8第八章PWM直流脉宽调速系统
直流脉宽调速系统的原理
直流脉宽调速系统的原理
直流脉宽调速系统是一种常用的电动机调速方法，其原理是通过控制电源给电动机供电的脉冲宽度，来调节电机转速。
具体原理如下：
1. 电源模块：系统通过电源提供给电动机稳定的直流电。
2. 控制模块：控制模块根据用户的需求，通过控制信号来调节电源输出的脉冲宽度。
一般常用的调速方法有开关调速和调整调速。
3. 脉冲宽度调制（PWM）：控制模块输出的控制信号经过脉冲宽度调制（PWM），将模拟信号转换为脉冲信号。
脉冲的宽度表示电源供电的时间，具体宽度决定了电机的转速。
4. 电机驱动模块：控制模块输出的脉冲信号通过电机驱动模块传输给电机，控制电机的转速。
5. 反馈信号：在实际应用中，为了保证系统的稳定性和精度，会引入速度或位置的反馈信号，通过传感器采集电机的实际转速或位置，并反馈给控制模块，用于精确调节输出的脉冲宽度。
通过控制脉冲宽度的变化，可以改变电机驱动的平均电压和电流，从而控制电机的转速。
当脉冲宽度增加时，电机驱动的平均电流增大，电机转速也增加。
反之，
当脉冲宽度减小时，电机驱动的平均电流减小，电机转速降低。
总之，直流脉宽调速系统通过控制脉冲宽度来调节电机供电时间，从而控制电机的转速。
该系统具有调速范围广、调速响应快、控制精度高等优点，被广泛应用于各种需要调速控制的场合，如工业生产中的机械设备、自动化系统等。
PWM直流脉宽调速系统课程设计
1目录PWM直流脉宽调速系统 (1)1 概述 (1)2 设计任务及要求 (2)2.1 主要任务 (2)2.2 设计要求 (2)3 理论设计 (3)3.1 方案论证 (3)3.2 系统模型的建立 (5)3.2.1 直流电机模型 (5)3.2.2 调速系统动态模型 (8)3.3 调速系统性能分析 (9)3.3.1 静态性能和启动过程 (9)3.3.2 动态性能 (11)3.3.3 两个调节器的作用 (12)3.4 调节器设计 (13)4 MATLAB仿真 (19)4.1 PWM直流脉宽调速系统仿真 (19)4.2 仿真结果 (19)5 小结 (20)参考文献 (21)附页 (21)1概述直流电动机具有良好的起、制动性能，易于在大范围内平滑调整，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统中得到了广泛的应用。
自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器--直流电动机调速系统，简称直流PWM调速系统。
直流PWM调速系统采用门极可关断晶闸管GTO、全控电力晶体管GTR、MOSFET、IGBT等电力电子器件组成的直流脉冲宽度（PWM）型的调速系统近年来已经发展成熟，用途越来越广泛，与晶闸管可控整流调速系统（V-M系统）相比，在很多方面具有较大的优越性：（1）主电路线路简单，需用的功率元件少；（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；（3）低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；（4）系统频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能力强；（5）主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率较高；（6）直流电源采用不可控三相整流时，电网功率因数高。
2 主要任务及要求题目中所给的负载电机额定数据如下：P N=8.5KW，U N=230V，I N=37A，n N=1450r/min，R a=1.0Ω，I fn=1.14A，GD2=2.96N.m2 T m=0.07s，T l=0.005s所给出的PWM变流装置参数如下：R rec=0.5Ω，K s=44。
8第八章PWM直流脉宽调速系统
8.1 直流脉宽调制电路的工作原理
8．1．3．可逆PWM变换器
为了克服不可逆变换器的缺点，提高调速范围，使电动机在四 个象限中运行，可采用可逆PWM变换器。可逆PWM变换器在控制方式 上可分双极式、单极式和受限单极式三种。 1.双极式PWM变换器 双极式PWM变换器主电路的结构形式有H型和T型两种，我们主 要讨论常用H型变换器。如图8—5所示，双极式H型PWM变换器由四个 晶体管和四个二极管组成，其连接形状如同字母H，因此称为“H 型”PWM变换器。它实际上是两组不可逆PWM变换器电路的组合。
8．1．2．不可逆、有制动力PWM变换器
图8－2所示的简单不可逆电路中，电流id不能反向，因此不能 产生制动作用，只能作单象限运行。需要制动时，必须具有反向电 流一id的通路。因此应该设置控制反向通路的第二个功率晶体管， 如图8－4(a)所示。这种电路组成的PWM传动系统可在一、二两个象 限运行。
在一个周期内，当0≤t<ton 时，ub1和ub4 为正，晶体管VT1 和 VT4饱和导通；而ub2和ub3为负，VT2和VT3截止。这时，电动机电枢AB 两端电压uAB=+US，
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8.1 直流脉宽调制电路的工作原理
电枢电流id从电源US的正极→VT1→电动机电枢 →VT4→到电 源US的负极。 当ton ≤t<T时，ub1和ub4变负，VT1和VT4截止；ub2和ub3变正， 但VT2和VT3并不能立即导通，因为在电动机电枢电感向电源US 释放 能量的作用下，电流id沿回路2经VD2和VD3形成续流，在VD2和VD3上 的压降使VT2 和VT3 的集电极—发射极间承受反压，当id过零后， VT2和VT3导通，id反向增加，到t＝T时id达到反向最大值，这期间电 枢AB两端电压uAB＝－US。 由于电枢两端电压uAB 的正负变化，使得电枢电流波形根据负 载大小分为两种情况。
