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1、PWM脉宽直流调速系统设计 摘要 直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用。本文从直流电动机的工作原理入手，建立了双闭环直流调速系统的数学模型，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后按照自动控制原理，对双闭环调速系统的设计参数进行分析和计算，利用Simulink对系统进行了各种参数给定下的仿真，通过仿真获得了参数整定的依据。在理论分析和仿真研究的基础上，本文设计了一套实验用双闭环直流调速系统，详细介绍了系统主电路、反馈电路、触发电路及控制电路的具体实现。对系统的性能指标进行了实验测试，表明所设计的双闭环调速系统运行稳定可靠，具有较好
2、的静态和动态性能，达到了设计要求。采用MATLAB软件中的控制工具箱对直流电动机双闭环调速系统进行计算机辅助设计，并用SIMULINK进行动态数字仿真,同时查看仿真波形,以此验证设计的调速系统是否可行。关键词 直流电机 直流调速系统 速度调节器 电流调节器 PWM调速系统 双闭环系统 仿真Abstract DC motor has been widely used in the area of electric drive because of its neatly adjustment, simple method and DC motor has been widely used in t
3、he area of electric drive because of its neatly adjustment, simple method and smooth control in a wide range, besides its control performance is excellent. Beginning with the theory of DC motor, this dissertation builts up the mathematic model of DC speed control system with double closed loops, det
4、ailedly discusses the static and dynamic state performance of the system. Afterward, according to automation theroy this papar calculates the parameters of the system. Then, this dissertation simulates and analyzes the system by means of Simulink. The results of simulation are consistent with theory
5、 calculation. Some experience was acquired through simulation. Based on the theory and simulation, this dissertation designs a DC speed control system with double closed loops, discusses the realization of main circuit, feedback circuit, control circuit and trigger circuit. The results of experiment
6、 show that the static and dynamic state performance of this system are good, which indicate that the design can meet the requirements.Computer-aided analysis and design are carried out for speed-controlling system of the d-c motorby by using TOOL BOX and SIMULINK.Keywords DC motor, DC governing syst
7、em, speed governor, current governor, double loop control system, simulink一、双闭环直流调速系统的工作原理1、双闭环直流调速系统的介绍双闭环调速系统的工作过程和原理：电动机在启动阶段，电动机的实际转速(电压)低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号，经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器, 此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值, 电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流(堵转电流)
