双极式PWM直流电机.docx

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1、郑州轻工业学院本科课程设计（论文）题 目学生姓名专业班级学 号院（系）指导教师（职称）完成时间 2014年02月24日基于微控制器的PWM（双极式）直流调速系统设计摘要本文主要研究了利用MCS-52系列单片机控制PWM信号从而实现对直 流电机转速进行控制的方法。本文中采用了专门的芯片组成了 PWM信号 的发生系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程 对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的 阐述。另外，本系统中使用了测速发电机对直流电机的转速进行测量， 经过滤波电路后，将测量值送到A/D转换器，并且最终作为反馈值输入 到单片机进行PI运算，从而实现了对

2、直流电机速度的控制。在软件方面， 文章中详细介绍了 PI运算程序，初始化程序等的编写思路和具体的程序 实现。关键词PWM信号/测速发电机/PI运算/直流电动机1绪论采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成脉宽调制变换器一直流电动机调 速系统，简称直流脉宽调速系统或直流PWM调速系统。脉宽调制变换器是把脉冲 宽度进行调制的一种直流斩波器，脉宽调制，是利用电力电子开关器件的导通与关 断，将直流电压变成连续的直流脉冲序列，并通过控制脉冲的宽度或周期达到变压 的目的。与V-M系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性双极式控制的桥 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

3、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。由于有以上优点直流PWM系统应用日益广泛，特别是在中、小容量的高动态 性能中，已完全取代了 V-M系统。为达到更好的机械特性要求，一般直流电动机 都是在闭环控制下运行。经常采用的闭环系统有转速负反馈和电流截止负反馈2系统构成和

4、原理直流双极式可逆PWM调速系统的组成见附录1。图中可逆PWM变换器主电 路系采用MOSFET所构成的H型结构形式，它由四个功率MOSFET管和四个续 流二极管组成的双极式PWM可逆变换器，根据脉冲占空比的不同，在直流电机 上可得到+或-的直流电压。PWM变换器的作用是：用PWM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系列，从而可以改变平均输 出电压的大小，以调节电机转速TG是与直流电动机连动的测速发电机，经过速 度变换器FBS后可获得一反映转速变化的速度反馈信号，此信号接入速度调节器ASR的反馈输入端，G为电压给定器，可提供正、负电压，电压大小可以调节。SG352

5、5为脉宽调制器。R1、C1、VD1、R2、C2、VD2构成逻辑延时环节。二极管整流桥把输入的交流电变为直流电，正常情况下，交流输入为380V， 经过整流后变为220V直流电，电阻R1为起动限流电阻，在VT1和VT4的源极回 路中，串接两个取样电阻，其上的电压分别反映流过VT2、VT4的电流，经过差分 放大输出一反映电流大小的电压，可作为双闭环系统的电流反馈信号，接到电流调 节器ACR的输入端。回路中的电阻R2有两个作用。第一，可以用来观察波形其 上的电压波形反映了主回路的电流波形。第二，作为过流保护用。当R2的电压超 过整定值后，过流保护电路动作，关闭脉冲，从而保护功率MOSFET管3电流调节

6、器和转速调节器的设计3.1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。3.2电流调节器及反馈电路设计设置电流调节器是为了充分的利用电机允许的过载能力，在系统暂态过程中， 始终保持电流为允许的最大值，使系统尽可能用最大的加速度启动，制动，缩短调 节时间，保证系统具有良好的快速响应的性能。当到达稳态

7、时，又让电流立即降低下来。本系统中的电流调节器采用PI调节器，这是因为PI调节器的比例部分可以 提高系统的快速性，积分部分可以消除电流静差，是系统具有良好的动、静态品质。电流调节器处于双闭环的内环中，此内环是一个随动系统，在转速调节过 程 中，电流调节器的给定值随着转速调节器的输出值改变而改变。由于运放的饱和原 因，转速调节器的输出值不能无限制的增长，所以当电机过载甚至堵转时，就可以 通过调节转速调节器的输出限幅值来限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全 保护作用。如果故障消失，系统能够自动回复正常。此外电流环对电网电压起及时 抗扰作用由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不影响调节器的输入

8、，需 加低通滤波。此滤波环节传递函数可用一阶惯性环节表示，由初始条件 知滤波时间常数To广0.003s，以滤平电流检测信号为准。为了平衡反馈 信号的延迟，在给定通道上加入同样的给定滤波环节，使二者在时间上配合恰当。图3.2电流反馈电路Uc主要参数确定：根据初始数据，可得出:110 - 2.9 X 3.42400=0.0417V - min/ r转速反馈系数a = UfN /nN = 10/2400 = 0.004V - min/ rASR 限幅值U % = 10V， 电流反馈系数P 牝 10/I = 10/(2* 2.9) = 1.724V / AN电力电子变换器放大系数K = 30 S电枢回

