雙極式PWM直流電機

1、鄭州輕工業(yè)學院本科課程設計（論文）題 目 _ _學生姓名 專業(yè)班級 學 號 院 （系） 指導教師(職稱) 完成時間 2014年02月24日 基于微控制器的PWM(雙極式)直流調速系統(tǒng)設計摘 要本文主要研究了利用MCS-52系列單片機控制PWM信號從而實現(xiàn)對直流電機轉速進行控制的方法。本文中采用了專門的芯片組成了PWM信號的發(fā)生系統(tǒng)，并且對PWM信號的原理、產生方法以及如何通過軟件編程對PWM信號占空比進行調節(jié)，從而控制其輸入信號波形等均作了詳細的闡述。另外，本系統(tǒng)中使用了測速發(fā)電機對直流電機的轉速進行測量，經過濾波電路后，將測量值送到A/D轉換器，并且最終作為反饋值輸入到單片機進行PI運算，從

2、而實現(xiàn)了對直流電機速度的控制。在軟件方面，文章中詳細介紹了PI運算程序，初始化程序等的編寫思路和具體的程序實現(xiàn)。關鍵詞 PWM信號/測速發(fā)電機/PI運算/直流電動機1 緒論采用脈沖寬度調制的高頻開關控制方式，形成脈寬調制變換器直流電動機調速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調速系統(tǒng)或直流PWM調速系統(tǒng)。脈寬調制變換器是把脈沖寬度進行調制的一種直流斬波器，脈寬調制，是利用電力電子開關器件的導通與關斷，將直流電壓變成連續(xù)的直流脈沖序列，并通過控制脈沖的寬度或周期達到變壓的目的。與V-M系統(tǒng)相比，PWM系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點：（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電機在四象限

3、運行；（3）電機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；（4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調速范圍可達1:20000左右；（5）低速時，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。雙極式控制方式的不足之處是：在工作過程中，4個開關器件可能都處于開關狀態(tài)，開關損耗大，而且在切換時可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅動脈沖之間，應設置邏輯延時。由于有以上優(yōu)點直流PWM系統(tǒng)應用日益廣泛，特別是在中、小容量的高動態(tài)性能中，已完全取代了V-M系統(tǒng)。為達到更好的機械特性要求，一般直流電動機都是在閉環(huán)控制下運行。經常采用的閉環(huán)系統(tǒng)有轉速負反饋和電流截止負反饋2系統(tǒng)構成和原理直流雙極式

4、可逆PWM調速系統(tǒng)的組成見附錄1。圖中可逆PWM 變換器主電路系采用MOSFET 所構成的H 型結構形式，它由四個功率MOSFET管和四個續(xù)流二極管組成的雙極式PWM 可逆變換器，根據(jù)脈沖占空比的不同，在直流電機上可得到+或-的直流電壓。PWM變換器的作用是：用PWM調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調節(jié)電機轉速。TG 是與直流電動機連動的測速發(fā)電機，經過速度變換器FBS后可獲得一反映轉速變化的速度反饋信號，此信號接入速度調節(jié)器ASR 的反饋輸入端，G為電壓給定器，可提供正、負電壓，電壓大小可以調節(jié)。SG3525 為脈寬調

5、制器。R1、C1、VD1、R2、C2、VD2 構成邏輯延時環(huán)節(jié)。二極管整流橋把輸入的交流電變?yōu)橹绷麟?，正常情況下，交流輸入為380V，經過整流后變?yōu)?20V直流電，電阻R1為起動限流電阻,在VT1 和VT4的源極回路中，串接兩個取樣電阻，其上的電壓分別反映流過VT2、VT4的電流,經過差分放大輸出一反映電流大小的電壓，可作為雙閉環(huán)系統(tǒng)的電流反饋信號，接到電流調節(jié)器ACR的輸入端?；芈分械碾娮鑂2 有兩個作用。第一，可以用來觀察波形,其上的電壓波形反映了主回路的電流波形。第二，作為過流保護用。當R2的電壓超過整定值后，過流保護電路動作，關閉脈沖，從而保護功率MOSFET管3電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器