直流脉宽调速系统
1．直流脉宽调速系统驱动电源1.1任务和意义生产实习的主要任务是设计一个直流电动机的脉宽调速（直流PWM）驱动电源。
纵观运动控制的发展历史，交、直流两大电气传动并存于各个应用领域。
由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，20世纪30年代起就开始使用直流调速系统。
直流调速系统由最早的旋转变流机组控制，发展为用静止的晶闸管变流装置和模拟控制器实现调速，到现在由大功率开关器件组成的PWM电路实现数字化的调速，系统的快速性、可靠性、经济性不断提高，应用领域不断扩展。
尽管目前对交流系统的研究比较“热门”，但是其控制性能在某些方面还达不到直流PWM系统的水平。
直流PWM控制技术作为一门新型的控制技术，其发展潜力还是相当大的。
而且，直流PWM技术是电力电子领域广泛采用的各种PWM技术的典型应用和重要基础，掌握直流PWM技术对于学习和运用交流变频调速中SPWM技术有很大的帮助和借鉴作用。
1.2技术指标被控直流永磁电动机参数：额定电压20V，额定电流1A,额定转速2000rpm。
驱动系统的调速范围：大于1：100。
驱动系统应具有软启动功能，软启动时间约为2s.1.3设计内容：1）主电路的设计，器件的选型。
包括含整流变压器在内的整流电路设计和H桥可逆斩波电路的设计（要求采用IPM作为DC/DC变换的主电路，型号为PS21564）。
2）PWM控制电路的设计（指以SG3525为核心的脉宽调节电路）。
3）IPM接口电路设计（包括上下桥臂元件的开通延迟，及上桥臂驱动电源的自举电路）。
4）DC15V控制电源的设计（采用LM2575系列开关稳压集成电路，直接从主电路的直流母线电压经稳压获得）。
2.脉宽调制技术脉宽调制技术简称PWM,PWM控制技术就是半导体开关元件的导通和关断时间比，即调节脉冲宽度或周期来控制输出电压的一种控制技术。
近年来，随着全控型器件的不断发展和PWM技术的日益完善，已广泛应用于变频调速和开关电源等领域。
PWM常用于电压型逆变器，它可消除或减小低次谐波，滤波器体积可减小，有利于小型化和降低成本。
直流脉宽调速系统
直流脉宽调速系统脉宽调速系统的主电路采纳脉冲宽度调制（PWM）式变换器，脉宽调制式变换器是采纳脉冲宽度调制的一种斩波器。
直流斩波器节能效果显著，最初应用于直流电力机车，目前在中、小容量的调速系统中已得到广泛的应用。
与“晶闸管--直流电动机”系统相比，直流脉宽调速系统具有如下特点：1）采纳绝缘栅双极性晶体管(IGBT)、功率场效应管(P-MOSFET)、门极可关断晶闸管(GTO)、全控电力晶体管等电子器件，主电路简洁，所需功率元件少；且主电路工作在开关状态，损耗少、效率高。
2）开关频率高、电流连续、谐波成分低、电动机损耗小。
3）系统频带宽，快速性好、动态抗干扰力量强。
4）系统低速性能好、调速范围宽、稳态精度高。
直流脉宽调速系统的静、动态特性分析方法和晶闸管相位掌握的直流调速系统基本相同，区分仅在于主电路和脉宽调制掌握电路。
与前述晶闸管直流调速系统不同，直流脉宽调速系统的脉宽调制放大器常采纳电力晶体管（GTR）、功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管(IGBT)或功率集成芯片等器件替换晶闸管变流器，因而它具有功率元件比晶闸管直流调速系统少、线路简洁、系统功率因数好、脉宽调制频率高（达2kHz～3kHz）、系统反应快、电机低速运转平稳、调速范围宽等优点。
1. PWM直流不行逆调速系统图5-51为PWM直流不行逆调速系统原理图，图中ASR为转速调整器，ACR为电流调整器，GT为三角波发生器，GP为脉冲发生器，AOP为过电流爱护单元，BC为电流变换器，BV为速度变换器，其技术数据如表所示。
表PWM直流不行逆调速装置技术参数型号规格见各厂样本直流额定电压直流额定电流静差度调速范围适用电动机功率180V或220V10A、30A、60A≤+0.4%（最高速）1:500(测速发电机反馈)1kW～10kW 2. PWM直流可逆调速系统。
直流脉宽调速系统
直流脉宽调速系统
UAA4002芯片的原理框图如图所示。
直流脉宽调速系统
1. UAA4002的特点 ①标准的16脚双排直插式结构。 ②UAA4002将接收到的以逻辑信号输入的导通信号转变为加到功率晶体管上的基极电 流，这一基极电流可以自动调节，保证晶体管总处于准饱和状态。UAA4002输出的最大电 流为O.5A，也可以外接晶体管扩大。 ③UAA4002可给晶体管加-3A的反向基极电流，保证晶体管快速关断。这个负的基极 电流亦可通过外接晶体管扩大。
直流脉宽调速系统
1.2.1 直流脉宽调制器
在直流脉宽调速系统中，晶体管基极的驱动信号是脉冲宽度可调的电压信号。脉宽调 制器实际上是一种电压----脉冲变换器装置，由电流调节器的输出电压 控制，给PWM装置 输出脉冲电压信号，其脉冲宽度和 成正比。常用的脉宽调制器有以下几种：
①用锯齿波作调制信号的锯齿波脉宽调制器； ②用三角波作调制信号的三角波脉宽调制器； ③用多谐振荡器和单稳态触发电路组成的脉宽调制器； ④数字脉宽调制器。
直流脉宽调速系统
1.1 直流脉宽调制电路的工作原理
1.1.1 不可逆PWM变换器
不可逆PWM变换器就是直流斩波器，其电路原理图如图所示。它采用了全控式的电力 晶体管，开关频率可达4kHz。直流电压 由不可控整流电源提供，采用大电容C滤波，二极 管VD在晶体管VT关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流回路。
直流脉宽调速系统
