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1、华中科技大学文华学院毕业设计(论文)直流PWM调速系统研究 学 生 姓 名： * 学号： 学 部 （系）： 机械与电气工程学部 专 业 年 级： 1 指 导 教 师： 学 位：硕士 2014 年 5 月20日目 录 摘 要2Abstract3前言4第一章 直流调速系统的现状5第二章 直流电机调速系统62.1直流电机调速系统的概述62.1.1旋转变流机组直流电机调速系统62.1.2静止式可控整流器调速系统72.1.3 直流斩波器或脉宽调速82.2电机基本调速方法82.2.1电枢串电阻调速92.2.2弱磁调速92.2.3调压调速102.3转速控制的要求和调速指标102.4 闭环调速系统112.4.
2、1 单闭环调速系统11第三章 调速系统的直流脉宽调制133.1PWM变换器133.1.1 简单的不可逆PWM变换器133.1.2 制动不可逆PWM变换器13第四章 PWM直流电动机调速系统的设计164.1 PWM-M直流调速系统的控制电路164.2 直流脉宽调速系统的MATLAB仿真174.2.1 引言174.2.2双闭环控制的脉宽调速系统的仿真模型174.2.3 系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析19结束语23参考文献24致 谢25直流PWM调速系统研究摘 要 采用单片机构成的直流电机数字PWM调速系统，其控制核心主要由单片机、转速电流输入通道、键盘显示模块、数字PI调节器、数字PWM波形
3、发生器等组成，可实时采集转速和电流，由软件编程实现转速电流数字PI调节器的运算并产生数字PWM波。系统通过对电流和转速两个参数的实时采集和处理，实现了直流电动机的实时数字PWM控制，在运行中获得了良好的动静态性能。由于系统结构简单，具有实用价值和推广意义。 关键词：调速，PWM控制，直流电动机，仿真 Reserch on speed regulation system of DC PWMAbstractIn the electric drive system, The DC Driving System which adjusts voltage is the widest used in t
4、he speed control methods. Besides to use the thyristor rectifier to adjust DC voltage, also it could use the other power electronic components controlled performance. Using pulse width modulation technology. Directly to modulate the constant DC voltage into variable-polarity,size adjustable DC volta
5、ge. to achieve the smooth regulation of the dc motor voltage. Constituting a DC motor PWM speed control system. Finally,with the MATLAB-Simulink, it use the simulation technique for the electric principle chart,to make the simulation analysis for the PWM speed control system of the DC motor.Key word
6、s: speed regulation, PWM control, DC motor, simulation前言 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。一次是元器件的更新，即以大功率半导体器件晶闸管取代传统的变流机组，以线形组件运算放大器取代电磁放大器件。后一次技术更新主要是把现代控制理论和计算机技术用于电气工程，控制器由模拟式进入了数字式。在前一次技术更新中，电气系统的动态设计仍采用经典控制理论的方法。而后一次技术更新是设计思想和理论概念上的一个飞跃和质变，电气系统的结构和性能亦随之改观。在整个电气自动化系统中，电力拖动及调速系统是其中的核心部分
7、。现代的电力拖动控制系统都是由惯性很小的晶闸管、电力晶体管或其他电力电子器件以及集成电路调节器等组成的。经过合理的简化处理，整个系统一般都可以用低阶近似。而以运算放大器为核心的有源校正网络（调节器），和由 R、C等元件构成的无源校正网络相比,又可以实现更为精确的比例、微分、积分控制规律,于是就有可能将各种各样的控制系统简化和近似成少数典型的低阶系统结构。如果事先对这些典型系统作比较深入的研究,把它们的开环对数频率特性当作预期的特性,弄清楚它们的参数和系统性能指标的关系,写成简单的公式或制成简明的图表,则在设计实际系统时,只要能把它校正或简化成典型系统的形式,就可以利用现成的公式和图表来进行参数
