直流电机PWM调速控制器的设计设计

毕业设计直流电机PWM调速控制器的设计摘 要在电气时代的今天，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。直流电机是最常见的一种电机，在各领域中得到广泛应用。研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。电机调速问题一直是自动化领域比较重要的问题之一。不同领域对于电机的调速性能有着不同的要求，因此，不同的调速方法有着不同的应用场合。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AT89S52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。关键词：直流调速 ；双闭环 ；PWM ；AT89S52 ；直流电机The PWM speed controller design of Dc motorAbstractIn electrical time's today, the electric motor in the industry and agriculture production, the people daily life is playing the very vital role. The direct current machine is the most common one kind of electrical machinery, obtains the widespread application in various domains. The research direct current machine's control and the measuring technique, to increase the control precision and the speed of response, the frugal energy and so on have the important meaning. A problem about speed-modulation of DC motor is very important in the field automatic. The requests to the effect after the speed-modulation of the DC motor are different in different fields. Then, different speed-modulation ways are using in different fields.This paper researches DC-drive speed system with a dual-converter and dual-closed-loop based PWM, discussing a new control method that combines PWM with D C-drive, designs applies in direct current motor's double closed loop current velocity modulation system. DC motor is used very generally because its speed-modulation effect is very good and its speed-modulation is easily to be realized. PWM theory is used most generally among the speed-modulation ways. The text will introduce the H-PWM way mostly. We will try to do modulation to the DC motor with AT89S52. The importance of the text is the parts which are composed the system. Another importance is the principles of working about every parts.Key word: DC speed regulation ；Double-loop ；PWM ；AT89S52；DC moter； 目 录摘 要IAbstractII1 绪 论11.1问题的提出11.2 微机控制电机的发展和现状21.3 电机微机控制系统31.4本课题在实际应用方面的意义和价值42 直流电机PWM调速系统原理设计62.1 PWM脉宽调制62.1.1 PWM脉宽调制介绍62.1.2 PWM基本原理72.2 总体方框图72.3 转速、电流双闭环调速系统及其静特性82.3.1 提出问题82.3.2 转速和电流双闭环调速系统的组成92.3.3 稳态结构图和静特性102.3.4 各变量的稳态工作点和稳态参数计算112.4 双闭环脉宽调速系统的动态性能122.4.1 动态数学模型122.4.2 起动过程分析132.4.3 动态性能和转速调节器、电流调节器的作用152.5 电流调节器和转速调节器的设计162.5.1电流调节器的设计162.5.2 转速调节器的设计172.6 可逆PWM变换器182.6.1 可逆PWM变换器工作原理182.6.2 PWM控制电路202.6.3 脉宽调速系统的开环机械特性212.6.4 脉宽调制器和PWM变换器的传递函数223 