1.2.2 逻辑延时电路
在可逆PWM变换器中，由于晶体管的关断过程中有一段存储时间和电流下降时间，总 称关断时间，在这段时间内晶体管并未完全关断。如果在此期间另一个晶体管已经导通，则 将造成上、下两管直通，从而使电源正负极短路。为了避免发生这种情况，在系统中设置了 由R、C电路构成的逻辑延时电路DLD，保证在对一个管子发出关闭脉冲后，延时一段时间 后再发出对另一个管子的开通脉冲。由于晶体管导通时也存在开通时间，所以，延时时间只 要大于晶体管的存储时间就可以了。
直流(PWM)脉宽调速系统__触发电路设计说明
目录1绪论 (2)1.1直流电动机的调速方法 (2)1.2选择PWM控制系统的理由 (3)1.3采用转速电流双闭环的理由 (3)1.4设计技术指标要求 (4)2 PWM直流调速系统主电路设计 (5)2.1主电路结构设计 (6)2.2主电路逆变工作原理 (7)2.3 PWM变换器介绍 (8)2.4 参数设计 (11)3直流脉宽调速系统触发电路设计 (13)3.1触发控制电路设计 (13)3.2 PWM信号发生器 (14)3.3 SG3525芯片的主要特点 (15)4转速、电流双闭环设计 (19)4.1电流调节器设计 (19)4.2转速调节器设计 (20)5参数测定 (20)5.1测定晶闸管直流调速系统主电路电阻值R、电感值L (20)5.2测定晶闸管直流调速系统主电路电磁时间常数Td (22)5.3测定直流电动机电势常数Ce和转矩常数Cm (22)5.4测定晶闸管直流调速系统机电时间常数Tm (23)6系统调试 (24)6.1单元部件调试 (24)6.2闭环系统特性测试 (25)6.3系统动态特性观察 (26)7结束语 (28)8参考文献 (29)1绪论1.1直流电动机的调速方法直流调速技术的研究和应用已达到比较成熟的地步，尤其是随着全数字直流调速的出现，更提高了直流调速系统的精度及可靠性。
目前国内各大专院校，科研单位和厂家也都在开发直流调速装置，但大多数调速技术都是结合工业生产中，而在民用中应用相对较少，所以应用已有的成熟技术开发性能价格比高的，具有自主知识产权的直流调速单元，将有广阔的应用前景。
本系统采用转速环和电流环双闭环结构,因此需要实时检测电机的电枢电流并把它作为电流调节器的反馈信号。
由电动机理论知，直流电动机的机械特性方程为T R C C C U n m e e Nφφ2N -=式中 n N ——直流电动机的转速（r/min ）U N ——电动机的额定电压(v)：R ——电动机电枢电路总电阻(Ω)C e——电动势常数(v·min／r)； C m ——转矩常数，C m ＝9.55C e ;T ——电动机电磁转矩(N·m)；φ——电动机磁通(wb)。
PWM脉宽直流调速系统设计
PWM脉宽直流调速系统设计1.系统框图设计PWM脉宽直流调速系统主要由三部分组成：电源模块、控制模块和驱动模块。
电源模块负责为系统提供稳定的直流电源，控制模块负责根据设定的参数控制驱动模块的输出，驱动模块负责将控制信号转换成适合直流电机的驱动信号。
系统框图如下所示：```+-------------+Control signa------------->， Controlmodul+-------------+PWM signa+-------------+Power supply------------->， Powermodul+-------------+DC voltag+-------------+PWM signal------------->， Drivemodul+-------------+DC motor```2.电源模块设计电源模块的目标是提供稳定的直流电源。
常见的设计是使用整流电路将交流电转换为直流电，然后通过滤波电路去除纹波，最后使用稳压电路提供稳定的直流电压。
3.控制模块设计控制模块的目标是将输入的调速信号转换为合适的占空比控制信号。
通常使用微控制器或FPGA来实现，通过编程来实现对占空比的控制。
控制模块需要接收输入的设定转速信号，并根据反馈信号进行闭环控制。
4.驱动模块设计驱动模块的目标是将控制信号转换为适合直流电机的驱动信号。
在PWM调速系统中，常见的驱动模块是H桥驱动器。
H桥驱动器可根据输入信号的极性和占空比，选择合适的电平输出。
驱动模块还需要保证输出的电压和电流能满足直流电机的工作要求。
5.系统控制策略选择综上所述，PWM脉宽直流调速系统的设计包括系统框图设计、电源模块设计、控制模块设计和驱动模块设计。
设计时需要合理选择控制策略，并根据具体应用场景确定系统的参数和性能要求。
随着技术的不断发展，PWM脉宽直流调速系统的控制精度和响应速度也在不断提高，使其在工业控制和自动化领域中得到广泛应用。
PWM脉宽直流调速系统设计课程设计
直流电机调速原理
直流电机 调速原理： 通过改变 电枢电压 或励磁电 流来改变 电机转速
直流电机 调速方式： 电枢电压 调速、励 磁电流调 速、电枢 电阻调速
电枢电压 调速：通 过改变电 枢电压来 改变电机 转速，适 用于恒转 矩负载
励磁电流 调速：通 过改变励 磁电流来 改变电机 转速，适 用于恒功 率负载
稳定性分析步 骤：确定系统 模型、分析系 统稳定性、优
化系统设计
可靠性分析
稳定性：系统在运 行过程中是否稳定， 是否会出现波动或 异常
准确性：系统输出 的信号是否准确， 是否符合设计要求
抗干扰能力：系统 在受到外部干扰时， 是否能够保持稳定 运行
故障诊断与处理： 系统出现故障时， 是否能够快速诊断 并处理，保证系统 正常运行
功率模块设计
功率模块类型： IGBT、
MOSFET等
功率模块选择： 根据系统需求 选择合适的功
率模块
功率模块参数： 电压、电流、
频率等
功率模块布局： 考虑散热、电 磁干扰等因素 进行布局设计