8、计算,这样,就建立了工程设计方法的可能性。目前，随着大功率电力电子器件的迅速发展，交流变频调速技术已日臻成熟并日渐成为实际应用的主流，但这并不意味着传统的直流调速技术已经完全退出了实际应用的舞台。相反，近几年交流变频调速在控制精度的提高上遇到了瓶颈，于是直流调速的优势就显现了出来。鉴于直流调速系统在国民经济和工农业生产以及国防事业中的重要作用，有必要对直流调速系统作进一步的研究和开发。本文共分为四章，主要针对直流调速系统的PWM控制进行相关研究。第一章主要概述了直流电机调速系统的研究背景与发展现状；第二章介绍了直流电机调速系统的理论基础，简要介绍了调速的原理和结构；第三章介绍了脉宽调制原理及对
9、目前常用的各种PWM变换器进行了分析；第四章对基于PWM控制技术的直流电机调速系统进行了设计，并运用计算机软件对其进行了仿真研究；最后对全文进行了总结。第一章 直流调速系统的现状本文基于PWM的双闭环直流调速系统进行了研究，并设计出应用于直流电动机的双闭环直流调速系统。首先描述了变频器的发展历程，提出了PWM调速方法的优势，指出了未来PWM调速方法的发展前景，点出了研究PWM调速方法的意义。应用于直流电机的调速方式很多，其中以PWM变频调速方式应用最为广泛，而PWM变频器中，H型PWM变频器性能尤为突出，作为本次设计的基础理论，本文将对PWM的理论进行详细论述。在此基础上，本文将做出SG352
10、5单片机控制的H型PWM变频调速系统的整体设计，然后对各个部分分别进行论证，力图在每个组成单元上都达到最好的系统性能。调速系统包括直流调速系统和交流调速系统两大类。由于直流电动机的电压、电流和磁通之间的耦合较弱，使直流电动机具有良好的机械特性，能够在大范围内平滑调速，启动、制动性能良好，故其在20世纪70年代以前一直在高精度、大调速范围的传动领域内占据主导地位。但随着生产技术的不断发展，直流拖动的薄弱环节逐步显示出来。由于换向从20世纪80年代起，在电气传动自动化领域中出现了一个革命性的变化，这就是交流电动机调速技术取得了突破性进展。有许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快
11、速地起动和制动，这就需要电力拖动系统具有四象限运行的特性，也就是说，需要可逆的调速系统。改变电枢电压的极性，或者改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电机的旋转方向。 控制技术已居世界先进水平。但由于造价较高，目前在国内应用局限性较大，在较短的时间内难以取代较为落后的直流调速。相对而言，PWM直流调速系统主电路线路简单，功率元件少，开关频率高，其控制水平从1000Hz可达到4000Hz，电机电流连续，低速性能好，谐波少，稳态精度高，脉动小，损耗和发热都较小，调速范围宽，调速系统频带宽，快速响应性好，动态抗扰能力强。直流电机脉冲宽度调制调速系统产生于70年代中期.最早用于不可逆、小功率驱动,例如自动
12、跟步研究，在调速精度要求较高的场合，对解决传统直流调速系统调速精度低、稳定性差的难题，具有广泛的意义和价值。 第二章 直流电机调速系统 2.1直流电机调速系统的概述直流电动机调速系统经历不同的三个阶段： 1. 旋转变流机组直流电机调速系统 旋转变流机组直流电动机调速系统（G-M 系统）由交流电动机（异步机或 同步机）拖动直流发电机G 实现变流，由G 给需要的直流电动机M 供电，调节G 的励磁 电流 f i 即可其输出电压U，从而调节电动机的转速n。 2. 晶闸管-电动机调速系统 采用闸流管或汞弧整流器的离子拖动系统是最早应用静止式变流装置供电的直流电 动机调速系统。VT 是晶闸管可控整流器，通
13、过调节触发装置 GT 的控制 电压 c U 来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压 d U ，从而实现平滑调速。晶闸管整流 装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越 性；晶闸管可控整流器的功率放大倍数在 4 1 0 以上，其门极电流可以直接用晶体管来控 制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。 3.直流脉宽调速系统 直流PWM 调速系统的基本构架和电压波形 VT 用开关符号表示任何一种电力电子开关器件，VD 表示续流二极管，通 过控制 VT 的导通时间 o n t