8、可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在电动机转速上升到给定转速后, 速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动,速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压相应变化,从而校正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数, 还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节,可以在电动机转速还未来得及发生改变时,迅速使电流恢复到原来值,从而使速度更好地稳定于某一转速下运行。2、双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可
9、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。两者之间实行嵌套连接，如图11所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，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；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。图11 转速、电流双闭环直流调速系统其中：ASR-转速调节器 ACR-电流调节器 TG-测速发电机 TA-电流互感器 UPE-电力电子变换器 -转速给定电压 Un-转速反馈电压 -电流给定电压 -电流反馈电压实际上在正常运行时，电流调节器始终为不饱和状态，而转速调节器则处于饱和和不饱和两种状态。双
10、闭环直流调速系统的稳态结构图如图2所示。图2 双闭环直流调速系统的稳态结构图 双闭环直流调速系统的动态结构图如图3所示。图3双闭环直流调速系统的动态结构图图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，在电动机的动态结构图上必须把电流标示出来。电机在启动过程中，转速调节器经历了不饱和、饱和、退保和三种状态，整个动态过程可分为图4中的三个阶段。双闭环直流调速系统启动过程的转速和电流波形如图4所示。图4 双闭环直流调速系统起动过程的转速和电流波形图4中所示的启动过程，阶段是电流上升阶段，电流从0到达最大允许值Idm，ASR饱和、ACR不饱和；阶段时恒流升速阶段，Id基本保持在Id
11、m，电动机加速到了给定值n*，ASR饱和、ACR不饱和；阶段时转速调节阶段（退饱和阶段），ASR不饱和、ACR不饱和。双闭环直流调速系统的起动过程利用饱和非线性控制，获得了准时间最优控制，但却带来了转速超调。2.2 H桥PWM变换器 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，从而改变平均输出电压的大小，以调节电机的转速。由于题目中给定为转速、电流双闭环控制的H型双极式PWM直流调速系统，电动机M两端电压的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。通过调节开关管的导通和关断时间，即占空比，可以达到对直流电机进行调速的目的。H型双极性PWM变
12、换器如图5所示。 图5 桥式可逆PWM变换器电路双极式控制可逆PWM变换器的四个驱动电压波形如图6所示。 图6 双极式控制可逆PWM变换器的驱动电压、输出电压和电流波形它们的关系是：。在一个开关周期内，当时，晶体管VT1、VT4饱和导通而VT2、VT3截止，这时。当时，VT1、VT4截止，但VT2、VT3不能立即导通，电枢电流经VD2、VD3续流，这时。在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征，其电压、电流波形如图6所示。电动机的正反转体现在驱动电压正负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，则的平均值为正，电动机正转；当正脉冲较窄时，则反转；如果正负脉冲相等，平均输出电压为零，则电动机停止转
13、动。双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为 (1)如果定义占空比，电压系数，则在双极式可逆变换器中 (2)调速时，的可调范围为01，相应的。当时，为正，电动机正转；当时，为负，电动机反转；当时，=0，电动机停止。但是电动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。3 系统参数的选取3.1 PWM变换器滞后时间常数TsPWM控制与变换器的动态数学模型和晶闸管触发与整流装置基本一致。当控制电压改变时，PWM变换器输出平均电压按现行规律变化，但其响应会有延迟，最大的时延是一周开关周期T。PWM装置的延迟时间，一般选取 =0.001s (3) 其中，-开关器件I
14、GBT的频率。3.2 电流滤波时间常数和转速滤波时间常数 PWM变换器电流滤波时间常数的选择与晶闸管控制电路有所区别，这里选择电流滤波时间常数 =0.132 Vminr=0.18s=0.03s4 电流调节器ACR的设计 4.1 电流环小时间常数计算 按小时间按常数近似处理，取 =+=0.002+0.001=0.003 (7)4.2 电流调节器结构选择 根据设计要求，并保证稳态时在电网电压的扰动下系统无静差，可以按典型型系统设计电流调节器，电流环控制对象是双惯性的，因此可以采用PI调节器，其传递函数可见式（8）。 (8) 检查对电源电压的抗扰性能：，分析可知，各项指标都是可以接受的。4.3 电流