控制模块设计
控制模块组成：包括微处理 器、存储器、输入输出接口 等
控制模块功能：实现对电机 转速、电流、电压等参数的 控制
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汇报人：
高效化、节能化。
发展趋势与展望
应用领域：广泛应用于工业自动 化、智能家居、电动汽车等领域
市场前景：随着科技的发展，市 场需求不断增长
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技术发展趋势：智能化、网络化、 集成化
挑战与机遇：面临技术瓶颈、市 场竞争等挑战，同时也存在巨大 的发展机遇
技术创新与挑战
技术创新： PWM脉 宽直流调 速系统在 工业自动 化、电动 汽车等领 域的应用
直流脉宽(PWM)调速系统设计与研究——主电路设计课设报告
沈阳理工大学课程设计摘要调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一中系统。
目前对调速性能要求较高的各类生产机械大多采用直流传动，简称为直流调速。
早在20世纪40年代采用的是发电机－电动机系统，又称放大机控制的发电机－电动机组系统。
这种系统在40年代广泛应用，但是它的缺点是占地大，效率低，运行费用昂贵，维护不方便等，特别是至少要包含两台与被调速电机容量相同的电机。
为了克服这些缺点，50年代开始使用水银整流器作为可控变流装置。
这种系统缺点也很明显，主要是污染环境，危害人体健康。
50年代末晶闸管出现，晶闸管变流技术日益成熟，使直流调速系统更加完善。
晶闸管－电动机调速系统已经成为当今主要的直流调速系统，广泛应用于世界各国。
近几年，交流调速飞速发展，逐渐有赶超并代替直流调速的趋势。
直流调速理论基础是经典控制理论，而交流调速主要依靠现代控制理论。
不过最近研制成功的直流调速器，具有和交流变频器同等性能的高精度、高稳定性、高可靠性、高智能化特点。
同时直流电机的低速特性，大大优于交流鼠笼式异步电机，为直流调速系统展现了无限前景。
单闭环直流调速系统对于运行性能要求很高的机床还存在着很多不足，快速性还不够好。
而基于电流和转速的双闭环直流调速系统静动态特性都很理想。
关键字：调速系统直流调速器晶闸管晶闸管－电动机调速系统沈阳理工大学课程设计目录1 绪论 (1)1.1 背景 (1)1.2 直流调速系统的方案设计 (1)1.2.1 设计已知参数 (1)1.2.2 设计指标 (2)1.2.3 现行方案的讨论与比较 (2)1.2.4 选择PWM控制系统的理由 (2)1.2.5 选择IGBT的H桥型主电路的理由 (3)1.2.6 采用转速电流双闭环的理由 (3)2 直流脉宽调速系统主电路设计 (4)2.1 主电路结构设计 (4)2.1.1 PWM变换器介绍 (4)2.1.2 泵升电路 (7)2.2 参数设计 (7)2.2.1 IGBT管的参数 (7)2.2.2 缓冲电路参数 (8)2.2.3 泵升电路参数 (8)3 直流脉宽调速系统控制电路设计 (9)3.1 PWM信号发生器 (9)3.2 转速、电流双闭环设计 (9)3.2.1 电流调节器设计 (10)3.2.2 转速调节器设计 (13)4 系统调试 (17)4.1 系统结构框图 (17)4.2 系统单元调试 (17)4.2.1 基本调速 (17)4.2.2 转速反馈调节器、电流反馈调节器的整定 (18)4.3 实验结果 (18)4.3.1 开环机械特性测试 (18)4.3.2 闭环系统调试及闭环静特性测定 (19)5 总结 (20)参考文献 (21)附录A (22)A.1 晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定 (22)A.2 双闭环可逆直流脉宽调速系统性能测试 (26)沈阳理工大学课程设计1 绪论背景在现代科学技术革命过程中，电气自动化在20世纪的后四十年曾进行了两次重大的技术更新。
直流脉宽调制电路的工作原理
系统框图
8.1 直流脉宽调制电路的工作原理
8.2 脉宽调速系统的控制电路
8.3 PWM直流调速装置的系统分析 8.4 由PWM集成芯片组成的直流 脉宽调速系统实例
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PWM直流脉宽调速系统
以大功率晶体管为基础组成的晶体管脉宽调制（PWM）直流调速系统， 近年来在直流传动中的应用逐渐成为主流。
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PWM直流脉宽调速系统
图 8－1 脉冲宽度调制器结构原理图
第八章 PWM直流脉宽调速系统
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PWM直流脉宽调速系统
与晶闸管相控式整流直流调速系统相比，直流脉宽调制系统有以下优点： 1）需用的功率元件少，线路简单，控制方便； 2）由于晶体管的开关频率高，仅靠电枢电感的滤波作用，就可获得脉动很小 的直流电流，电流连续容易，同时电动机的损耗和发热均较小； 3）系统频带宽，响应速度快，动态抗扰能力强； 4）低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽； 5）直流电源采用三相不可控整流，功率因数较高，对电网影响小； 6）主电路元件工作在开关状态，损耗小，装置效率高。
图8－10 UAA4002原理框图
第八章 PWM直流脉宽调速系统
8.3 PWM直流调速装置的系统分析
8.3.1 总体结构
对直流调速系统而言，一般动、静态性能较好的调速系统都采用双闭环控 制系统，因此，对直流脉宽调速系统，我们也将以双闭环为例予以介绍。直流 脉宽调速系统的原理如图8－11所示。
