运动控制课程设计报告正文

一、设计背景

在当今的社会生活中，电子科学技术的运用越来越深入到了各行各业之中，并得到了长足的发展和进步，自动化控制系统更是的到了广泛的应用，其中一项重要的应用就是——自动调速系统。相较于交流电动机，直流电动机结构复杂、价格昂贵、制造困难且不容易维护，但由于直流电动机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力强，适宜在广泛的范围内平滑调速，所以直流调速系统至今仍是自调速系统中的重要形式。

伴随着电力电子技术的不断发展，开关速度更快、控制更容易的全控性功率器件MOSFET和IGBT成为主流，PWM表现出了越大的优越性：主电路线路简单，需用的功率器件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；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；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。

本设计采用PWM技术来对直流电机进行调速，与一般直流调速相比，既减少了对电源的污染，而且使控制过程更简单方便，减少了对人力资源的使用，又因为线路的简单化、功率器件需用的减少，使系统的维护、维修变得更加简单了，但动、静态性能却提高了。

二、系统设计分析

1、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，可以在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套连接，如图2所示。把转速调节的输出当做电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外面，称作外环。这就形成了转速双闭环调速系统。

调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外面，称作外环。这就形成了转速双闭环调速系统。

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的原理图如图3所示。图中标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，他们是按照电力电子变换器的控制电压Uc为正电压的情况标出的并考虑到运算放大器的倒向作用。

双闭环直流调速系统的静特性在负载电流小于Idm时，对应转速调节器的饱

和输出

*

im

U，这时，电流调节器起主要作用，系统表现为电流无静差，得到过电

流的自动保护。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截止负反馈的单闭环系统静态特性好。然而，实际上运

算放大器的开环放大系数并不是无穷大，特别是为了避免零点漂移而采取“准PI 调节器”时，静特性的两段实际上都略有很小的静差。

2、调速系统起动过程的电流和转速波形

如图所示，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

调速系统起动过程的电流和转速波形

3、H 桥双极式逆变电路原理

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。

H 形双极式逆变器电路如下图所示。这时电动机M 两端电压AB U 的极性随开

双闭环直流调速系统电路原理图

+ + - +

- M G

+

-

+

-

RP

2

n U

*n R 0 R

Uc

Ui

TA

L

Id

R i C i U d

+ + - R

0 R

0 R n C

n AS R AC

R LM GT

V RP 1 U

n

U

*i

LM M T U

I dL

n

I d I dm

I dL n t I d O

I dm

I n

n

(a)

(b)

关器件驱动电压的极性变化而变化。

H 桥式可逆PWM 变换器

双极式控制方式 （1）正向运行：

第1阶段，在 0 ≤ t ≤ ton 期间， Ug1 、 Ug4为正， VT1 、 VT4导通， Ug2 、 Ug3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， Ug1 、 Ug4为负， VT1 、 VT4截止， VD2 、 VD3续流， 并钳位使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 ； （2）反向运行：

第1阶段，在 0 ≤ t ≤ ton 期间， Ug2 、 Ug3为负，VT2 、 VT3截止， VD1 、 VD4 续流，并钳位使 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， Ug2 、 Ug3 为正， VT2 、 VT3导通， Ug1 、 Ug4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 ；

双极式控制可逆PWM 变换器的输出平均电压为

s on

s on s on d )12(U T

t U T t T U T t U -=--=

如果占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相同，则在双极式控制的可逆变换器中

调速时，ρ的可调范围为0-1，–1<γ <+1。

当ρ>0.5时，γ为正，电机正转；当ρ<0.5时，γ为负，电机反转；当ρ= 0.5时，γ = 0 ，电机停止。

当电机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电机的损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点：

（1）电流一定连续；

（2）可使电机在四象限运行；

（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。双极式控制方式的不足之处是：

在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。

三、系统各环节建模及系统模型

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。系统中设置了电流检测环节、电流调节器以及转速检测环节、转速调节器，构成了电流环和转速环，前者通过电流元件的反馈作用稳定电流，后者通过转速检测元件的反馈作用保持转速稳定，最终消除转速偏差，从而使系统达到调节电流和转速的目的。该系统起动时，转速外环饱和不起作用，电