直流电机PWM调速系统的硬件设计233.1 直流电机233.1.1 直流电机的结构233.1.2 直流电机的基本工作原理243.1.3 直流电机的调速原理243.1.4 直流电机PWM调速基本原理253.2 单片机控制单元263.3 电源电路273.4 H桥驱动电路273.5 转速检测、反馈电路283.6 LCD显示模块294 MATLAB/SIMULINK304.1 Matlab/Simulink30 Matlab/Simulink 的简介304.1.2 Matlab/Simulink的语言特点314.2 Simulink的启动与界面说明324.2.1 启动Simulink324.2.2 Simulink的菜单324.2.3 Simulink的功能模块组324.3 Simulink的仿真过程334.3.1 创建结构图文件334.3.2 结构图程序设计334.3.3 Simulink仿真的启动与停止334.4 建立仿真模型334.4.1 PWM发生器的建模344.4.2 H桥PWM开环调速系统仿真建模354.4.3 H桥PWM双闭环调速系统仿真建模355 直流电机PWM调速系统仿真365.1 H桥PWM开环调速系统仿真结果365.2 H桥PWM双闭环调速系统的仿真结果386 总 结40致 谢42参考文献43附录A：英文文献44附录B：中文文献491 绪 论本章首先介绍微机控制的发展及其现状的相关知识，然后介绍微机参与直流电机调速系统控制的相关技术及其设计软件。1.1问题的提出为什么我们要研究一种由计算机系统控制的PWM直流控制系统？要回答这个问题，首先我们应该系统的论述一下电动机转速控制系统的发展历程及现状。 电动机按电源供应方式来分，可以分为两大类，即直流电动机和交流电动机。两类电动机在调速方面存在着很大差异。直流电动机具有良好的起、制动性，适宜在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域得到了广泛应用。即便如此，直流电动机也存在着固有的很多缺点，制约了其应用由于直流电动机使用直流电源，它的碳刷和滑环都要经常更换，这样的拆换工作是费时费力费财的，无疑会加重使用者的负担。因此，人们希望简单可靠低廉的交流电动机也能像直流电动机那样调速。定子调速、变极调速、滑差调速和转子串电阻调速和串极调速等调速方法应运而生，同时，由于技术的成熟，滑差电动机、绕线式电动机、同步式交流电机等随即出现，带来了电机史上的一次飞跃。但是，这些电动机的调速性能仍然不能与直流电动机相比。直到20世纪80年代，变频调速的出现才解决了直流电机调速性能好却费时费力的缺点。那么又是什么促成了变频调速的产生呢？ 电力电子技术、微电子技术和信息技术的产生与发展，直接推动了变频调速系统的产生。由于变频调速具有其他调速方式所不具有的几大特点： 1） PWM调速系统主电路线路简单，需用的功率器件少 ；2） 开关频率高，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，调速范围广，可达到1：10000左右 ；4） 如果可以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，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高 ；6） 直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高 。变频调速很快为广大电动机用户所接受，成为了一种最受欢迎的调速方法，在一些中小容量的动态高性能系统中更是已经完全取代了其他调速方式。由此可见，变频调速是非常值得自动化工作者去研究的。在变频调速方式中，PWM调速方式尤为大家所重视，这是我们选取它作为研究对象的重要原因。 而在众多PWM变换器实现方法中，又以H型PWM变换器更为多见。这种电路具备电流连续、电动机四象限运行、无摩擦死区、低速平稳性好等优点。因此，本次设计以H型PWM直流控制器为主要研究对象。 要研究PWM调速方法，不能不提到微电子技术、电力电子技术和微机控制技术，没有这些技术的支持，我们就只能还是在走前人的老路，被模拟、人工控制的思维所禁锢。在电动机转速控制领域，如果不能有效的引用这些技术，我们很难有所突破，发现问题，进而有所进步。 微机控制技术的发展也就是计算机控制系统的发展历程。它的发展大体可以分为三个阶段：第一个阶段是1965年后的实验阶段，自从1952年计算机被应用于生产过程中后，它应用于生产领域并创造巨大价值的潜力立刻为世人所注意，进而被大面积研究试用起来。1959年，美国得克萨斯州的一家炼油厂成功建成了世界上第一个计算机控制系统，标志着这项技术的发展已经开始。第二个阶段是1965年到1972年间的实用阶段。在这段时间里，计算机控制系统开始从单项工程试验中迈向实用，并且得到了系统的完善。在这一时期，计算机集中控制得到认可。在高度集中控制时，若计算机出现故障，将对整个生产产生严重影响。为了应对这种负面影响，人们采取了多机并用的方案，促进了计算机控制系统的进一步发展。第三个阶段是从1972年至今，在这个阶段才真正出现了微机的概念，以它为核心，衍生出了很多计算机控制系统，如操作指导控制系统、直接数字控制系统、监督计算机控制系统以及分布式控制系统，而随着微电子技术的发展，计算机控制系统可以实现小物起大用的效果，既不占空间，又可以同时处理很多生产问题，省时省力，计算机控制技术走向了成熟。而随着嵌入式系统的发展，计算机控制系统开始向网络化变迁，相信会有更大的发展空间。 电力电子技术作为电源技术产业的支柱性领域，也已经经过了漫长的发展历程。