直流PWMM可逆調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真

1、直流PWM-M可逆調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真 專 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師：劉雨楠小組成員：陳慧婷（20114073166） 石文強(qiáng)（20114073113）劉志鵬（20114073134）張華國(guó)（20114073151）信息技術(shù)學(xué)院電氣工程系2014年10月20日摘要當(dāng)今，自動(dòng)化控制系統(tǒng)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，而直流調(diào)速控制作為電氣傳動(dòng)的主流在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著主要作用。本文主要研究直流調(diào)速系統(tǒng)，它主要由三部分組成，包括控制部分、功率部分、直流電動(dòng)機(jī)。長(zhǎng)期以來，直流電動(dòng)機(jī)因其具有調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速比較靈活、方法簡(jiǎn)單、易于大范圍內(nèi)平滑調(diào)速、控制性能好等特點(diǎn)，一直在傳動(dòng)領(lǐng)域占有統(tǒng)治地位。微機(jī)技

2、術(shù)的快速發(fā)展，在控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文對(duì)基于微機(jī)控制的雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了較深入的研究，從直流調(diào)速系統(tǒng)原理出發(fā)，逐步建立了雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用微機(jī)硬件和軟件發(fā)展的最新成果，探討一個(gè)將微機(jī)和電力拖動(dòng)控制相結(jié)合的新的控制方法，研究工作在對(duì)控制對(duì)象全面回顧的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)控制部分展開研究，它包括對(duì)實(shí)現(xiàn)控制所需要的硬件和軟件的探討，控制策略和控制算法的探討等內(nèi)容。在硬件方面充分利用微機(jī)外設(shè)接口豐富，運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，采取軟件和硬件相結(jié)合的措施，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制。論文分析了系統(tǒng)工作原理和提高調(diào)速性能的方法，研究了IGBT模塊應(yīng)用中驅(qū)動(dòng)、吸收、保護(hù)控

3、制等關(guān)鍵技術(shù).在微機(jī)控制方面，討論了數(shù)字觸發(fā)、數(shù)字測(cè)速、數(shù)字PWM調(diào)制器、雙極式H型PWM變換電路、轉(zhuǎn)速與電流控制器的原理,并給出了軟、硬件實(shí)現(xiàn)方案。關(guān)鍵詞：直流可逆調(diào)速 數(shù)字觸發(fā)PWM數(shù)字控制器目錄摘要I1 引言1問題的提出11.2 PWM控制的現(xiàn)狀和分類22 微機(jī)控制雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)4穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性4雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能5可逆PWM變換器工作原理92.5 PWM控制電路123 系統(tǒng)的仿真14建立仿真模型143.2 PWM開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果163.3 PWM雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果18總結(jié)20參考文獻(xiàn)211 引言為什么我們要研究一種由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制的PWM直

4、流控制系統(tǒng)？要回答這個(gè)問題，首先我們應(yīng)該系統(tǒng)的論述一下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀。電動(dòng)機(jī)按電源供應(yīng)方式來分，可以分為兩大類，即直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)。兩類電動(dòng)機(jī)在調(diào)速方面存在著很大差異。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性，適宜在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動(dòng)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。即便如此，直流電動(dòng)機(jī)也存在著固有的很多缺點(diǎn)，制約了其應(yīng)用由于直流電動(dòng)機(jī)使用直流電源，它的碳刷和滑環(huán)都要經(jīng)常更換，這樣的拆換工作是費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)財(cái)?shù)?，無疑會(huì)加重使用者的負(fù)擔(dān)。因此，人們希望簡(jiǎn)單可靠低廉的交流電動(dòng)機(jī)也能像直流電動(dòng)機(jī)那樣調(diào)速。定子調(diào)速、變極調(diào)速、滑差調(diào)速和轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和串極調(diào)速等調(diào)速方