图8－11 直流脉宽调速系统原理图
第八章 PWM直流脉宽调速系统
8.2 脉宽调速系统的控制电路
8.2.3 基极驱动电路和保护电路
脉宽调制器输出的脉冲信号一般功率较小，不能用来直接驱动主电路的晶 体管，必须经过基极驱动电路的功率放大，以确保晶体管在开通时能迅速达 到饱和导通，关断时能迅速截止。
直流脉宽PWM调速系统课程设计
双闭环可逆直流脉宽PWM 调速系统设计1. 引言转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能好、应用最广的直流调速系统。
它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。
我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。
采用转速负反馈和PI 调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差.本设计是以直流PWM 控制调速系统进行调速，采用转速调节器ASR 、以及电流调节器ACR 并用PI 调节器进行校正,对反馈信号进行采集，处理起到无静差效果。
用25LJPF40电力二极管进行整流，以及滤波,通过驱动电路的作用将控制电路输出的PWM 信号得到IGBT 可靠的导通和关断，并用霍尔传感器对电流取样进而反馈至电流调节器，系统同时设有过流保护，为此达到双闭环可逆调速。
2. 系统设计参数2.1 设计内容和数据资料某直流电动机拖动的机械装置系统。
主电动机技术数据为：V U N 48=,A I N 7.3=，min 200r n N =,Ω=5.6a R ，电枢回路总电阻Ω=8R ，电枢回路电磁时间常数ms T l 5=,机电时间常数ms T m 200=，电源电压V U s 60=，给定值和ASR 、ACR 的输出限幅值均为V 10，电流反馈系数A V 33.1=β,转速反馈系数r V m in 05.0•=α，电动势转速比 r V C e min 18.0•=，Ks=4.8，Ts=0。
4ms ，试对该系统进行初步设计。
2。
2 技术指标要求电动机能够实现可逆运行。
要求静态无静差。
动态过渡过程时间s T s 1.0≤，电流超调量%5%≤i σ,空载起动到额定转速时的转速超调量%10%≤n σ.3。
主电路方案和控制系统确定主电路选用直流脉宽调速系统，控制系统选用转速、电流双闭环控制方案。
主电路采用25JPF40电力二极管不可控整流，逆变器采用带续流二极管的功率开关管IGBT构成H型双极式控制可逆PWM变换器.其中属于脉宽调速系统特有的部分主要是UPM、逻辑延时环节DLD、全控型绝缘栅双极性晶体管驱动器GD 和PWM变换器。
PWM直流电机调速系统设计
PWM直流电机调速系统设计PWM（脉宽调制）直流电机调速系统设计是通过改变电机输入电压的有效值和频率，以控制电机转速的一种方法。
本文将介绍PWM直流电机调速系统的原理、设计过程和实施步骤。
一、PWM直流电机调速系统原理1.电机：PWM直流电机调速系统使用的电机一般是带有永磁励磁的直流电机，其转速与输入电压成正比。
2.传感器：传感器主要用于检测电机转速和转速反馈。
常用的传感器有霍尔传感器和编码器。
3.控制器：控制器通过接收传感器反馈信号，并与用户输入信号进行比较来调整电机输入电压。
控制器一般包括比较器、计数器、时钟和PWM 发生器。
4.功率电源：功率电源负责提供PWM信号的电源。
PWM直流电机调速系统的工作原理是：先将用户输入转速转化为电压信号，然后通过比较器将输入信号与传感器反馈信号进行比较，再将比较结果输入给计数器，由计数器根据输入信号的边沿通过时钟控制PWM发生器，最后通过功率电源提供PWM信号给电机。
二、PWM直流电机调速系统设计过程1.确定电机类型和参数：根据实际需要确定使用的直流电机类型和技术参数，包括额定电压、额定转速、功率等。
2.选择传感器：根据调速要求选择合适的传感器，常用的有霍尔传感器和编码器。
3.设计控制器：根据电机类型和传感器选择合适的控制器，设计比较器、计数器、时钟和PWM发生器电路，并进行连线连接。
4.设计功率电源：根据控制器和电机的电压和电流要求设计适当的功率电源电路。
5.总结设计参数：总结所选器件和电路的技术参数，确保设计完整。
三、PWM直流电机调速系统实施步骤1.进行电路连线：根据设计图将所选器件和电路进行连线连接，包括控制器、传感器、电机和功率电源。
2.进行参数调整：根据需要进行控制器参数的调整，如比较器的阈值、计数器的初始值等。
3.进行调速测试：连接电源后，通过用户输入信号和传感器反馈信号进行调速测试。
根据测试结果进行参数调整。
4.优化系统性能：根据测试结果优化系统性能，如改进控制器参数、调整电机参数等。
直流脉宽PWM调速系统
一、双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计1.设计分析双闭环调整系统的传动系统结构图：直流PWM控制系统是直流脉宽调制式调速控制系统的简称，与晶闸管直流调速系统的区别在于用直流PWM变换器取代了晶闸管变流装置，作为系统的功率驱动器，系统构成原理图如下所示：直流PWM传动系统结构图其中属于脉宽调制调速系统主要由调制波发生器GM、脉宽调制器UPM、逻辑延时环节DLD 和电力晶体管基极的驱动器GD和脉宽调制（PWM）变换器组成。
最关键的部件为脉宽调制器。
模拟式脉宽调制器本质为电压-脉冲变换装置，它是由一个运算放大器和几个输入信号构成电压比较器。
去处放大器工作在开环状态，在电流调节器的输出控制信号Uс的控制下，产生一个等幅、宽度受Uс控制的方波脉冲序列，为PWM变频器提供所需的脉冲信号。