6、的設計3.1雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的結構圖直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的結構圖如圖1所示，轉速調節(jié)器與電流調節(jié)器串極聯(lián)結，轉速調節(jié)器的輸出作為電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制PWM裝置。其中脈寬調制變換器的作用是：用脈沖寬度調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調節(jié)電機轉速，達到設計要求?？傮w方案簡化圖如圖1所示。圖1 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的結構簡化圖3.2電流調節(jié)器及反饋電路設計設置電流調節(jié)器是為了充分的利用電機允許的過載能力，在系統(tǒng)暫態(tài)過程中，始終保持電流為允許的最大值，使系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動，制動，縮短調節(jié)時間，保證系統(tǒng)具有

7、良好的快速響應的性能。當?shù)竭_穩(wěn)態(tài)時，又讓電流立即降低下來。本系統(tǒng)中的電流調節(jié)器采用PI調節(jié)器，這是因為PI調節(jié)器的比例部分可以提高系統(tǒng)的快速性，積分部分可以消除電流靜差，是系統(tǒng)具有良好的動、靜態(tài)品質。電流調節(jié)器處于雙閉環(huán)的內環(huán)中，此內環(huán)是一個隨動系統(tǒng)，在轉速調節(jié)過 程中，電流調節(jié)器的給定值隨著轉速調節(jié)器的輸出值改變而改變。由于運放的飽和原因，轉速調節(jié)器的輸出值不能無限制的增長，所以當電機過載甚至堵轉時，就可以通過調節(jié)轉速調節(jié)器的輸出限幅值來限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全保護作用。如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動回復正常。此外電流環(huán)對電網電壓起及時抗擾作用由于電流檢測中常常含有交流分量，為使

8、其不影響調節(jié)器的輸入，需加低通濾波。此濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)表示，由初始條件知濾波時間常數(shù)，以濾平電流檢測信號為準。為了平衡反饋信號的延遲，在給定通道上加入同樣的給定濾波環(huán)節(jié)，使二者在時間上配合恰當。CoiUcUi*-UiR0/2R0/2R0/2R0/2RiRbalCiCoi圖3.2電流反饋電路主要參數(shù)確定：根據(jù)初始數(shù)據(jù)，可得出：轉速反饋系數(shù)ASR限幅值，電流反饋系數(shù)電力電子變換器放大系數(shù)電樞回路電磁時間常數(shù)電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)電流濾波時間常數(shù)。三相橋式電路每個波頭的時間是，為了基本濾平波頭，應有，因此取。整流裝置滯后時間常數(shù)。三相橋式電路的平均失控時間s。電流環(huán)小時間常數(shù)。按小

9、時間常數(shù)近似處理，取。電流調節(jié)器結構的選擇電流環(huán)的重要作用就是保持電樞電流在動態(tài)過程中不超過允許值，因而在突加控制作用時不希望有超調，或者超調量越小越好。在一般情況下，當控制對象的兩個時間常數(shù)之比時，典型I型系統(tǒng)的抗擾恢復時間還是可以接受的，因此一般多按典型I型系統(tǒng)來設計電流環(huán)。電流環(huán)的控制對象是雙慣性型的，要校正成典型I型系統(tǒng)，顯然應該采用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)可以寫成： （4-1）式中：為電流調節(jié)器的比例系數(shù)；為電流調節(jié)器的超前時間常數(shù)。電流調節(jié)器參數(shù)的選擇電流調節(jié)器的參數(shù)包括和的選擇。電流調節(jié)器超前時間常數(shù)：電流環(huán)開環(huán)增益：要求時，應取，因此故電流調節(jié)器的比例系數(shù)為：校驗近似條件以上的結