5、法應(yīng)運(yùn)而生，同時(shí)，由于技術(shù)的成熟，滑差電動(dòng)機(jī)、繞線式電動(dòng)機(jī)、同步式交流電機(jī)等隨即出現(xiàn)，帶來了電機(jī)史上的一次飛躍。但是，這些電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能仍然不能與直流電動(dòng)機(jī)相比。直到20世紀(jì)80年代，變頻調(diào)速的出現(xiàn)才解決了直流電機(jī)調(diào)速性能好卻費(fèi)時(shí)費(fèi)力的缺點(diǎn)。那么又是什么促成了變頻調(diào)速的產(chǎn)生呢？電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展，直接推動(dòng)了變頻調(diào)速系統(tǒng)的產(chǎn)生。由于變頻調(diào)速具有其他調(diào)速方式所不具有的幾大特點(diǎn)：1） PWM調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少2）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍廣，可達(dá)到1:10000左右4）如果可以與快速響

6、應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)5）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高6）直流電源采用不可控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高變頻調(diào)速很快為廣大電動(dòng)機(jī)用戶所接受，成為了一種最受歡迎的調(diào)速方法，在一些中小容量的動(dòng)態(tài)高性能系統(tǒng)中更是已經(jīng)完全取代了其他調(diào)速方式。由此可見，變頻調(diào)速是非常值得自動(dòng)化工作者去研究的。在變頻調(diào)速方式中，PWM調(diào)速方式尤為大家所重視，這是我們選取它作為研究對(duì)象的重要原因。而在眾多PWM變換器實(shí)現(xiàn)方法中，又以H型PWM變換器更為多見。這種電路具備電流連續(xù)、電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行、無摩擦死區(qū)、低速平穩(wěn)性好等

7、優(yōu)點(diǎn)。因此，本次設(shè)計(jì)以H型PWM直流控制器為主要研究對(duì)象。要研究PWM調(diào)速方法，不能不提到微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)，沒有這些技術(shù)的支持，我們就只能還是在走前人的老路，被模擬、人工控制的思維所禁錮。在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制領(lǐng)域，如果不能有效的引用這些技術(shù)，我們很難有所突破，發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)而有所進(jìn)步。微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展也就是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程。它的發(fā)展大體可以分為三個(gè)階段：第一個(gè)階段是1965年后的實(shí)驗(yàn)階段，自從1952年計(jì)算機(jī)被應(yīng)用于生產(chǎn)過程中后，它應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域并創(chuàng)造巨大價(jià)值的潛力立刻為世人所注意，進(jìn)而被大面積研究試用起來。1959年，美國(guó)得克薩斯州的一家煉油廠成功建成了世界上第一個(gè)

8、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，標(biāo)志著這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)開始。第二個(gè)階段是1965年到1972年間的實(shí)用階段。在這段時(shí)間里，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)開始從單項(xiàng)工程試驗(yàn)中邁向?qū)嵱?，并且得到了系統(tǒng)的完善。在這一時(shí)期，計(jì)算機(jī)集中控制得到認(rèn)可。在高度集中控制時(shí)，若計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，將對(duì)整個(gè)生產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。為了應(yīng)對(duì)這種負(fù)面影響，人們采取了多機(jī)并用的方案，促進(jìn)了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。第三個(gè)階段是從1972年至今，在這個(gè)階段才真正出現(xiàn)了微機(jī)的概念，以它為核心，衍生出了很多計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，如操作指導(dǎo)控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、監(jiān)督計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)以及分布式控制系統(tǒng)，而隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)小物起大用的效果，既

9、不占空間，又可以同時(shí)處理很多生產(chǎn)問題，省時(shí)省力，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)走向了成熟。而隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)開始向網(wǎng)絡(luò)化變遷，相信會(huì)有更大的發(fā)展空間。電力電子技術(shù)作為電源技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支柱性領(lǐng)域，也已經(jīng)經(jīng)過了漫長(zhǎng)的發(fā)展歷程。這些技術(shù)如果都能被應(yīng)用到PWM調(diào)速系統(tǒng)的控制當(dāng)中，勢(shì)必會(huì)使得調(diào)速系統(tǒng)的性能有一個(gè)很大的提升。在調(diào)速技術(shù)走到這個(gè)類似瓶頸地步的今天，這種嘗試無疑是一種很有潛力的設(shè)想。至于系統(tǒng)應(yīng)該如何構(gòu)成，系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果會(huì)如何，這些都是很需要探討的問題，那么，這個(gè)研究就是很必要的了，也是我寫這篇論文闡述探討結(jié)果的理由。1.2 PWM控制的現(xiàn)狀和分類目前，高頻電壓領(lǐng)域的具體發(fā)展?fàn)顩r基本情況是