这些技术如果都能被应用到PWM调速系统的控制当中，势必会使得调速系统的性能有一个很大的提升。在调速技术走到这个类似瓶颈地步的今天，这种尝试无疑是一种很有潜力的设想。 至于系统应该如何构成，系统的实际应用效果会如何，这些都是很需要探讨的问题，那么，这个研究就是很必要的了，也是我写这篇论文阐述探讨结果的理由。1.2 微机控制电机的发展和现状微机，出现于20世纪70年代，随着大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展，微机的性能越来越高，价格越来越便宜。此外，电力电子的发展，使得大功率电子器件的性能迅速提高。因此就有可能比较普遍地应用微机来控制电机，完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合使用要求，还可以制造出各种便于控制的新型电机，使电机出现新的面貌。做这项研究的人是不在少数的。他们的研究方法是大同小异的，基本的设计思路是一脉相承的大体可以归纳如下：计算机控制直流电动机调速系统被理解为一个以计算机为控制核心的闭环控制系统，当系统的给定转速发生变化的时候，系统通过速度检测环节，检测当前的转速，经信号变换、放大等环节，把反馈信号转换成数字信号送入计算机，计算机定时对速度信号采样，将采集后的被控量进行分析、比较和处理，按一定的控制规律运算，进行控制决策、实时输出控制量，通过计算机输出通道对直流电动机控制电路发出控制信号，使电动机的速度按要求发生变化，完成对电动机的控制任务。比较简单的电机微机控制，只要用微机控制继电器或电子开关元件使电路开通或关断就可以了。在各种机床设备及生产流水线中，现在已普遍采用带微机的可编程控制器，按一定的规律控制各类电机的动作。对于复杂的电机控制,则要用微机控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等等,使电机按给定的指令准确工作。通过微机控制，可使电机的性能有很大的提高。传统的直流电机和交流电机各有优缺点，直流电机调速性能好，但带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等问题；交流电机，不论是异步电机还是同步电机，结构都比直流电机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而经济地调节。目前，广泛应用于数控机床等自动化设备的数控位置伺服系统.为了提高性能,在先进的数控交流伺服系统中,已采用高速数字化处理芯片(DIGITAL SIGNAL PROCESSOR,简称DSP),其指令执行速度达到每秒数百兆以上,且具有适合于矩阵运算的指令。1.3 电机微机控制系统从20世纪80年代中后期起，以晶闸管整流装置取代了以往的直流发电机电动机组及水银整流装置，使直流电气传动完成一次大的跃进。同时，控制电路也实现了高度集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大，直流调速技术不断发展。随着微型计算机、超大规模集成电路、新型电子电力开关器件和新型传感器的出现，以及自动控制理论、电力电子技术、计算机控制技术的深入发展，直流电动机控制也装置不断向前发展。微机的应用使直流电气传动控制系统趋向于数字化、智能化，极大地推动了电气传动的发展。近年来，一些先进国家陆续推出并大量使用以微机为控制核心的直流电气传动装置，如西门子公司的SIMOREG K 6RA24、ABB公司的PAD/PSD等等。随着现代化步伐的加快，人们生活水平的不断提高，对自动化的需求也越来越高，直流电动机应用领域也不断扩大。例如，军事和宇航方面的雷达天线，火炮瞄准，惯性导航，卫星姿态，飞船光电池对太阳得跟踪等控制；工业方面的各种加工中心，专用加工设备，数控机床，工业机器人，塑料机械，印刷机械，绕线机，纺织机械，工业缝纫机，泵和压缩机等设备的控制；计算机外围设备和办公设备中的各种磁盘驱动器，各种光盘驱动器，绘图仪，扫描仪，打印机，传真机，复印机等设备的控制；音像设备和家用电器中的录音机，录像机，数码相机，洗衣机，冰箱，电扇等的控制。随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。电动机控制技术的发展得力于微电子技术，电力电子技术，传感器技术，永磁材料技术，微机应用技术的最新发展成就。变频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。正是这些技术的进步使电动控制技术在近二十年内发生了很大的变化。其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器，通用计算机，FPGA/CPLD，DSP控制器等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐渐成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。其中，脉宽调制（PWM）方法，变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机，交流伺服电动机，超声波电动机等。由于有微处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所以又称这种运动控制系统为智能运动控制系统。所以应用先进控制算法，开发全数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。在那些对电动机控制系统的性能要求较高的场合（如数控机床，工业缝纫机，磁盘驱动器，打印机，传真机等设备中，要求电动机实现精确定位，适应剧烈负载变化），传统的控制算法已难以满足系统要求。