10、果是在一系列假定條件下得出的，現(xiàn)將所用過的假定條件歸納如下，具體設計時，必須校驗這些條件 。電流環(huán)截止頻率晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：，效驗計算：，滿足近似條件。忽略反電動勢對電流環(huán)影響的近似條件：，效驗計算：，滿足近似條件。電流環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：，效驗計算：，滿足近似條件。電流調節(jié)器的電阻和電容計算按照電流調節(jié)器所用放大器取，各電阻和電容值計算如下，可取按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)指標為，滿足設計要求。電流閉環(huán)后，改造了控制對象，加快了電流跟隨作用。這說明了多環(huán)控制系統(tǒng)中局部閉環(huán)（內環(huán)）的一個重要功能。4.2.1電流環(huán)等效閉環(huán)傳遞函數(shù)在設計轉速調節(jié)器時，可把已設計好的

11、電流環(huán)看作是轉速調節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，為此，須求出它的等效傳遞函數(shù)。其閉環(huán)傳遞函數(shù)為： （4-2）轉速環(huán)的截止頻率一般較低，因此傳函可降階近似為：  （4-3）3.3.2轉速調節(jié)器及其反饋電路設計ASR的輸入信號來自給定環(huán)節(jié)的輸出值和測速發(fā)電機的輸出值。為例滿足系統(tǒng)動、靜態(tài)品質的要求，轉速調節(jié)器采用比例積分放大器。其輸出信號作為電流調節(jié)器ACR的給定電壓信號。轉速調節(jié)器設有正負限幅，限幅值在反饋電壓輸入端和給定電壓輸入端均設有無源T型濾波環(huán)節(jié)，濾去高次諧波干擾信號。場效應管FET，保證系統(tǒng)停車時，本調節(jié)器鎖零由測速發(fā)電機得到的轉速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，由初始條件知濾波

12、時間常數(shù)。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉速給定通道上也加入相同時間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。圖3.4 轉速反饋電路4.2.2轉速調節(jié)器結構的選擇     為了實現(xiàn)轉速無靜差，還必須在擾動作用點以前設置一個積分環(huán)節(jié)，同時從動態(tài)性能上看，調速系統(tǒng)首先需要有較好的抗擾性能，因此選擇典型型系統(tǒng)。要把轉速環(huán)校正成典型型系統(tǒng)，ASR也應該采用PI調節(jié)器，其傳遞函數(shù)為： （4-4）式中：為轉速調節(jié)器的比例系數(shù)；為轉速調節(jié)器的超前時間常數(shù)。5.1時間常數(shù)的確定電流環(huán)等效時間常數(shù)為轉速濾波時間常數(shù)，根據(jù)所用測速發(fā)電機紋波情況，取轉速環(huán)小時間常數(shù)，按小時間常數(shù)近似處理52轉速調節(jié)器

13、參數(shù)的選擇轉速調節(jié)器的參數(shù)包括和。至于中頻寬h應選多大，按照典型型系統(tǒng)的參數(shù)選擇方法，按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則ASR的超前時間常數(shù)為轉速開環(huán)增益于是，ASR的比例系數(shù)為：4.2.1 電流參數(shù)的校驗校驗近似條件：電流環(huán)截止頻率校驗PWM調壓系統(tǒng)傳遞函數(shù)的近似條件是否滿足。因為，所以滿足近似條件。校驗忽略反電動勢對電流環(huán)影響的近似條件是否滿足?，F(xiàn)在，滿足近似條件。校驗小時間常數(shù)近似處理是否滿足條件?，F(xiàn)在，滿足近似條件。按照上述參數(shù)，電流環(huán)滿足動態(tài)設計指標要求和近似條件。4.2.2 轉速參數(shù)的校驗校驗近似條件：轉速環(huán)截止頻率校驗電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件是否滿足。，滿足簡化條件。校驗小時間常