9、路电磁时间常数T = 0.03sl电力拖动系统机电时间常数T = GD2 R /(375CeCm) = 0.076 s电流滤波时间常数T.。三相桥式电路每个波头的时间是3.33ms，为了基本滤 平波头，应有(1 2)T . = 3.33ms，因此取T , = 3ms = 0.003s。整流装置滞后时间常数T。三相桥式电路的平均失控时间T广0.00167 s。电流环小时间常数T 。按小时间常数近似处理，取 z iT = T + T . = 0.00467 s。电流调节器结构的选择电流环的重要作用就是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，因而在突加 控制作用时不希望有超调，或者超调量越小越好。在一

10、般情况下，当控制对象的两个时间常数之比T : T = 6.42 10时，典型I型系统的抗扰恢复时间还是可以接 l i受的，因此一般多按典型I型系统来设计电流环。电流环的控制对象是双惯性型的， 要校正成典型I型系统，显然应该采用PI调节器，其传递函数可以写成：w (s) = K 里D(4-1)ACRi T s式中：K.为电流调节器的比例系数；T .为电流调节器的超前时间常数。电流调节器参数的选择电流调节器的参数包括K和T .的选择。电流调节器超前时间常数：T i = Tl = 0.03s电流环开环增益：要求。.七，满足近似条件。忽略反电动势对电流环影响的近似条件：333 . =, 效验计算： =

11、 ,0 076 0 03 = 62-83s-1 oci计算满足近似条件。电流调节器的电阻和电容计算按照电流调节器所用放大器取R0 = 30kQ，各电阻和电容值计算如下R = KR0 = 0.634 x 30 = 19.02kQ，可取 19kQC =R = J.* x 106叩=0.16叩 iC = E = 4 x 0.003 x 106 叩=0.4呻oiR03.0 x 104按照上述参数，电流环可以达到的动态指标为。j = 4.3% V 5%，满足设计要求。电流闭环后，改造了控制对象，加快了电流跟随作用。这说明了多环控制系统 中局部闭环（内环）的一个重要功能。4.2.1电流环等效闭环传递函数在

12、设计转速调节器时，可把已设计好的电流环看作是转速调节系统中的一个环节，为此，须求出它的等效传递函数。其闭环传递函数为:K 1 s （T +1）1斗1 + KITS 2 + STfS +1K转速环的截止频率一般较低， cn/、 T S + 1* （s） = K fniWASR（4-2）+1KI因此传函可降阶近似为:（4-3）3.3.2转速调节器及其反馈电路设计ASR的输入信号来自给定环节的输出值和测速发电机的输出值。为例满足系统动、静态品质的要求，转速调节器采用比例积分放大器。其输出 信号作为电流调节器ACR的给定电压信号。转速调节器设有正负限幅，限幅值在 反馈电压输入端和给定电压输入端均设有无

13、源T型滤波环节，滤去高次谐波干扰信 号。场效应管FET，保证系统停车时，本调节器锁零由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤 波，由初始条件知滤波时间常数T = 0.01s。根据和电流环一样的道理， 在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。图3.4转速反馈电路4.2.2转速调节器结构的选择为了实现转速无静差，还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节， 同时从动态性能上看，调速系统首先需要有较好的抗扰性能，因此选择 典型II型系统。要把转速环校正成典型II型系统，ASR也应该采用PI 调节器，其传递函数为：W (s) = K n(4_4)ASRn T S式中：七为转速调节

14、器的比例系数；t计为转速调节器的超前时间常数。5.1时间常数的确定电流环等效时间常数为2T = 0.00934s以转速滤波时间常数七，根据所用测速发电机纹波情况，取T = 0.01s转速环小时间常数，按小时间常数近似处理ln-T = k + T = 2J + T = 0.01934si5. 2转速调节器参数的选择转速调节器的参数包括K和T n。至于中频宽h应选多大，按照典 型II型系统的参数选择方法，按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h = 5 , 则ASR的超前时间常数为t =吧=5 x 0.01934 = 0.0967 s转速开环增益=320.83s - 22h2T 22 x 25 x 0.