为了适应时代的发展，现有的电动机控制系统也在朝着高精度，高性能，网络化，信息化，模糊化的方向不断前进。目前，很多电机微机控制系统都是由数字部件和模拟部件组成的混合系统，而全数字控制系统是当前的发展方向。在微机控制系统中，通常是既有模拟信号，也有数字信号；既有连续信号，也有离散信号。由于计算机的CPU只能识别和处理数字信号，而且只能一次次离散地处理，所以计算机处理外界信息时总要有一个采样过程，电机微机控制系统必然是一种采样控制系统。电机采用微机控制，还具有以下特点：（1）硬件比较简单，用少量芯片就可完成很多功能，且易于通用化；（2）可以分时操作；一台微机可以起多个控制器的作用，为多个控制回路服务；也可控制多个电机，完成较多功能；（3）计算机具有记忆和判断功能，系统的控制方式由软件决定，若要改变控制规律，一般不必改变系统的硬件，只需按新的控制规律编出新的程序即可；且可在运行中随时根据不同的电机工作状态，选择最有利的系统参数、系统结构及控制策略等；使系统具有很强的灵活性和适应性；（4）计算机的运算速度快，精度高。它有丰富的逻辑判断功能和大容量的存储单元，因此有可能实现复杂的控制规律，如采样参数辨识、优化控制等现代控制理论所提供的控制算法，以达到较高的控制质量；（5）数字量的运算不会出现模拟电路中所遇到的零点漂移问题，被控量可以很大，也可以很小，都较易保证足够的控制精度；（6）信息处理能力强，可以完成各种数据的处理，及时给操作人员提供有用的信息和指示。微机控制系统的特点是能进行精确、快速的计算和判断,而且通用性好,使用容易，还能联成网络。主要实现以下功能：计算：一切复杂的计算，几乎都可用计算机通过算术运算和逻辑运算来实现；判断：计算机有判别不同情况、选择作不同处理的能力,故可用于管理、控制、对抗、决策、推理等领域；存储：计算机能存储巨量信息；精确：只要字长足够，计算精度理论上不受限制；快速：计算机一次操作所需时间已小到以纳秒计；通用：计算机是可编程的，不同程序可实现不同的应用；易用：丰富的高性能软件及智能化的人-机接口,大大方便了使用；联网：多个计算机系统能超越地理界限，借助通信网络，共享远程信息与软件资源。正因为有上述优点，电机微机控制的理论及应用发展得非常迅速，新产品不断涌现和普及。1.4本课题在实际应用方面的意义和价值在单闭环调速系统中，电网电压扰动的作用点离被调量较远，调节作用受到多个环节的延滞，因此单闭环调速系统抵抗电压扰动的性能要差一些。双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会比单闭环系统小得多。用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方面相互有矛盾的静、动态性能要求，需要设计者有扎实的理论基础和丰富的实践经验，而初学者则不易掌握，于是有必要建立实用的设计方法。大多数现代的电力拖动自动控制系统均可由低阶系统近似。若事先深入研究低阶典型系统的特性并制成图表，那么将实际系统校正或简化成典型系统的形式再与图表对照，设计过程就简便多了。这样就有了建立工程设计方法的可能性。电机调速系统采用微机实现数字化控制,是电气传动发展的主要方向之一。从80年代中后期起，世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速传动装置，当前直流调速已发展到一个很高的技术水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安装技术；控制方式采用电源换相、相位控制。特别是采用了微机及其他先进技术，使数字式直流调速装置具有很高的精度、优良的控制性能和强大的抗干扰能力，在国内外得到广泛的应用。全数字化直流调速装置作为最新控制水平的传动方式更显示了强大优势。全数字化直流调速系统不断推出，为工程应用提供了优越的条件。采用微机控制后,整个调速系统实现全数字化,结构简单,可靠性高,操作维护方便,电机稳态运行时转速精度可达到较高水平.直流电机具有优良的调速特性,调速平滑,方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动,制动和反转;能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求.由于微机具有较佳的性能价格比,所以微机在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用.近年来,尽管交流调速系统发展很快,但是直流电机良好的启动、制动性能,在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要广泛范围内平滑调速的高性能可控电力拖动领域中得到了广泛的应用.现阶段，我国还没有自主的全数字化控制直流调速装置商用，国外先进的控制器价格昂贵，研究及更好的使用国外先进的控制器，具有重要的实际意义和重大的经济价值。2 直流电机PWM调速系统原理设计2.1 PWM脉宽调制2.1.1 PWM脉宽调制介绍脉宽调制的全称为：Pulse WidthModulator,简称PWM。由于它的特殊性能常被用于直流负载回路中灯具调光或直流电动机调速，HW-1020型调速器就是利用脉宽调制(PWM)原理制作的马达调速器，PWM调速器已经在工业直流电机调速、工业传送带调速、灯光照明调解、计算机电源散热及直流电扇等得到广泛应用。