脉宽调制器按所加输入端调制信号不同，可分为锯齿波脉宽、三角波脉宽调制器。
目前就用较多脉宽调制信号由数字方法来产生，如专用集成PWM控制电路及单片微机所构成的脉宽调制器。
双闭环调速系统的结构图直流双闭环调速系统的结构图如图1所示，转速调节器与电流调节器串极联结，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制PWM装置。
其中脉宽调制变换器的作用是：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，以调节电机转速，达到设计要求。
双闭环调速系统的结构图调速系统起动过程的电流和转速波形如图2所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。
这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。
(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程(b)理想快速起动过程图2 调速系统起动过程的电流和转速波形 H 桥式可逆PWM 变换器的工作原理：PWM 控制的示意图如图3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。
直流脉宽调速系统
（一） 脉宽调制变换器
脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称 PWM变换器。脉宽调制变换器是采用脉冲宽度调制的一 种直流斩波器。 PWM变换器有不可逆和可逆两类. 可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等几种 电路。
1、不可逆PWM变换器
不可逆PWM变换器的主电路分为无制动作用的和有 制动作用的两种。无制动作用的不可逆PWM变换器的主 电路原理图：
当Uc<0时，情况与Uc>0时相反，输出UPWM的正半波变窄（图c）
通过改变控制电压Uc的极性，也就改变了双极式PWM变换器输出 平均电压的极性，因而改变了电动机的转向。改变Uc的大小，则调 节了输出脉冲电压的宽度，从而调节电动机的转速。
UPW——脉宽调制器
GM——调制波发生器
DLD——逻辑延时环节
PWM——脉宽调制变换器
GD——基极驱动器
FA——瞬时动作的限流保护
1、脉宽调制器
脉宽调制器是一个电压—脉冲变换装置，由电流调节器 ACR输出的控制电压Uc进行控制，为PWM装置提供所需 的脉冲信号，其脉冲宽度与Uc成正比。
常用的脉宽调制器有以下几种：
任务3 直流脉宽调速系统
任务目标：了解直流脉宽调速系统的结构及其工作原理 知识目标：1、直流脉宽调速系统的结构及其工作原理
2、直流脉宽调速系统的分类
3、直流脉宽调速系统的控制电路
4、直流脉宽调速系统的开环机械特性
技能目标：会分析直流脉宽调速系统的结构及工作原理
一、
直流脉宽调速系统（pwm)
脉宽调速系统和晶闸管相控整流装置供电的直流调速系 统之间的区别主要在主电路和PWM（脉宽调制变换器）控 制电路。 直流脉宽调速系统中包括一个具有继电特性的脉宽调制 变换器，它在本质上是一个开关控制系统。
直流脉宽调速系统
US
VD UG
M ud
图5-1 Buck变换器电路
5.1.1 脉宽调制的理论
51.1.1不P可N逆结PW的M形变成换器
为了获得各类开关型变换器的基本工作特性而又能简化分析，假定变换器是由理想器件组
成：开关管VT和二极管VD从导通变为阻断，或从阻断变为导通的过渡过程时间均为零；开关器
件的通态电阻为零，电压降为零。断态电阻为无限大，漏电流为零；电路中的电感和电容均为
同V-M调速系统相比，PWM调整系统具有以下优点。 ①脉冲电压的开关频率高，电流容易连续。 ②高次谐波分量少，需要的滤波装置小，甚至只利用电枢电感就已足够，不需外加滤波装置 。 ③电动机的损耗较小、发热较少，效率高。 ④调速控制动态响应快。
5.1.1 脉宽调制的理论
51.1.1不P可N逆结PW的M形变成换器
可逆运行，需要采用桥式PWM变换电路。
E
半桥式电流可逆PWM变换电路直流电动机
负载的电路如图5-5所示。两个开关器件VT1 和VT2 串联组成半桥电路的上下桥臂，两个二 极管VD1 和 VD2 与开关管反并联形成续流回 路，R、L包含了电动机的电枢电阻和电感。下
面就电动机的电动和制动两种状态进行分析。
电路中，若VT1 、VT3导通，则有电流自电路A 点经电动机流向 B点，电动机正转；在VT2、VT4 导通时，则有电流自B 点经电动机流向 A点，电动机反转。桥式PWM变换电路有三种驱动控制
方式，下面分别介绍。
G1
E
VT1
VD1
AR
L
EM VD2
VT2
G2
MB
G4
VT4
VD4
VD3
VT3
G3
图5-8 桥式PWM变换电路
PWM直流调速系统
PWM直流脉宽调速系统设计1 PWM调速系统的主要问题1.1什么是PWM脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。
PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点.由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM 控制技术发展的主要方向之一。
1.2 PWM的优越性自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器—直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统。