14、數(shù)近似處理是否滿足。，滿足近似條件。4.2.3 校驗退飽和轉速超調量當h=5時，查表得，n=37.6%，不能滿足設計要求。實際上，由于這是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調量。設理想空載起動時，負載系數(shù)z=0，已知直流電機參數(shù)：，電樞回路總電阻；PWM裝置放大系數(shù)；時間常數(shù)，； 當時 ；而因此均滿足設計要求。5仿真調試及結果分析5.1 Simulink仿真調試由于雙閉環(huán)調節(jié)器的參數(shù)計算采用的工程近似處理的方法，所得出的參數(shù)與實際最佳參數(shù)有微小的偏差，用計算出的參數(shù)仿真時，實際效果可能并不是很理想，所以在實際中需要對各調節(jié)器

15、參數(shù)微調，至出現(xiàn)最接近理論最佳為好。5.1.1動態(tài)模型仿真圖5.1為系統(tǒng)動態(tài)仿真模型圖：圖5.1系統(tǒng)仿真模型圖5.2為系統(tǒng)在一秒鐘內電機空載啟動電流和轉速變化曲線：圖5.2 電機空載啟動圖5.3為系統(tǒng)在一秒鐘內滿載啟動電流和轉速變化曲線：圖5.3 額定負載啟動圖5.4為系統(tǒng)在運行0.5后加額定負載時電流和轉速的變化曲線：圖5.4 系統(tǒng)抗干擾檢測圖5.5為測試系統(tǒng)跟隨性能時電流和轉速的變化曲線：圖5.5 轉速跟隨檢測5.1.2硬件模型仿真圖5.6為硬件仿真總電路圖圖5.6 硬件電路圖5.7為H橋驅動電機的PWM波形：圖5.7 雙極式PWM波形圖5.8為系統(tǒng)在1.5s內電機空載啟動電流和轉速變化曲

16、線：圖5.8 空載啟動圖5.9為系統(tǒng)在1.5s內滿載啟動電流和轉速變化曲線：圖5.9 滿載啟動圖5.10為系統(tǒng)在0.8s時滿載電流和轉速變化曲線：圖5.10 抗干擾檢測圖5.11為測試系統(tǒng)跟隨性能時電流和轉速的變化曲線：圖5.11 轉速跟隨檢測5.2 結果分析眾觀以上仿真，電流和轉速的變化基本達到設計要求，系統(tǒng)的抗干擾性能，跟隨性能，帶負載性能各項指標均正常。雙極式PWM直流調速系統(tǒng)起動過程的電流和轉速波形是接近理想快速起動過程波形的。按照ASR在起動過程中的飽和情況，可將起動過程分為三個階段，即電流上升階段、恒流升速階段和轉速調節(jié)階段。從起動時間上看，階段恒流升速是主要的階段，因此雙閉環(huán)系統(tǒng)

17、基本上實現(xiàn)了電流受限制下的快速起動，利用了飽和非線性控制方法，達到“準時間最優(yōu)控制”。帶PI調節(jié)器的雙閉環(huán)調速系統(tǒng)還有一個特點，就是轉速必超調。在雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中，ASR的作用是對轉速的抗擾調節(jié)并使之在穩(wěn)態(tài)時無靜差，其輸出限幅決定允許的最大電流。ACR的作用是電流跟隨，過流自動保護和及時抑制電壓波動?？?結課程設計是實踐課的一種，在很大程度上實現(xiàn)了動手與動腦，理論與實際的相互結合，既是對工業(yè)環(huán)境的一個簡單縮影，又是對理論知識的一種檢驗，很好地實現(xiàn)了從書本到實際操作的一個過渡。通過這次課設，我不僅在知識上有了進一步的鞏固和提高，在求學和研究的心態(tài)上也有不小的進步。我想無論是在學習還是在生活上只有自己有心去學習和參與才可能有收獲，這也算是課設給我的一點小小的感悟。我深感要注重理論聯(lián)系實際。以前一直覺得理論知識離我們很遠，經過課程設計，才發(fā)現(xiàn)理論知識與生活的聯(lián)系。這大大