15、调节器参数计算 电流调节器超前时间常数：。 电流环开环增益：要求，根据典型I型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系可知，应取，因此 (9)于是，ACR的比例系数为 4.4 校验近似条件 电流环截止频率：166.7 （1）PWM变换装置传递函数的近似条件 (11)满足近似条件。 （2）校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件 (12)满足近似条件。（3）电流环小时间常数近似处理条件 (13)满足近似条件。4.5 调节器电容和电阻值计算按所用运算放大器取，各个电阻和电容值的计算如下： 取50 取0.6 取0.2PI型电流调节器原理图如图7所示。 图7 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器
16、由以上计算可得电流调节器传递函数为 (14) 校正成典型I型系统的电流环动态结构图如图8所示。 图8 电流环的动态结构图5 速度调节器ASR设计5.1 时间常数的设定在电流调节器的设计中为了达到电流超调的要求（），所以电流环等效时间常数为： 转速环小时间常数。按小时间常数处理处理，取 (16) 5.2 转速调节器结构选择为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中。现在扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速环开环调节器应该有两个积分环节，所以应该设计成典型II型系统，这样的系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节
17、器，其传递函数为 (17) 5.3 转速调节器参数计算 按跟随性和抗扰性好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为： (19) 转速环的开环增益为： (20) 于是可得ASR的比例系数为： (21) 5.4 校验近似条件 转速环的截止频率为： （1）电流环传递函数简化条件 (22) 满足简化条件。 （2）转速环小时间常数近似处理条件 (23) 满足简化条件。 （3）校核转速超调量 当h=5时，由典型II型系统的阶跃输入跟随性能指标的关系可知，不能满足设计的要求。实际上，突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量。 系统空载启动到额定转速时的转速超
18、调量： 满足要求。5.5 调节器电容和电阻值计算按所用运算放大器取，各电阻和电容值计算如下： 取510 取0.2 取1 PI型转速调节器原理图如图9所示。图9 含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器由以上计算可得转速调节器的传递函数为 (24) 校正成典型II型系统的转速环的动态结构图如图10所示。 图10 转速环的动态结构图6 采用MATLAB对系统进行仿真 利用MATLAB-SIMULINK对系统进行仿真，系统框图和仿真结果如下所示。6.1 原理框图设计6.1.1 电流环原理图图11 电流环原理图 电流环的原理图如图11所示，输入为阶跃信号，通过ACR输出限幅，控制输出电流幅值大小。电流反
19、馈环节加上PI调节器，使稳态输出无静差。6.1.2 转速环原理图 转速环原理图如图12所示。阶跃给定输入信号经过一个惯性环节输出，与反馈环节的比较作为ASR的输入，ASR输出限幅，控制输出直流电压幅值大小。负载扰动设定为阶跃信号，系统空载启动。若仿真时间设为5s,可以设定在3s时加入负载的扰动。 图12 转速环原理图 6.1.3转速、电流双闭环直流调速系统原理图图13 双闭环直流调速系统的MATLAB仿真原理图 图中，step为一个电压阶跃信号，当t=0时，跳变为阶跃值为10的信号。 图中subsystem是新建的一个系统，通过设计参数，其等效为ASR或者ACR，只是两者的参数设置不一样，但内
20、部结构相同，包含比例环节和积分环节，如图14所示。图14 ASR和ACR内部结构图6.2 仿真结果6.2.1电流环仿真结果 电流环的仿真结果如图15所示。突加给定电压，电流迅速上升至最大值，存在一定的超调，因给定输入达到限幅值，强迫电枢电流上升阶段结束，电流减小达到给定值并维持稳定。设置给定值为200，在直流电动机的恒流升速阶段，电流值低于200A，其原因是电流调节系统受到电动机反电动势的扰动。选择KT=0.5.当KT的值越大时，超调越大，但上升时间越短。图15 电流环仿真结果6.2.2转速环仿真结果图16 转速环仿真结果 双闭环直流调速系统仿真结果如图16所示，系统的起动过程包含三个阶段。电