10、這樣的。目前已經(jīng)提到并得到應(yīng)用的PWM控制方案就不下于數(shù)十種，尤其是微處理器應(yīng)用于PWM技術(shù)數(shù)字化后，花樣是不斷翻新，從最初追求電壓波形的正弦，到電流波形的正弦，再到磁通的正弦；從效率最優(yōu)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最少，再到消除噪音等，PWM控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)不斷創(chuàng)新和不斷完善的過程。目前仍有新的方案不斷提出，這說明該項(xiàng)技術(shù)的研究方興未艾。不少方法已經(jīng)趨向于成熟，并有許多已經(jīng)在實(shí)際中得到應(yīng)用。PWM控制技術(shù)一般可分為三大類，即正弦PWM、優(yōu)化PWM及隨機(jī)PWM，從實(shí)現(xiàn)方法上來看，大致有模擬式和數(shù)字式兩種，而數(shù)字式中又包括硬件、軟件或查表等幾種實(shí)現(xiàn)方式，從控制特性來看主要可分為兩種：開環(huán)式（電壓或磁通控制

11、型）和閉環(huán)式（電流或磁控型）。隨著計(jì)算機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)字化PWM已逐步取代模擬式PWM，成為電力電子裝置共用的核心技術(shù)。交流電機(jī)調(diào)速性能的不斷提高在很大程度上是由于PWM技術(shù)的不斷進(jìn)步。目前廣泛應(yīng)用的是在規(guī)則采樣PWM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的準(zhǔn)優(yōu)化PWM法，即三次諧波疊加法和電壓空間矢量PWM法，這兩種方法具有計(jì)算簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)控制容易的特點(diǎn)。2微機(jī)控制雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)2.1穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，繪出了它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-1所示。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和：輸出達(dá)到限幅值；不飽和：輸出未達(dá)到限幅

12、值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的關(guān)系，相當(dāng)于使調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI作用使輸入偏差電壓U在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是為零。圖2-1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖實(shí)際上，在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。（一）速調(diào)節(jié)器不飽和這時(shí)，兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時(shí)，它們的輸入偏差電壓都是零。因此( 21)和( 22)由第一關(guān)系式可得：( 23)從而得到圖2-1靜特性的段。與此同時(shí)，由于ASR不飽和， ，從上述第二個(gè)關(guān)系式可知：。這就是說

13、，段靜特性從=0 （理想空載狀態(tài)）一直延續(xù)到。而一般都是大于額定電流的，這就是靜特性的運(yùn)行段。（二）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時(shí)，ASR輸出達(dá)到限幅值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)( 24)式中，最大電流是設(shè)計(jì)者選定的，取決于電機(jī)的容許過載能力和拖動(dòng)系統(tǒng)允許的最大加度（22）所描述的靜特性是圖2-2的A-B段。這樣的下垂特性只適合于n<的情況。因?yàn)槿绻?，則，ASR將退出飽和狀態(tài)圖2-2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流

14、調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動(dòng)保護(hù)。這就是采用了兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個(gè)閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流至負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而實(shí)際上運(yùn)算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，靜特性的兩段實(shí)際上都略有很小的靜差。2.3雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型：考慮到雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)可繪出雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-3所示。圖中和分別表示轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，電機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中必須把電流顯露出來。圖2-3雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖起動(dòng)過程分析：設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近于理想的起動(dòng)過程，因此在分析

15、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，有必要首先探討它的起動(dòng)過程。雙閉環(huán)調(diào)速系突加給定電壓由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程如圖2-4所示。由于在起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個(gè)階段，整個(gè)過渡過程也就分成三段，在圖中分別以、II、II圖2-4雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速和電流波形第I階段0是電流上升的階段。突加給定電壓后，通過兩個(gè)調(diào)節(jié)器的控制作用，使、上升，當(dāng)后，電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。由于電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長(zhǎng)不會(huì)很快，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓數(shù)值較大，其輸出很快達(dá)到限幅值，強(qiáng)迫電流迅速上升。當(dāng)時(shí)，電流調(diào)節(jié)器的作用使不在迅速增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，AS