14、来控制直流电动机的电枢的平均电压，从而控制电动机转速 n。 直流 PWM 调速系统的基本构架简单，但电机不能反转和制动，电流也不连续。现在最常 用的是桥式（亦称 H 性）PWM 调速系统，其可使电动机在四个象限运行；保持电枢电流的 连续性。2.1.1旋转变流机组直流电机调速系统如图2-1，旋转变流机组直流电动机调速系统（G-M系统）由交流电动机（异步机或同步机）拖动直流发电机G实现变流，由G给需要的直流电动机M供电，调节G的励磁电流即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n。这种调速系统在60年代曾广泛使用，但该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发
15、电机，因此设备多，体积大，费用高，效率低，安装须打地基，运行有噪声，维护不方便。图2-1旋转变流机组直流电动机调速系统（G-M系统）2.1.2静止式可控整流器调速系统自从晶闸管（俗称“可控硅”）问世，到了60年代，已生产出成套的晶闸管整流装置，并应用于直流电动机调速系统，即晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）。如图2-2，VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。和旋转变的散热条件。另外，由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，因此必须添置无功补偿和谐波滤波装置。 图2-2晶闸管可控整流器供电的
16、直流调速系统（V-M系统）2.1.3 直流斩波器或脉宽调速图2-3直流斩波器电动机系统的原理图和电压波形1）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。2）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽。3）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗绕能力强。4）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，因而可以完全取代VM系统。2.2电机基本调速方法由电机学基本理论可知，直流电动机转速特性方程式为励磁磁通（Wb）；由电机结构决定的电动势常数；由上式可见，直流电动机调速方案可有以下三种。2.2.1电枢串电阻调速图2-4调阻调速特性曲线如图2-4所示范
17、围窄，不能实现无级平滑调速，只用于一些要求不高的场合。2.2.2弱磁调速图2-5磁调速特性曲线如图2-5频谱也增大。弱磁调速虽然能实现平滑调速，但其调速范围太小，特性较软，因而只是在额定转速以上作小范围升速时才采用。2.2.3调压调速图2-6调压调速特性曲线如图2-6，额定励磁保持不变，理想空载转速随U减小而减小，各特性线斜率不变，由此可在动系统中被广泛采用。2.3转速控制的要求和调速指标对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面：1） 调速2） 备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。为了进行定（2-2）2）静差率：负载由理想空载增加到额定值时，对
18、应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率，即 （2-3）一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的 。对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。对于同一个调速系统，项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义，一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。2.4 闭环调速系统2.4.1 单闭环调速系统根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差图2-7a 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图将给定量和扰动量看成两个独立的输入量，只考虑给定作用时的闭环系统：（2-5）它相当于在测速反
19、馈电位器输出端把反馈回路断开后，从放大器输入起直到测速反馈输出为止总的电压放大系数，是各环节单独的放大系数的乘积。电动机环节放大系数为：（2-6）只考虑扰动作用时的闭环系统：图2-7c =0时（2-7）由于已认为系统是线性的，可以把二者叠加起来即得系统的静特性方程式：如果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为（2-9）而闭环时的静特性可写成 （2-10）其中和分别表示开环和闭环系统的理想空载转速，和分别表示开环和闭环系统的稳态速降。 （2-11）按理想空载转速相同的情况比较，则 = 时： （2-12）如调制的输出电压，使系统工作在新的机械特性上，因而转速有所回升，速度降落降低。由此看来，闭环