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：主电路简单，需用的电力电子器件少；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，可达1:10000左右；若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强；电力电子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。因而，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。目前，高频电压领域的具体发展状况基本情况是这样的。目前已经提到并得到应用的PWM控制方案就不下于数十种，尤其是微处理器应用于PWM技术数字化后，花样是不断翻新，从最初追求电压波形的正弦，到电流波形的正弦，再到磁通的正弦；从效率最优，转矩脉动最少，再到消除噪音等，PWM控制技术的发展经历了一个不断创新和不断完善的过程。目前仍有新的方案不断提出，这说明该项技术的研究方兴未艾。不少方法已经趋向于成熟，并有许多已经在实际中得到应用。PWM控制技术一般可分为三大类，即正弦PWM、优化PWM及随机PWM，从实现方法上来看，大致有模拟式和数字式两种，而数字式中又包括硬件、软件或查表等几种实现方式，从控制特性来看主要可分为两种：开环式（电压或磁通控制型）和闭环式（电流或磁控型）。随着计算机毕业设计技术的不断进步，数字化PWM已逐步取代模拟式PWM，成为电力电子装置共用的核心技术。交流电机调速性能的不断提高在很大程度上是由于PWM技术的不断进步。目前广泛应用的是在规则采样PWM的基础上发展起来的准优化PWM法，即三次谐波叠加法和电压空间矢量PWM法，这两种方法具有计算简单、实时控制容易的特点。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜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。2.1.2 PWM基本原理脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。简而言之，就是用改变电机电枢(定子)电压的接通和断开的时间比(占空比)来控制马达的速度，在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加；电机断电时，其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持一稳定值。2.2 总体方框图整个系统上采用了转速、电流双闭环控制结构，如图2.1所示。在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以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作为PWM的控制电压。从闭环反馈结构上看，电流调节环在里面，是内环，按典型型系统设计；转速调节环在外面，成为外环，按典型型系统设计。为了获得良好的动、静态品质，调节器均采用PI调节器并对系统进行了校正。检测部分中，采用了霍尔片式电流检测装置对电流环进行检测，转速还则是采用了测速电机进行检测，达到了比较理想的检测效果。主电路部分采用了以GTR为可控开关元件、H桥电路为功率放大电路所构成的电路结构。控制PWM脉冲波形，通过调节这两路波形的宽度来控制H电路中对电机速度的控制。 图2.1 系统结构另外，数字式直流电机转速控制系统设计有控制器、PWM驱动器、转速检测电路、按键设定、显示输出五部分。PWM驱动器、转速检测电路、按键设定、显示输出都是由控制器控制实施的。总体框图2.2所示：a)直流电机PWM调速系统原理图b)直流电机PWM调速系统设计方框图图2.2 系统设计电机转速是通过光电传感器检测产生触发脉冲经过触发器分频触发单片机中断计数，经定时计数得到标准计数值，由单片机对数据的计算、处理，建立了时间和脉冲的关系式，得到每分中电机的转速。将转速与给定转速作差得到偏差量，再由PID进行调节，使转速趋近给定转速实现控制。电机的速控是通过PWM方式控制的。PWM是由三角波发生电路、比较器、反馈电路。反馈是由单片机输入偏差量给高速的DA，由DA输出反馈值作用PWM中达到闭环反馈控制。电机是由集成H桥芯片驱动，为了防止电压的扰动控制中增，加了型滤波电路平直电流。电机正反转是由电压的正负方向控制的。当切换方向时电路中型滤波电路的电感会产生反电动势会影响系统供电，严重会使系统无法正常工作。所以切换使用了继电器作为切换开关。按键功能可以设定转速，控制电机的转动的正反方向。显示电路是用了高亮数码管显示。系统是以高精度和实时性相协调的原则的基础上设计的。2.3 转速、电流双闭环调速系统及其静特性 提出问题由前面的分析可知，采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起、制动、突加负载动态速降小等等，单闭环系统难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩。在单闭环调速系统中，只有电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流Idcr值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。带电流截至负反馈的单闭环调速系统启动时的电流和转速波形如图2.3所示。当电流从最大值降下来以后，电机转矩也随之减小，因而加速过程必然拖长。对于像龙门刨床、可逆轧钢机那样的经常正反转运行的调速系统，尽量缩短起制动过程的时间是提高生产率的重要因素。