16、R由不飽和很快達(dá)到飽和，而ACR一般應(yīng)該不飽和以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。第II階段是恒流升速階段。從電流升到開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值（即靜特性上的）為止，屬于恒流升速階段，是起動(dòng)過程的主要階段。在這個(gè)階段中，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于是開環(huán)。系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流恒定（電流可能超也可能不超調(diào)，取決于電流調(diào)節(jié)環(huán)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)），因而拖動(dòng)系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)（圖2-4）。與此同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)E也按線性增長(zhǎng)。對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服這個(gè)擾動(dòng)，和也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持恒定。由于電流調(diào)節(jié)器ACR是P

17、I調(diào)節(jié)器，要使它的輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應(yīng)略低于。此外還應(yīng)指出，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動(dòng)過程中電流調(diào)節(jié)器是不飽和的。第III階段以后是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這階段開始時(shí)，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓相平衡，輸入偏差為零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值，所以電機(jī)仍在最大電流下加速，必然會(huì)使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后，ASR輸入端出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓即ACR的給定電壓立即從限幅值降下來，主電流也因而下降。但是，由于仍大于負(fù)載電流，在一段時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)速任繼續(xù)上升。到時(shí)，轉(zhuǎn)矩,則，轉(zhuǎn)速n到達(dá)峰值時(shí)）。此后。電動(dòng)機(jī)

18、才開始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，電流也出現(xiàn)一段小于的過程，直到穩(wěn)定。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR與ACR都不飽和，同時(shí)起調(diào)節(jié)作用。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在外環(huán)，ASR處于主導(dǎo)地位，而ACR的作用則是力圖使盡快地跟隨ASR的輸出量，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng).動(dòng)態(tài)性能和兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用：（一）動(dòng)態(tài)跟隨性能如上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在起動(dòng)和升速過程中，能夠在電流受電機(jī)過載能力約束的條件下，表現(xiàn)出很快的動(dòng)態(tài)跟隨性能。在減速過程中，由于主電路電流的不可逆性，跟隨性能變差。對(duì)于電流內(nèi)環(huán)來說，在設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)器時(shí)應(yīng)該強(qiáng)調(diào)有良好的跟隨性能。（二）動(dòng)態(tài)抗擾性能1抗負(fù)載擾動(dòng)由圖2-8動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，負(fù)載擾

19、動(dòng)作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來產(chǎn)生抗擾作用。因此，在突加（減）負(fù)載時(shí)，必然會(huì)引起動(dòng)態(tài)速降（升）。為了減少動(dòng)態(tài)速降（升），必須在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，要求系統(tǒng)具有較好的抗擾性能指標(biāo)。對(duì)于ACR的設(shè)計(jì)來說，只要電流環(huán)具有良好的跟隨性能就可以了。在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖中作用的位置不同，系統(tǒng)對(duì)它的動(dòng)態(tài)抗擾效果也不一樣。例如圖2-8 a的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)和負(fù)載電流擾動(dòng)都作用在被負(fù)反饋包圍的前向通道上，僅靜特性而言，系統(tǒng)對(duì)它們的抗擾效果是一樣的。但是從動(dòng)態(tài)性能上看，由于擾動(dòng)作用的位置不同，還存在著及時(shí)調(diào)節(jié)上的差別。負(fù)載擾動(dòng)作用在被調(diào)量n的前面。它的變化經(jīng)積分后就可被轉(zhuǎn)速檢測(cè)出來，從而在調(diào)節(jié)器ASR上

20、得到反映。電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量更遠(yuǎn)，它的波形先要受到電磁慣性的阻撓后影響到電樞電流，再經(jīng)過機(jī)電慣性的滯后才能反映到轉(zhuǎn)速上來，等到轉(zhuǎn)速反饋產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，已經(jīng)嫌晚。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)（圖2-5 b），這個(gè)問題便大有好轉(zhuǎn)。由于電網(wǎng)電壓擾動(dòng)被包圍在電流環(huán)之內(nèi)，當(dāng)電壓波動(dòng)時(shí)，可以通過電流反饋得到及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等到影響到轉(zhuǎn)速后，才在系統(tǒng)中起作用。因此，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)速降會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)中小得多。圖2-5脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾性能a)單閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)b)雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)2.4可逆PWM變換器工作原理可逆變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式有H型、T型等多種類型