与V-M系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性：1）主电路线路简单，需用的功率器件少。
2）开怪频率高，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，当开关频率适当的时候，开关损耗也不大，因而装置效率较高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。
由于有上述优点，直流PWM调速系统的应用日益广泛，特别是在中、小容量的高动态性能系统中，已经完全取代了V-M系统。
1.3 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形脉宽调制变换器的作用是：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、宽度可以改变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。
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的磁场能量经二极管VD释放（续流）。电动机电枢两端得到的电压
UAB为脉冲波，
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8.1 直流脉宽调制电路的工作原理
其平均电压为
ton U d U S U S T
式中, ＝ton /T为一个周期T中，大功率晶体管导通时间的比
率，称为负载电压系数或占空比, 的变化范围在0~1之间。一般情 况下周期T固定不变，当调节ton ，使ton 在0~T范围内变化时，则电
电枢电流id从电源US的正极→VT1→电动机电枢 →VT4→到电
源US的负极。
当ton ≤t<T时，ub1和ub4变负，VT1和VT4截止；ub2和ub3变正，
但VT2和VT3并不能立即导通，因为在电动机电枢电感向电源US 释放 能量的作用下，电流id沿回路2经VD2和VD3形成续流，在VD2和VD3上
流一id的通路。因此应该设置控制反向通路的第二个功率晶体管， 如图8－4(a)所示。这种电路组成的PWM传动系统可在一、二两个象 限运行。
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8.1 直流脉宽调制电路的工作原理
此时，功率晶体管 VT1、和VT2的驱动电压大小相等、方向相反，
即UG1 ＝ －UG2 。当电机在电动状态下运行时，平均电压应为正值， 一个周期内分两段变化。
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8.1 直流脉宽调制电路的工作原理
同时在VD1上的压降使VT1不能导通。在制动过程中VT2和VD1轮流
导通，而VT1始终截止，电压和电流波形如图8－4(c)所示。反向电 流的制动作用使电机转速下降，直到新的稳态。
最后应该指出，当直流电源采用半导体整流装置时，在回馈制
动阶段电能不可能通过它回送电网，只能向滤波电容C充电，从而造
采用了全控式的电力晶体管，开关频率可达数十千赫。直流电压US
由不可控整流电源提供，采用大电容滤波，二极管VD在晶体管VT关 断时为电枢回路提供释放电感储能的续流回路。
大功率晶体管VT的基极由脉宽可调的脉冲电压ub驱动，当ub为
正时，VT饱和导通，电源电压Us 通过VT的集电极回路加到电动机电 枢两端；当ub为负时，VT截止，电动机电枢两端无外加电压，电枢
由于在一个周期内，电枢两端电压正负相间，即在0≤t<ton期
间为＋US ，在ton<t<T期间为－US所以称为双极性PWM变换器。利用
双极性PWM变换器，我们只要控制其正负脉冲电压的宽窄，
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8.1 直流脉宽调制电路的工作原理
就能实现电动机的正转和反转。当正脉冲较宽时（ton>T/2），
则电枢两端平均电压为正，电动机正转；当正脉冲较窄时 （ton<T/2） ，电枢两端平均电压为负，电动机反转；如果正负脉 冲电压宽度相等（ton＝T/2） ，平均电压为零，则电动机停止。此 时电动机的停止与四个晶体管都不导通时的停止是有区别的，四个 晶体管都不导通时的停止是真正的停止。平均电压为零时的电动机 停止，电动机虽然不动，但电动机电枢两端瞬时电压值和瞬时电流 值都不为零，而是交变的，电流平均值为零，不产生平均力矩，但
通。右边两管VT3 和VT4的驱动脉冲与双极性时不同，改成因电动机 的转向不同而施加不同的直流控制信号。
如果电动机正转，就使ub3恒为负，ub4恒为正，使VT3 截止，
VT4饱和导通，VT1和VT2仍工作在交替开关状态。这样，在0≤t≤ton
期间，电动机电枢两端电压uAB =US，而在ton≤t<T期间，uAB=0。在
由于晶体管开关频率较高，利用二极管VD的续流作用，电枢电
流Id是连续的，而且脉动幅值不是很大，对转速和反电势的影响都 很小，为突出主要问题，可忽略不计，即认为转速和反电势为恒值。
8．1．2．不可逆、有制动力PWM变换器
图8－2所示的简单不可逆电路中，电流id不能反向，因此不能
产生制动作用，只能作单象限运行。需要制动时，必须具有反向电
8.2 脉宽调速系统的控制电路
8．2．1．直流脉宽调制器
在直流脉宽调速系统中，晶体管基极的驱动信号是脉冲宽度可
调的电压信号。脉宽调制器实际上是一种电压一脉冲变换器，由电
流调节器的输出电压UC 控制，给PWM装置输出脉冲电压信号，其脉 冲宽度和 UC 成正比。常用的脉宽调制器有以下几种：
上可分双极式、单极式和受限单极式三种。
1.双极式PWM变换器
双极式PWM变换器主电路的结构形式有H型和T型两种，我们主
