优点，在许多需要调速或快速蒸饭箱的电力拖动领域中得到了广泛的应用，因此长期以来再生产机械中占领主要地位。

特别是在调速系统采用了微机实现数字化控制后，整个调速系统可以实现全数字化、结构简单、可
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靠性提高、操作维护方便、可使电机稳态运行时的稳速精度达到较高水平。

本次设计中采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，即脉宽调制变换器-直流电机调速系统，简冲直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统。

该系统在很多方面具有较大的优越性：
（1）主电路简单，需要的电力电子器件少；
（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电动机损耗及发热都较小；
（3）低速性能好，温宿精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；
（4）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强；
（5）电力电子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；
]2[（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。

二、主题
（一）直流调速系统
按拖动电动机的类型来分，自动调速系统有直流调速系统和交流调速系统两大类。

直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，易于在大范围内平滑调速，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起制动和反转，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，所以，直流调速系统至今仍是自动调速系统的主要形式，他被广泛的应用于金威切削机床、大型起
重机、矿井卷扬机等诸多领域。

直流电动机的转速调节主要有三种方法：调节电枢供电的电压、减弱励磁磁通和改变电枢回路电阻。

针对三种调速方法，都有各自的特点，也存在一定的缺陷。

例如改变电枢回路电阻调速只能实现有级调速，减弱磁通虽然能够平滑调
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速，但这种方法的调速范围不大，一般都是配合变压调速使用。

所以，在直流调速系统中，都是以变压调速为主。

在直流调速系统中，有旋转变流机组供电的直流调速系统、磁放大器调速系统和可控硅整流装置供电的直流调速系统。

直流电动机引用跳崖调速可以获得良好的调速性能，调节电枢电压首先要解决的是可控直流电源。

包括晶闸管整流器-电动机系统、直流PWM变换器-电动机系统。

可控直流电源中，V-M系统在上世纪60—70年代得到广泛应用，目前主要用于大容量系统。

直流PWM调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，
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特别在中、小容量的系统中，已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。

（二）直流PWM变换器-电动机系统
PWM（Pulse Width Modulation）控制就是对排重的宽度进行调制的技术。

即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅]4[
值）。

脉宽调制是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量。

PWM具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。

模拟控制电路有以下缺陷:模拟电路容易随时间漂移，
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会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。

而在用了PWM技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。

PWM变换器的作用是：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，从而可以改变平均输出电压的大小，以]2[
调节电动机转速。

它的优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。

让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。

噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。

对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也
是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。

从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。

在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。

总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大
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工程师在许多设计应用中使用的有效技术。

PWM控制技术是在电力电子领域有着广泛的应用，并对电力电子技术产生了十分深远影响的一项技术。

PWM控制技术在晶闸管时代就已经产生，但为了使晶闸管通断要付出很大的代价，因而难以得到广泛的应用。

以IGBT、电力MOSFET 等为代表的全控型期间的不断完善给PWM控制技术提供了强大的物质基础，推动了这项技术的迅猛发展，使它运用到交-直、直-直、交-交、直-交所有四大类变流电路中。

（三）双闭环调速系统
闭环孔氏系统是反馈控制系统，其控制装置与被控对象之间既有顺向作用，又有反向联系，他将被控对象输出量送回到输入端，与给定输入量比较，而形成偏差信号，将偏差信号作用到控制器上，是系统的输出量趋向其期望值。

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闭环控制系统与开环控制系统相比，具有以下优点：
（1）系统中具有反馈环节，可自动对输出量进行调节补偿，对系统中参数变化所引起的扰动和系统外部的扰动，均有一定的抗干扰能力；
（2）系统采用负反馈，除了降低系统误差、提高控制精度外，还能加速系统的过渡过程，但系统的控制质量与反馈元件的精度有关；
（3）系统闭环工作，可能产生不稳定现象，因此存在稳定性问题。

闭环控制系统在收到干扰后，利用负反馈的自动调节作用，能够有效地医治一切被包在负反馈环内、前向通道上的扰动对被控量的影响，而且能够紧紧跟随给定作用，是被控量按给定信号的变化而变化，从而实现复杂而准确的控制。

因此，闭环控制系统又称为自动调节系统，系统中的控制器也称为调节器。

转速-电流双闭环直流调速系统结构简单,工作可靠,且设计较为方便,是应用
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非常广泛的一种调速系统。

它也是“运动控制系统”课程的重要内容。

采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。

为了保证调速系统稳态无静差，转速环和电流环所用的的控制器ASR 和ACR 均使用PI 调节器，同时加上滤波环节，如前所述，抑制给定信号中可能参杂的交流分量；两个调节器上增设二极管钳位的外限幅电路，限制输出限幅值，调节电位器可改变正负限幅值。