21、，現(xiàn)在選用常用的H型變換器，它是由4個(gè)電力晶體管和4個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路。H型變換器在控制方式上分為雙極式、單極式和受限式三種。本設(shè)計(jì)選用雙極式H型PWM變換器。圖3-1繪出了雙極式H型PWM變換器的電路原理圖。4個(gè)IGBT選用德國(guó)西門康公司生產(chǎn)型號(hào)為SKM 50GB123D，二極管選用MOTOROLA公司生產(chǎn)的超快恢復(fù)功率二極管，型號(hào)為MUR200 40CT,反向恢復(fù)時(shí)間小于50ns.基極驅(qū)動(dòng)電壓分為兩組。和同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其驅(qū)動(dòng)電壓和；和同時(shí)動(dòng)作，其驅(qū)動(dòng)電壓= =。它們的波形如圖311所示。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0t 時(shí)，和為正，晶體管和飽和導(dǎo)通；而和為負(fù)，和截止。這是，加在電樞AB兩

22、端,=,電樞電流沿回路1流通。t T時(shí)，和變負(fù)，和截止；、變正，但、并不能立即導(dǎo)通，因?yàn)樵陔姌须姼嗅尫艃?chǔ)能的作用下，di沿回路2經(jīng)、續(xù)流，、上的壓降使、極承受反壓，這時(shí)，=。在一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)相間，這是雙極式PWM變換器的特征。圖2-6雙極式H型PWM變換器電路由于電壓的正、負(fù)變化，使電流波形存在兩種情況，如圖2-6中的和。相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)負(fù)載較重的情況，這是平均負(fù)載電流大，在連續(xù)階段電流仍維持正方向，電機(jī)始終工作在第一象限的電動(dòng)狀態(tài)。相當(dāng)于負(fù)載很輕的情況，平均電流小，在續(xù)流階段電流很快衰減到零，于是和極兩端失去反壓，在負(fù)的電源電壓（-）和電樞反電動(dòng)勢(shì)的合成作用下導(dǎo)通，電樞電流反向，沿回路3流通，電

23、機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)。與此相仿，在0t 期間，當(dāng)負(fù)載輕時(shí)，電流也有一次倒向。雙極式PWM變換器的可逆要視正、負(fù)脈沖電壓的寬窄而定。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，則電樞兩端的平均電壓為正，在電動(dòng)運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，平均電壓為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。如果正、負(fù)脈沖寬度相等，平均電壓為零，則電動(dòng)機(jī)停止。圖2-7雙極式PWM變換器電壓和電流波形雙極式可逆PWM變換器電樞平均端電壓為：( 25)以=定義PWM電壓的占空比，則=( 26) 的變化范圍為-1<<1。當(dāng)為正值時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；為負(fù)值時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。這個(gè)交變電流平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，陡然增大電機(jī)的損耗。但它的好處是使電機(jī)帶有高頻的微振，起著所

24、謂“動(dòng)力潤(rùn)滑”的作用，消除正、反向的靜摩擦死區(qū)。雙極式PWM變換器的優(yōu)點(diǎn)如下：（1）電流一定是連續(xù)的；（2）可使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行；（3）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；（4）低速時(shí)，每個(gè)晶體管的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導(dǎo)通；（5）低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍可達(dá)20000左右。2.5PWM控制電路經(jīng)典的模擬控制電路主要由PWM電路、延時(shí)電路和驅(qū)動(dòng)電路組成。而PWM發(fā)生電路是采用三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波放大后與一路可調(diào)直流電壓（電流調(diào)節(jié)器輸出的）進(jìn)行比較，則電壓比較器輸出的是一系列方波信號(hào)。如果改變的大小, 那么方波脈沖寬度將會(huì)改變, 從而達(dá)到脈寬調(diào)制的目的。其基本電路結(jié)構(gòu)和調(diào)制