要讨论常用H型变换器。如图8—5所示，双极式H型PWM变换器由四个 晶体管和四个二极管组成，其连接形状如同字母H，因此称为“H 型”PWM变换器。它实际上是两组不可逆PWM变换器电路的组合。
电动机带有高频微振，因此能克服静摩擦阻力，消除正反向的静摩
擦死区。
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8.1 直流脉宽调制电路的工作原理
双极式可逆PWM变换器电枢平均端电压可用公式表示为
Ud ton T ton 2t US U S ( on 1)U S T T T
以
=Ud/US来定义PWM电压的占空比，则与ton的关系为
的压降使VT2 和VT3 的集电极—发射极间承受反压，当id过零后，
VT2和VT3导通，id反向增加，到t＝T时id达到反向最大值，这期间电 枢AB两端电压uAB＝－US。
由于电枢两端电压uAB 的正负变化，使得电枢电流波形根据负
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载大小分为两种情况。
8.1 直流脉宽调制电路的工作原理
在0≤ t≤ TON 期间(TON为VT1导通时间)，UG1 为正，VT1饱和导
通；UG2为负，VT2截止。此时，电源电压US加到电枢两端，电流id沿
图中的回路1流通。
在TON ≤ t ≤ T期间，UG1、UG2 都变极性，VT1截止，但由于电
流i d沿回路2经二极管VD2 续流。在VD2 两端产生的压降(其极性如
受限单极式PWM变换器在负载较重时，电流单方向连续变化，
因而电压、电流波形与单极式电路一样；但当负载较轻时，若通过 VD的续流电流衰减到零，电流会出现断续的现象，这时电动机电枢
两端的电压uAB跳变为US。断续现象将使PWM调速系统的动、静态特性
变差，换来的好处是系统的可靠性得到了提高。
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3．受限单极式PWM变换器
在单极式PWM变换器电路中有一对晶体管开关元件VT1和VT2交替
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导通，仍有上下管直通的危险。
8.1 直流脉宽调制电路的工作原理
如果将控制方式进行适当的改进，当电动机正转时，让ub2恒为
负，使VT2一直截止，VT1则处于开关工作状态；当电动机反转时， 让ub1恒为负，使VT1一直截止，VT2 处于开关工作状态，其它晶体管 的驱动信号与单极式电路相同，这样就不会产生上下管直通的故障 了，这种控制方式称为受限单极式。
成瞬间的电压升高，称“泵升电压”。如果回馈能量大，泵升电压
太高，将危及功率开关器件和整流二极管，必须采取措施加以限制。
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8.1 直流脉宽调制电路的工作原理
8．1．3．可逆PWM变换器
为了克服Байду номын сангаас可逆变换器的缺点，提高调速范围，使电动机在四
个象限中运行，可采用可逆PWM变换器。可逆PWM变换器在控制方式
2．单极式PWM变换器 单极式PWM变换器的电路和双极式PWM变换器的电路一样，只是
驱动脉冲信号不一样。在单极式PWM变换器中，四个晶体管基极的驱 动电压是：左边两管VT1 和VT2 的驱动脉冲ub1＝－ub2，
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8.1 直流脉宽调制电路的工作原理
具有与双极式一样的正负交替的脉冲波形；使VT1和VT2交替导
2ton 1 T
调速时， 的变化范围变成 －1≤≤ 1 。当
为正值时，
电动机正转；当
停止。
为负值时，电动机反转；当
＝0 时，电动机
双极式PWM变换器的优点是：电流连续，可使电动机在四个象
限中运行，电动机停止时，有微振电流，能消除静摩擦死区，低速 时每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，
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一个周期内电动机电枢两端电压uAB总是大于零的，所以称为单极式 PWM变换器。电动机正转时的电压电流波形如图8－7所示。
如果希望电动机反转，就使ub3恒为正，ub4恒为负，使VT3饱和
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导通，VT4截止，VT1和VT2仍工作在交替开关状态。
8.1 直流脉宽调制电路的工作原理
这样，在0≤t≤ton期间，电动机电枢两端电压uAB=0 ；而在
Ud的局面。这时VT2就在电机制动中发挥作用。
现在分析处于制动状态的工作情况。在TON≤t≤T期间，UG2变正，
VT2导通，产生的反向电流－id沿回路3通过VT2流通，产生能耗制动，
直到t＝T为止。在T≤t≤T＋TON（也就是0≤t≤TON）期间，VT2截止，
－id沿回路4通过VD1续流，对电源回馈制动，
图8－4(a)所示)给VT2施加反压，VT2并不导通。因此，实际上是VT1、
VD2交替导通，VT2而始终不通，
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8.1 直流脉宽调制电路的工作原理
其电压和电流波形如图8－4(b)所示，波形和图8－3的情况一
样。
如果在电动运行中要降低转速，则应该先减小控制电压，使UG1
的正脉冲变窄，负脉变宽，从而使平均电枢电压Ud降低。但由于惯 性的作用，转速和反电动势还来不及立即变化，造成反电动势E >