20、系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降。图2-8 闭环系统静特性和开环机械特性的关系第三章 调速系统的直流脉宽调制3.1PWM变换器PWM变换器作用是：用PWM控制电路的输出波形信号，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度不可逆与可逆两大类。3.1.1 简单的不可逆PWM变换器简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统主电路原理图如图3-5所示，功率开关器件可以是任意一种全控型开关器件，这样的电路又称直流降压斩波器。 a 电路原理图 b 电流和电压波形图3-5 简单不可逆PWM控制电路及其波形图3-5a所示为一个简单的
21、不可逆PWM控制变换电路原理图。电源电压E通常由交流图3-5b为稳态时电枢端电压、电枢平均电压和电枢电流的波形。可见，稳态电流是3.1.2 制动不可逆PWM变换器图3-6a所示为具有制动状态的不可逆PWM变换器。它由两个功率晶体管、和两个二极管、组成。是起调制作用的主控管，是辅助管。来自脉宽调制电路的两个极性相反的脉冲电压、分别作用到、的基极。控制电路工作在电动状态时的电压、电能耗制动作用。因此，在制动状态中，和轮流导通，而始终是关断的，此时的电压和电流波形示于图3-6c。a 电路原理图 b电动状态电压和电流波形 图3-6 制动不可逆PWM变换器及其波形有一种特殊情况，即轻载电动状态，这时平均
22、电流较小，以致在关断后经续流时，还没有到达周期T ，电流已经衰减到零，此时，因而两端电压也降为零，便提前导通了，使电流方向变动，产生局部时间的制动作用。轻载电动状态。3.1.3 H型双极式PWM变换器图3-7为H型双极式PWM变换器，它由四个大功率晶体管和四个续流二极管组成。四个大功率管分为两组，和为一组，和为另一组。在基极驱动信号=，=-的作用下，同一组中的两个晶体管同时导通或同时关断，两组晶体管之因此，PWM变换器a 电路原理图b 电压电流波形图3-7 H型双极式PWM变换器及其波形双极式控制可逆PWM 有以下优点（1）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（2）低速平稳性好，系统的调速
23、范围可达1:20000左右；（3）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利保证器件的可靠导通。第四章 PWM直流电动机调速系统的设计4.1 PWM-M直流调速系统的控制电路电力晶体管构成的PWM变换器是调速系统的主电路，是对已有的PWM波形的电压信号进行功率放大，并不改变信号的PWM波性质。而PWM电压波形的产生、分配则是PWM控制器UPW、调制波发生器GM、逻辑延时环节DLD和电力晶体管的基极驱动器GD。图4-1 双闭环控制的脉宽调速系统原理框图1）多谐振荡器和单稳态触发器组成的脉宽调制器；2）数字式脉宽调制体管还未完全关断，如果此时另一个晶体管已经导通，则将造成上下两管直通，从而使电源短
24、路。为了避免发生这种情况，应设置一个逻辑延时环节，保证在对一个管子发出关闭脉冲后，延时一段时间再发出对另一个管子的开通脉冲，避免两个晶体管同时导通。3）在逻辑延时环冲信号进行功率放大，以驱动主电路的电力晶体管，每个晶体管有独立的基极驱动电路，确保晶体管在开通时能迅速达到稳定状态。4.2 直流脉宽调速系统的MATLAB仿真4.2.1 引言控制系统的计算机仿真是一门涉及到控制理论、计算数学与计算机技术的综合性新型学科，它是以控制系统的数学模型为基础，以计算机为工具，对系统进行实验研究的一种方法。系统仿真就是用模型（即物理模型或数学模型）代替实际系统进行实验和研究，而计算机仿真使用MATLAB的Si
25、mulink工具箱对其进行计算机仿真研究。4.2.2双闭环控制的脉宽调速系统的仿真模型双闭环控制的脉宽调速系统原理框图如图4-1所示，图4-9是采用面向双闭环控制脉宽调速系统原理结构图构作的直流脉宽调速系统的仿真模型。图4-9 双闭环直流脉宽调速系统仿真模型图1主电路建模和参数设置：由图4-9可见，主电路由直流电源、IGBT逆变器桥、直流电动机等部分组成。“直流受PWM device”选择为“MOSFET/Diodes”即可。图4-10 “Universal Bridge”对话框参数设置 图4-11 直流电动机的参数设置直流电动机的建模和参数设置：首先从电机系统模块中选取“DC Machine