25、原理如圖3-3。脈寬調(diào)制信號(hào)的質(zhì)量，對(duì)于PWM調(diào)速系統(tǒng)是十分重要的。然而它的質(zhì)量主要取決于三角波信號(hào)的質(zhì)量。如果三角波的線性度不好，那么PWM的輸出將得不到對(duì)稱的波形。這對(duì)調(diào)速系統(tǒng)來說，將大大地降低系統(tǒng)的性能，出現(xiàn)正反轉(zhuǎn)不平衡。圖2-8PWM基本電路結(jié)構(gòu)和調(diào)制原理脈寬調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性：在穩(wěn)態(tài)情況下，脈寬調(diào)速系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)所承受的電壓仍為脈沖電壓，因此盡管有高頻電感的平波作用，電樞電流和轉(zhuǎn)速還是脈動(dòng)的。所謂穩(wěn)態(tài)，只是指電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，電樞電流實(shí)際上是周期變化的，只能是算作“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”。脈寬調(diào)速系統(tǒng)在準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)下的機(jī)械特性是平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩（電流）的關(guān)系。在雙極式可逆PW

26、M電路中，具有反向電流通路，在同一轉(zhuǎn)向下電流可正可負(fù)，無論是重載還是輕載，電流波形都是連續(xù)的，這就使機(jī)械特性的關(guān)系式簡(jiǎn)單得多，對(duì)于雙極式可逆電路，其電壓方程為：( 27)( 28)如上兩式所示，一個(gè)周期內(nèi)電樞兩端的平均電壓都是，平均電流用表示，平均電磁轉(zhuǎn)矩為，而電樞回路電感電壓的平均值為零。于是，上式平均值方程都可寫成( 29)則機(jī)械特性方程式為( 210)或用轉(zhuǎn)矩表示( 211)其中理想空載轉(zhuǎn)速，與占空比成正比。圖34繪出了第一、第二象限的機(jī)械特性，它適用于帶制動(dòng)作用的不可逆電路。可逆電路的機(jī)械特性與此相仿，只是擴(kuò)展到第三、第四象限而已。圖29脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性脈寬調(diào)制器和PWM變換器的

27、傳遞函數(shù)：根據(jù)其工作原理，當(dāng)控制電壓CU改變時(shí)，PWM變換器的輸出電壓要到下一個(gè)周期方能改變。因此，脈寬調(diào)制器和PWM變換器合起來可以看成一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，它的延時(shí)最大不超過一個(gè)開關(guān)周期T。則，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)開環(huán)頻率特性截至頻率滿足下式時(shí)( 212)可將滯后環(huán)節(jié)近似看成一階慣性環(huán)節(jié)。因此，脈寬調(diào)制器和PWM變換器的傳遞函數(shù)可近似看成( 213)式中為寬調(diào)制器和PWM變換器的放大系數(shù)；為PWM變換器的輸出電壓；為脈寬調(diào)制器的控制電壓。3系統(tǒng)的仿真3.1建立仿真模型(1)打開MATLAB中的Simulink工具箱，將所需模塊拖入模型編輯窗口并將其相連。(2)將設(shè)計(jì)的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)輸入各個(gè)模塊，運(yùn)行調(diào)試

28、功能，如果無誤后就可以運(yùn)行系統(tǒng)。(3)運(yùn)行后便可通過模擬示波器觀察波形。1PWM發(fā)生器防真模型如圖3-1示圖3-1PWM發(fā)生器防真模型2H橋PWM開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型如圖3-2所示圖3-2PWM開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型3H橋PWM雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型如圖3-3所示圖3-3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型3.2 PWM開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果在如圖3-4所示的轉(zhuǎn)速給定條件下，可以得到H橋PWM開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的電樞電流，電樞電壓，電磁轉(zhuǎn)矩，輸出轉(zhuǎn)速的仿真圖。圖3-4轉(zhuǎn)速給定圖3-5開環(huán)系統(tǒng)電樞電流仿真圖如圖3-5所示：在T=0時(shí)，轉(zhuǎn)速給定=8，電樞電流=20，隨著轉(zhuǎn)速的上升，電樞電流開始下降，當(dāng)T=1時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定，