为此，在电机最大电流（转矩）受限的条件下，希望充分利用电机允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又让电流立即降低下来，使转矩马上与负载平衡，从而转入稳态运行。这样的理想起动过程波形见图2.3，这时，起动电流呈方形波，而转速是呈线性增长的。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 b) 理想的快速起动过程图2.3 理想快速启动过程及其转速波形实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突变，图2.3所示的理想波形只能得到近似的逼近，不能完全实现。为了实现在允许条件下最快起动，关键要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程，按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么采用电流负反馈就应该得到近似的恒流过程。问题是希望在起动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转矩负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳定转速后，又希望只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主要的作用。怎样才能做到这种既存在转速和电流两种负反馈作用，又使它们只能分别在不同的阶段起作用呢？双闭环调速系统可以解决这个问题。2.3.2 转速和电流双闭环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，在系统中设置了两个调节器，分别是转速和电流，二者之间实行串级联接，如图2.1所示。这就是说，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PWM调制器。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节器在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用PI调节器如图2.4示。 图2.4 PI调节器2.3.3 稳态结构图和静特性为了分析双闭环调速系统的静特性，绘出了它的稳态结构图，如图2.5所示。分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征。一般存在两种状况：饱和：输出达到限幅值；不饱和：输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的关系，相当于使调节环开环。当调节器不饱和时，PI作用使输入偏差电压，U在稳态时总是为零。图2.5 双闭环调速系统稳态结构图实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。（一）速调节器不饱和这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。因此 和 由第一关系式可得： （21） 从而得到图2.6静特性的段。与此同时，由于ASR不饱和， ，从上述第二个关系式可知：。这就是说，段静特性从=0 （理想空载状态）一直延续到 。而一般都是大于额定电流的，这就是静特性的运行段。（二）转速调节器饱和这时，ASR输出达到限幅值，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成一个电流无静差的单闭环系统。稳态时 （22）式中，最大电流是设计者选定的，取决于电机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加度（22）所描述的静特性是图2.6中的A-B段。这样的下垂特性只适合于n<的情况。因为如果 ，则，ASR将退出饱和状态。图2.6 双闭环调速系统的静特性双闭环调速系统的静特性在负载电流小于时表现为转速无静差，这时，转负反馈起主要调节作用。当负载电流达后，转速调节器饱和，电流调节器起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个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至负反馈的单闭环系统静特性好。然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，静特性的两段实际上都略有很小的静差。2.3.4 各变量的稳态工作点和稳态参数计算由图2.6可以看出，双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有下列关系 （23） （24） （25）上述关系表明，在稳态工作点上，转速n是由给定电压决定的，ASR的输出量是由负载电流决定的，而控制电压的大小则同时取决于n和，或者说，同时取决于和。这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点。比例环节的输出量总是正比于其输入量，而PI调节器则不然，其输出量的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。鉴于这一点，双闭环调速系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数如下：转速反馈系数： （26）电流反馈系数： （27）两个给定电压的最大值和是受运算放大器的允许输入电压限制的。