26、”模块，电动机的励磁环节、转速调节器ASR、电流调节器ACR，速度、电流反馈环节、PWM信号发生器等。其中，转速调节器和电流调节器各封装在子模块中，里面包含PI调节，限幅值等。1）给定电压环节：改变给定电压即可改变电动机的转速，从sources模块组中选取两个模块“constant”，可先设定其一参数为10，另一参数设为-10，作为给定环节，可正负切换给定值，使电动机能够正转和反转。 （4-1）式中：-比例系数，-积分系数，通过分析，转速、电流调节器的各参数如图所示。其中ASR、ACR的限幅值均设定为-10,10。a 转速调节器ASR b电流调节器ACR图4-12 转速、电流PI调节器的各参数
27、设定3）转速、电流反馈环节：在稳态工作点上，转速是由给定电压决定的，设定转速反馈系数为0.00417，由式，可首先估算出经放大后的转速的值，通过示。4.2.3 系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析建设及励磁电流的波形曲线。 图4-13 调速系统励磁电流的波形 图4-14 起动时的电流波形（正转） 图4-15 脉宽调速系统转速仿真波形 图4-16 脉宽调速系统电流仿真波形 图4-17 脉宽调速系统转矩仿真波形1、从仿真突变，而是在最短时间内迅速达到允许的最大值。2、采用了转速、电流双闭环控制电路，转速从零开始到稳定转速的过渡，所需时间短，起到了快速起动的作用，如图4-18所示，到达稳定转速时间约
28、为1s。图4-18 转速的过渡过程3、系统实现了正反转运行，当给定电压环节从+10拨向-10时，电机便实现反转，其转给定值=6及=4时的转速波形。图4-19 改变后的转速仿真波形结束语 本文主要利用MATLAB对转速、电流双闭环直流脉宽调速系统的设计进行仿真和调试。在此基础上，本文首先对直流电机调速的状况进行介绍，介绍了在几种直流调速系统（如旋转变流机组、可控晶闸管整流器、脉宽调速等），基于脉宽调速以往调速系统所没有的优点，本设计采用直流脉宽对主电路进行控制。本设计中，调速是系统的主要功能，通过研究直流电动机的机械特性，得出了几种常见的改变转速的方法，因调压调速可实现额定转速以下大范围平滑调速
29、，并且在整个调速范围内机械特性硬度不变。这种方法在直流电力拖动系统中被广泛采用。为了使系统能保证稳定的前提下实现转速无静差，且能够快速起制动，重点介绍了转速、电流双闭环控制系统。转速负反馈得到的反馈电压，与给定值进行比较后，产生了频率一定，占空比可调的脉宽序列，并通过功率放大后，对主电路变换器的电力电子元件的导通和关断进行驱动控制，从而改变电动机的转速，本设计，为了实现PWM控制，介绍了PWM调制技术的原理，并对PWM变换器进行了详细介绍，为了使系统能正反转运行，主电路采用双极式桥式变换器。最后，通过计算机仿真软件MATLAB对系统进行了仿真，通过对波形的分析验证了转速、电流双闭环脉宽调速系统
30、的优点。通过本次设计，加强了我对知识的掌握，使我对设计过程有了全面地了解。通过学习控制系统工作原理以及如何利用仿真软件进行仿真，我查阅了大量相关资料，学会了许多知识，培养了我独立解决问题的能力。同时在对电路设计的过程中，巩固了我的专业课知识，使自己受益匪浅。在本次设计中我意识到自己在专业知识方面还有很多不足，软件的应用还有些不太熟练，论文中自主创新的环节太少，可以在加强自身专业知识的前提下改善、创新、应用。总之，通过本次设计不仅进一步强化了专业知识，熟悉了常用办公软件以及专业软件的使用方法、快捷方式，还掌握了设计系统的方法、步骤等，为今后的工作和学习打下了坚实的基础。参考文献1、许晓峰电机及拖
31、动北京：高等教育出版社，20042、莫正康电力电子应用技术北京:机械工业出版社，20003、宋书中交流调速系统北京:机械工业出版社，19994陈坚.电力电子学电力电子变换和控制技术M.高等教育出版社，2002.5陈伯时.电力拖动自动控制系统M.机械工业出版社，2000.6黄俊,王兆安.电力电子变流技术M.北京:机械工业出版社，1999.7马志源.电力拖动控制系统M.北京：科学出版社,2003.8R.Cardenas,MRASobserverforDoublyFedInductionMachines,J.IEEE9.高美霞,黄小芹.直流PWM调速系统研究.包头钢铁学院学报,2000年19卷4期,
32、起止页码：336-338.10.王玉茹,逄海萍.一种直流PWM调速实验装置的设计.山东科学,国内统一刊号：CN37-1188,起止页码：51-54.致 谢在毕业设计期间，张老师作为我的指导老师在设计选题、手收集资料、仿真设计以及撰写论文中给了我很大的帮助和耐心的指导，张老师学识渊博、治学严谨、平易近人是我们学习和生活中的榜样，在此我特向张老师表示崇高的敬意和由衷的感谢。短暂的大学生活转眼就要结束了，这是我人生中最重要的学习时间。在大学的校园里，我不仅学到了丰富的专业知识，也学到了终身受用的学习知识和积极的生活态度，通过对课程的学习和与相关专业老师的沟通，使我深感机会难得，获益非浅。各位老师的悉心授课使我对电气专业有了更多、更丰富的认识，为今后的学习和工作打下了坚实的基础。另外在设计过程中还得到了设计小组成员的大力帮助，在此表示感谢，我将在以后的工作中不断努力学习。最后再次感谢母校和各位老师对我的培养和帮助。