主电路采用Y 型连接，触发电路的信号依次加在主电路上的晶闸管上，另外，我们利用互感器取电流反馈信号，用同轴相连的发电机取电]2[
压反馈信号。

（四）数字调速系统
随着技术的发展，用分立元件来控制电动机的方法已逐渐被淘汰，取而代之的是向另外两个方向发展：一是方向是微机控制系统，另一个方向则是控制系统
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的集成化，即专用单片集成控制器。

本次设计针对直流调速系统的各个模块进行数字化改造。

用微处理器代替原来的分立模块，以微处理器为核心的数字控制系统硬件电路的标准化程度高，制作成本低，且不受期间温度漂移的影响；其控制软件能够进行逻辑判断和复杂运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律，而且更改起来灵活方便。

终止，微机数字控制系统的稳定性好，可靠性高，可以提高控制性能，此外，还拥有信息存储、数据通信和故障诊断等模拟控制系
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统无法实现的功能。

数字式给定装置、反馈发送器和比较装置等元件的精度比相应的模拟式元件高出很多，并且信号以数字形式传输具有很强的抗干扰性。

基于这些优点，数字控制系统作为一种高精度控制系统在拖动系统的设计中收到重视。

近年来随着微电子技术的发展以及微型计算机生产成本的降低和体积的微型化，由微型计算机组成的数字控制系统日益广泛地得到应用。

为易于调试,数字系统的软件,一般设计有调节器参数的自化优化,通过启动优化程序,实现自动寻优和确定系统的动态参数,以及实现如直流电动机磁化特性曲线的自动测试等,有利于缩短调试时间和提高控制性能。

国外一些电气公司都有成系列的与模拟调整系统相对应的全数字交、直流调速装置产品可供选用,新开发的调速系统几乎全是数字式的。

与模拟系统类似, 全数字调速系统已发展成为紧凑式和模块式两大类，但全数字调速系统还是有模拟调速系统无法比拟的优
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点,技术更先进,操作方便。

数字调速系统与模拟调速系统相对比,技术性能有如下优点:
(1) 静态精度高且能长期保持；
(2) 动态性能好,借助于丰富的软件,易于实现各类自适应和复合控制；
(3) 调速范围宽；
(4) 电压波动小；
(5) 参数实现软件化,无漂移影响；
(6) 所用元件数量少,不易失效；
(7) 设定值量化程度高,且状态重复率好；
(8) 放大器和级间耦合噪声很小,电磁干扰小；
(9) 调试即投产灵活方便,易于设计和修改设计；
(10) 标准及通用化程度高,除主CPU模块外,仅数种附加模块；可实现,包括工艺参数在内的多元闭环控制；
(11) 适用范围广,可实现各类变速控制及易于实现与单片机或PLC系统通信。

在数字测速中，常用光电式旋转编码器作为转速或转角的检测元件。

由光电式旋转编码器产生与被测转速成正比的脉冲，测速装置将输入脉冲转换为以数字]7[
形式表示的转速值。

数字化是控制系统集成度高，硬件电路简单而且统一，可靠性高，可重复性好，对于不同的控制对象和控制要求，只需要改变控制算法软件即可。

因此，踏实控制系统发展的大趋势。

三、总结
调速系统的设计任务主要是合理地选择调节器的结构和参数，以使得系统的性能指标满足生产工艺的要求。

调节器可以分为模拟式和数字式的两种，模拟调节器的关键是运用运算放大器等模拟电子电路。

而以微处理器为核心的数字控制系统具有的硬件电路标准化程度高，制作成本低，且不受器件温度漂移的影响；控制软件能够进行逻辑判断和复杂的运算，可以实现不同于一般线性调节的最优化、自适应、非线性、智能化等控制规律，且更改起来灵活方便。

随着微机技术的快速发展，计算机控制技术在控制领域得到了广泛的应用，使得运用微型计算机实现双闭环直流调速系统的设计成为可能，并且能达到比模拟控制系统更优的控制效果。

本次设计选用了由直流PWM调制电源和直流电动机等构成的不可逆双闭环调制系统，采用PI调节器获得良好的静、动态性能。

主电路选用了三相不可控整
流桥式电路的供电方案，系统选用数字调节器及外部扩展设备代替原模拟系统中速度调节器、电流调节器等，从而实现直流调速系统数字化控制。

四、参考文献
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[8] 何克忠.李伟.计算机控制系统[M].北京：清华大学出版社，1998.。