2.4 双闭环脉宽调速系统的动态性能2.4.1 动态数学模型考虑到双闭环控制的结构可绘出双闭环调速系统的动态结构图，如图2.7所示。图中和分别表示转速和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，电机的动态结构图中必须把电流显露出来。图2.7 双闭环脉宽调速系统的动态结构图 起动过程分析设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。双闭环调速系突加给定电压由静止状态起动时，转速和电流的过渡过程如图2.8所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分成三段，在图中分别以、II、II图2.8 双闭环脉宽调速系统起动时转速和电流波形第I阶段0是电流上升的阶段。突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用，使、上升，当后，电动机开始转动。由于电惯性的作用，转速的增长不会很快，因而转速调节器ASR的输入偏差电压数值较大，其输出很快达到限幅值，强迫电流迅速上升。当时，电流调节器的作用使不在迅速增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般应该不饱和以保证电流环的调节作用。第II阶段是恒流升速阶段。从电流升到开始，到转速升到给定值（即静特性上的）为止，属于恒流升速阶段，是起动过程的主要阶段。在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速环相当于是开环。系统表现为在恒值电流给定作用下的电流调节系统，基本上保持电流恒定（电流可能超也可能不超调，取决于电流调节环的结构和参数），因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增长（图2.8）。与此同时，电动机的反电动势E也按线性增长。对电流调节系统来说，这个反电动势是一个线性渐增的扰动量，为了克服这个扰动，和也必须基本上按线性增长，才能保持恒定。由于电流调节器ACR是PI调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说，应略低于。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流调节器是不饱和的。第III阶段以后是转速调节阶段。在这阶段开始时，转速已经达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压相平衡，输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电机仍在最大电流下加速，必然会使转速超调。转速超调以后，ASR输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压即ACR的给定电压立即从限幅值降下来，主电流也因而下降。但是，由于仍大于负载电流，在一段时间内，转速任继续上升。到时，转矩,则，转速n到达峰值（t=时）。此后。电动机才开始在负载的阻力下减速，与此相应，电流也出现一段小于的过程，直到稳定。在这最后的转速调节阶段内，ASR与ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使尽快地跟随ASR的输出量，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。2.4.3 动态性能和转速调节器、电流调节器的作用（一）动态跟随性能如上所述，双闭环调速系统在起动和升速过程中，能够在电流受电机过载能力约束的条件下，表现出很快的动态跟随性能。在减速过程中，由于主电路电流的不可逆性，跟随性能变差。对于电流内环来说，在设计调节器时应该强调有良好的跟随性能。（二）动态抗扰性能1抗负载扰动由图2.7动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器来产生抗扰作用。因此，在突加（减）负载时，必然会引起动态速降（升）。为了减少动态速降（升），必须在设计ASR时，要求系统具有较好的抗扰性能指标。对于ACR的设计来说，只要电流环具有良好的跟随性能就可以了。2.电网电压扰动和负载扰动在系统动态结构图中作用的位置不同，系统对它的动态抗扰效果也不一样。如图2.9 a)的单闭环调速系统，电网电压扰动和负载电流扰动都作用在被负反馈包围的前向通道上，仅静特性而言，系统对它们的抗扰效果是一样的。但是从动态性能上看，由于扰动作用的位置不同，还存在着及时调节上的差别。负载扰动作用在被调量n的前面。它的变化经积分后就可被转速检测出来，从而在调节器ASR上得到反映。电网电压扰动的作用点离被调量更远，它的波形先要受到电磁惯性的阻挠后影响到电枢电流，再经过机电惯性的滞后才能反映到转速上来，等到转速反馈产生调节作用，已经嫌晚。在双闭环调速系统中，由于增设了电流内环（图2.9 b)），这个问题便大有好转。由于电网电压扰动被包围在电流环之内，当电压波动时，可以通过电流反馈得到及时的调节，不必等到影响到转速后，才在系统中起作用。因此，在双闭环调速系统中，由电网电压波动引起的动态速降会比单闭环系统中小得多。a)单闭环脉宽调速系统b)双闭环脉宽调速系统图2.9 脉宽调速系统的动态抗扰性能（三）两个调节器的作用1.转速调节器的作用（1）使转速n跟随给定电压变化，稳态无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定允许的最大电流。2.电流调节器的作用（1）对电网电压波动起及时抗扰作用。（2）起动时保证获得允许的最大电流。（3）在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压变化。（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全饱和作用。如果故障消失，系统能够自动恢复正常。2.5 电流调节器和转速调节器的设计我们现在采用一般系统调节器的工程设计方法具体设计双闭环调速系统的两个调节器。由工程设计法可知，设计多环控制系统的一般原则是：从内环开始，一环一环逐步向外扩展。在这里，先从电流环入手，首先设计好电流调节器，然后把整个电流环看作是转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。2.5.1电流调节器的设计图2.10 电流环的动态简化结构图由双闭环系统动态结构图可看出外环通过反电动势E对内环产生影响，但是由于实际系统中处于外环的系统机电时间常数比内环的时间常数大得多，机构经ACR对内环效正后其输出量的动态过程变化很快，而反电动势E的变化过程E（t）相对来说是缓慢的。反电动势对电流环来说只是一个变化缓慢的扰动作用，在电流调节器的调节过程中可以近似地认为E基本不变。因此在设计电流环时可以简化计算略去反电动势E对内环地影响，将电流闭环的动态结构简化为单位负反馈形式并将脉宽调制器和PWM变换器的滞后时间T与电流反馈滤波时间两个小的时间常数所对应的两个小惯性合并为一个小惯性时间环节，即，于是得到如图2.10的电流简化动态结构图。电流环即可设计成典型I型系统也可设计成典型II型系统，一方面取决于对电流环的动态要求，并且典型I系统的跟随性能优于抗扰性，而典型II型系统的抗扰性优于跟随性。电流环的一项重要作用就是保持电枢电流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。从这个观点出发，应该把电流环效正成典型I系统。另一方面电流环还有对电网电压波动及时调节的作用，为了提高其抗扰性能，有希望把电流环效正成典型II系统。在一般情况下，当控制对象的两个时间常数之比时，典型I系统的抗扰恢复时间还是可以接受的，因此，效正成典型I型系统，显然采用PI调节器，其传递函数为： （28）电流调节器的参数包括和，为了让调节器零点对消掉控制对象的大时间常数极点，取=。按二阶最佳系统效正，在一般情况下，希望超调量%5%时，查表得阻尼比=0.7070，=0.5，因此 （29）2.5.2 转速调节器的设计由自动控制基本理论推导可得，电流环不论是典型I型花或是典型II型化在一定的近似条件下都可以等效为一个惯性环节，写成通式为： （210）若典型I型化且=0.707，=0.5，则a=2。若典型II型化h=5,m=0.1.则a=。由上式画出转速闭环的动态结构图，将它简化为单位负反馈形式并将两个小惯性合并为一个小惯性，即将转速给定及转速反馈的滤波时间常数与电流环等效时间常数合并为转速环小惯性时间常数.由于要求转速对负载扰动无静差，则在ASR中必须含有积分环节，取ASR为PI调节器，因此转速环必然按典型II型系统设计。若只考虑给定信号的作用则得到简化的转速环的动态结构图如图2.11所示，这里有 （211）图2.11 转速调节闭环等效动态结构图可见，上图已具备典型II型系统的标准形式，ASR调节器的参数按以下各式计算即可 （212） （213） （214）2.6 可逆PWM变换器2.6.1 可逆PWM变换器工作原理可逆变换器主电路的结构形式有H型、T型等多种类型，现在选用常用的H型变换器，它是由4个电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。H型变换器在控制方式上分为双极式、单极式和受限式三种。本设计选用双极式H型PWM变换器。图2.12绘出了双极式H型PWM变换器的电路原理图。4个IGBT选用德国西门康公司生产型号为SKM 50GB123D，二极管选用MOTOROLA公司生产的超快恢复功率二极管，型号为MUR200 40CT,反向恢复时间小于50ns.基极驱动电压分为两组。和同时导通和关断，其驱动电压和；和同时动作，其驱动电压= =。它们的波形如图2.13所示。在一个开关周期内，当0t 时，和为正，晶体管和饱和导通；而和为负，和截止。这是，加在电枢AB两端, =,电枢电流沿回路1流通。t T时，和变负，和截止；、变正，但、并不能立即导通，因为在电枢电感释放储能的作用下，沿回路2经、续流，、上的压降使、c-e极承受反压，这时，=。在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器0的特征。图2.12 双极式H型PWM变换器电路由于电压的正、负变化，使电流波形存在两种情况，如图2.13中的和。相当于电动机负载较重的情况，这是平均负载电流大，在连续阶段电流仍维持正方向，电机始终工作在第一象限的电动状态。相当于负载很轻的情况，平均电流小，在续流阶段电流很快衰减到零，于是和 c-e极两端失去反压，在负的电源电压（）和电枢反电动势的合成作用下导通，电枢电流反向，沿回路3流通，电机处于制动状态。与此相仿，在0t 期间，当负载轻时，电流也有一次倒向。双极式PWM变换器的可逆要视正、负脉冲电压的宽窄而定。当正脉冲较宽时，>，则电枢两端的平均电压为正，在电动运行时电动机正转。当正脉冲较窄时，<，平均电压为负，电动机反转。如果正、负脉冲宽度相等，=，平均电压为零，则电动机停止。图2.13 双极式PWM变换器电压和电流波形 双极式可逆PWM变换器电枢平均端电压为：