29、電樞電流=6也保持一穩(wěn)定值。當(dāng)T=2時(shí)，轉(zhuǎn)速給定=-8，電樞電流也反向達(dá)到最大，然后電樞電流的變化過程和正向給定一樣。圖3-6開環(huán)系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩仿真圖如圖3-6所以：因?yàn)殡姶呸D(zhuǎn)矩和電樞電流有關(guān)，所以它的變化過程和電樞電流一模一樣。圖3-7開環(huán)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速仿真圖如圖3-7所示：T=0時(shí)，在轉(zhuǎn)速給定=8的條件下，轉(zhuǎn)速N=0開始加速上升。當(dāng)T=1時(shí)，電樞電流達(dá)到穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速加速度也等于零，轉(zhuǎn)速也達(dá)到最大N=1750,系統(tǒng)穩(wěn)定。當(dāng)T=2時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速給定=-8反向，轉(zhuǎn)速開始加速下降，并在很短的時(shí)間里下降到零。緊接著轉(zhuǎn)速開始反向加速，然后和正向起動(dòng)是一樣的過程。3.3 PWM雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果同樣在如圖

30、5-1所示的轉(zhuǎn)速給定下。我們可以用H橋PWM雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型得到閉環(huán)系統(tǒng)的電樞電流，電樞電壓，電磁轉(zhuǎn)矩，和輸出轉(zhuǎn)速的仿真圖。圖3-8雙閉環(huán)系統(tǒng)電樞電流仿真圖如圖3-8所示：因?yàn)殡p閉環(huán)系統(tǒng)有電流負(fù)反饋，所以電樞電流理論上基本保持一樣。只是在不同的轉(zhuǎn)速給定下大小和方向不同。比如在轉(zhuǎn)速給定是正值時(shí)，它也是正值。反之它就是負(fù)值。圖3-9雙閉環(huán)系統(tǒng)PWM輸出波形圖3-10閉環(huán)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速仿真圖總結(jié)本文對(duì)電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流可逆PWM調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了較深入的研究，從直流調(diào)速系統(tǒng)原理出發(fā)，逐步建立了雙閉環(huán)直流可逆PWM調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并對(duì)電流控制器與轉(zhuǎn)速控制器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，然后在微機(jī)實(shí)現(xiàn)上討論了數(shù)

31、字觸發(fā)、數(shù)字測(cè)速、轉(zhuǎn)速與電流控制器的原理并給出了軟件、硬件實(shí)現(xiàn)方案?，F(xiàn)代電機(jī)控制的發(fā)展，一方面要求提高性能、降低損耗、減少成本，另一方面又不斷地有技術(shù)指標(biāo)及其苛刻特殊應(yīng)用系統(tǒng)要求。隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)地飛速發(fā)展，以及控制理論地完善、仿真工具地日漸成熟，給電機(jī)控制行業(yè)帶來了很多機(jī)遇和反展契機(jī)。使用高性能的微機(jī)解決電機(jī)控制器不斷增加的計(jì)算量和速度要求，使其功能強(qiáng)大、維修方便、適用范圍廣又非常經(jīng)濟(jì)。雖然，在研究的過程中克服了很多困難，解決了不少問題，提出創(chuàng)新思路，但由于研究環(huán)境的限制，本研究只是處于初級(jí)階段。它將是一個(gè)有益而大膽的探索，為以后的研究工作開了一個(gè)好頭，相信將來會(huì)有很

32、多成果出現(xiàn)。限于篇幅，本文未涉及以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：1電動(dòng)機(jī)負(fù)載較輕時(shí)電流斷續(xù)時(shí)可采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)器。2自動(dòng)控制理論中的復(fù)雜推導(dǎo)。3額定轉(zhuǎn)速以上的弱磁調(diào)速系統(tǒng)。4典型系統(tǒng)的介紹。5系統(tǒng)參數(shù)、電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)節(jié)器的定量計(jì)算。通過對(duì)你課題的研究我有以下幾個(gè)方面的收獲：1學(xué)習(xí)與掌握了微機(jī)的基本原理及其各種應(yīng)用，對(duì)它的各種硬件接口與軟件方法有了較深入的認(rèn)識(shí)和了解。2對(duì)開關(guān)電源的工作原理和設(shè)計(jì)方法有了較深入的了解。3對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能及其控制有一定的認(rèn)識(shí)。5掌握了不少軟件的應(yīng)用如PROTEL、SPICE、MATLAB、VISIO、匯編語(yǔ)言等。參考文獻(xiàn)1李仁定.電機(jī)的微機(jī)控制.北京：機(jī)械工業(yè)出版

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