21、流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节（退饱和）阶段。在图16中，黄色曲线表示转速变化，紫色曲线表示电枢电流的变化。6.2.3转速环抗负载扰动仿真结果 利用转速环仿真模型同样可以对转速环抗扰过程进行仿真，它是在负载电流IdL(s)的输入端加上负载电流。得到转速环的抗扰波形图如图17所示。图17 转速环抗扰仿真结果6.3 仿真结果分析 双闭环控制电动机的转速和电流分别由两个独立的调节器控制，转速调节器的输出就是电流调节器的给定，因此电流环能够随转速的偏差调节电动机电枢的电流。当转速低于给定转速时，转速调节器的积分作用使输出增加，即电流给定上升，并通过电流环调节使电动机电流增加，从而使电动机获得加速转
22、矩，电动机转速加速上升，电机启动性能良好，满足动态稳定性和稳定性。7 双闭环系统的电路设计7.1 转速调节器ASR电路设计中采用运算放大器TL082作为系统转速调节器电路，如图18所示，给定电压由正负10V电源加在两个电位器上构成，通过调节电位器R11、R22即可调节给定电压的大小，在经过电压跟随器加到速度调节器上。图中稳压二极管D3、D4配合构成限幅器限制ASR输出的最大电压，保证了系统在启动过程中电机能够在最大转矩下安全的恒流启动。实现饱和非线性控制。图18 转速调节器ASR电路7.2 电流调节器ACR电路电流环调节器硬件电路是如图19所示的PI调节器。同速度调节器，D1、D2构成限幅电路
23、，当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起到堵转以及过流保护作用。ASR的输出作为给定信号加在端，反馈的电流信号加在UiF端。图19 电流调节器ACR电路 电流检测部分采用霍尔传感器检测出主回路中的电流，送入电流调节器的电流反馈输入端。通过调节电位器R20即可调节的值到适当的大小。电流检测电路如图20所示。图20 电流检测电路7.3 PWM脉宽控制电路 如图21所示为PWM脉宽控制电路，控制电压Uc控制SG3524输出两路带死区互补的PWM波，通过控制电压Uc的大小控制占空比的大小。然后一路PWM波连接U5的HIN和U7的LIN，另一路PWM波其通过SN74LS04反相连接U7的LIN
24、和U5的HIN，这样就共同通过一片SG3524驱动两路半桥电路，实现全桥驱动。 图21 PWM脉宽控制电路SG3524介绍和电路参数设定如下：SG3524的基准源属于常规的串联式线性直流稳压电源,它向集成块内部的斜波发生器、PWM比较器、T型触发器等以及通过16脚向外均提供+5V的工作电压，基准电压振荡器先产生0.6V-3.5V的连续不对称锯齿波电压Vj,再变换成矩形波电压,送至触发器、或非门,并由3脚输出。本设计采用集成脉宽调制器SG3524作为脉冲信号发生的核心元件。根据主电路中MOSFET的开关频率，选择适当的RT、CT值即可确定振荡频率。振荡器频率由SG3524的6脚、7脚外接电容器C
25、T和外接电阻器RT决定,其为:f=1.15/RTCT。由初始条件知，开关频率为10kHz，可以选择RT=12k ，CT=0.01uF。两路输出单独使用时，输出脉冲占空比为0%45%，脉冲频率为振荡频率的一半。两路输出并联使用才能使输出脉冲占空比为0%90%，脉冲频率为振荡频率。IR2110介绍与电路参数设定如下：MOSFET驱动采用了集成芯片IR2110，IR2110采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS工艺制作，具有独立的高端和低端输出通道；逻辑输入与标准的CMOS输出兼容；浮置电源采用自举电路，其工作电压可达500V，du/dt=50V/ns，在15V下的静态功耗仅有1.6mW；输出的栅极驱动电
26、压范围为1020V，逻辑电源电压范围为515V，逻辑电源地电压偏移范围为5V5V。IR2110采用CMOS施密特触发输入，两路具有滞后欠压锁定。因SG3524振荡频率为10KHz，电容C35和C45大小取1uF。且为了防止IR2110驱动的半桥直通，反相器需有一定的时间裕量，保证同一路IR2110两互补信号有死区，在这里用SN74LS14构成的反相器可以满足要求。 设计心得体会 通过对PWM脉宽直流调速系统的设计，是我更深刻的理解课本所学知识，对双闭环系统的设计步骤和设计过程有了更深入的了解。 通过本次课程设计，加深了对所学电力拖动自动控制系统课程知识的理解，特别是双闭环直流调速系统的设计，包
27、括电流环、转速环的设计,以及PWM在调速中的运用和作用。设计时借助MATLAB软件进行直流调速系统分析，进一步熟悉了MATLAB中SIMULINK的仿真，让我真切的感受到SIMULINK在仿真中的重要性，同时也意识到它对我们自动化专业学生来说，必须掌握的一门技术。 在此次课程设计中，我觉得查阅各类书籍是很重要的，通过查阅图书馆的书籍可以开拓我们的视野，使我们的思维不仅仅局限在一个很小的圈子里，对同一个问题有多种分析思路、解决方法。另外，我认为光靠自己一个人的力量是远远不够的，当自己遇到问题实在解决不了时，可以和同学共同探讨，寻找解决办法。正所谓“三人行，则必有我师”。 总之，这次课程设计不仅增加了我的知识积累，为将来的毕业设计打下了基础，还让我懂得自主学习的重要性，还有做什么事情都要有恒心，有信心，动脑子去想，就一定有所收获，同时，还要勤于动手，只有这样我们的劳动成果才能更加丰硕。参考文献1 陈伯时. 电力拖动自动控制系统. 机械工业出版社，20022 邹伯敏. 自动控制理论. 机械工业出版社，20033 徐月华，汪仁煌. Matlab在直流调速设计中的应用.广东工业大学，20014 马葆庆，孙庆光. 直流电动机的动态数学模型.电工技术，19975 周渊深. 交直流调速系统与MATLAB仿真.中国电力出版社，2003