15、019342Xn于是，ASR的比例系数为：K _ (h +1)PCT _ 6x 1.724x0.0417x0.076 _124635 n 2h侦RT m 2x5x 0.004x 3.4x0.01934 *Xn4-2-1电流参数的校验校验近似条件: 电流环截止频率 . _ K _ 250s-1校验PWM调压系统传递函数的近似条件是否满足./ +。s因为_333.3s-1 3，所以满足近似条件。3T 3 x 0.001cs校验忽略反电动势对电流环影响的近似条件是否满足3 c. 3 itt，m l现在3* = 3加x0.015 _54.77s-1 3ci满足近似条件。按照上述参数，电流环满足动态设计

16、指标要求和近似条件。4.2.2转速参数的校验校验近似条件：转速环截止频率w = K t = 59.26 x 0.045 = 2.67s-icn校验电流环传递函数简化条件是否满足w w3 * 0.002满足简化条件。cn校验小时间常数近似处理是否满足wcn1 w3 0.005cn满足近似条件。4.2.3校验退饱和转速超调量当h=5时，查表得，林37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于 这是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，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。设理想空载起动时，负载系数z=0，已知直流电机参数：气河=110V，In = 2.9A，n =

17、2400r/min，R = 6.5Q，电枢回路总电阻R = 8。； PWM装置放大系数K = 4.8 ；时间常数T = 200ms，T, =5ms ； .AC 当 h = 5 时max % = 81.2%AnN =静 /C = 3.7x8/0.12cb246.7r/min因此传Cmaxl CKb% x 2(X- Z)J性 XM = 81.2% X 2 X 2 X 2467 X 0009 = 18% 20% nNT2000.2均满足设计要求。5仿真调试及结果分析5.1 Simulink仿真调试由于双闭环调节器的参数计算采用的工程近似处理的方法，所得出 的参数与实际最佳参数有微小的偏差，用计算出的

18、参数仿真时，实际效 果可能并不是很理想，所以在实际中需要对各调节器参数微调，至出现 最接近理论最佳为好。5.1.1动态模型仿真图5.1为系统动态仿真模型图:图5.1系统仿真模型图5.3为系统在一秒钟内满载启动电流和转速变化曲线图5.3额定负载启动图5.4为系统在运行0.5后加额定负载时电流和转速的变化曲线:图5.4系统抗干扰检测图5.5为测试系统跟随性能时电流和转速的变化曲线:图5.5转速跟随检测5.L2硬件模型仿真图5.6为硬件仿真总电路图图5.6硬件电路图5.7为H桥驱动电机的PWM波形:图5.7双极式PWM波形图5.8为系统在1.5s内电机空载启动电流和转速变化曲线:图5.8空载启动图5

19、.9为系统在1.5s内满载启动电流和转速变化曲线图5.9满载启动图5.10为系统在0.8s时满载电流和转速变化曲线:图5.10抗干扰检测图5.11为测试系统跟随性能时电流和转速的变化曲线图5.11转速跟随检测5.2结果分析众观以上仿真，电流和转速的变化基本达到设计要求，系统的抗干 扰性能，跟随性能，带负载性能各项指标均正常。双极式PWM直流调速系统起动过程的电流和转速波形是接近理想 快速起动过程波形的。按照ASR在起动过程中的饱和情况，可将起动 过程分为三个阶段，即电流上升阶段、恒流升速阶段和转速调节阶段。 从起动时间上看，II阶段恒流升速是主要的阶段，因此双闭环系统基本 上实现了电流受限制下

20、的快速起动，利用了饱和非线性控制方法，达到 “准时间最优控制”。带PI调节器的双闭环调速系统还有一个特点，就 是转速必超调。在双闭环调速系统中，ASR的作用是对转速的抗扰调节 并使之在稳态时无静差，其输出限幅决定允许的最大电流。ACR的作 用是电流跟随，过流自动保护和及时抑制电压波动。课程设计是实践课的一种，在很大程度上实现了动手与动脑，理论与实 际的相互结合，既是对工业环境的一个简单缩影，又是对理论知识的一 种检验，很好地实现了从书本到实际操作的一个过渡。通过这次课设，我不仅在知识上有了进一步的巩固和提高，在求学和研 究的心态上也有不小的进步。我想无论是在学习还是在生活上只有自己 有心去学习

21、和参与才可能有收获，这也算是课设给我的一点小小的感悟。 我深感要注重理论联系实际。以前一直觉得理论知识离我们很远，经过 课程设计，才发现理论知识与生活的联系。这大大激发了我学习书本知 识的兴趣。再者我们学习的是工科，不单纯只是理论方面的的工作，还 应该考虑到实际情况。理论计算的结果可能与实际稍有差别，要以实际 情况为准。总之，在设计过程中，我不仅学到了以前从未接触过的新知识，而且学 会了独立的去发现，面对，分析，解决新问题的能力，不仅学到了知识， 又锻炼了自己的能力，使我受益非浅。参考文献：1 王兆安等.电力电子技术.北京.机械工业出版社，2009.2 洪乃刚.电力电子、电机控制系统的建模与仿真.北京.机械工业出版社，2010.3 陈伯时.运动控制系统.北京.机械工业出版社，2009.附录1系统总电路图: