PWM直流脉宽调速系统毕业设计Word文档下载推荐.docx
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一次是元器件的更新，即以大功率半导体器件晶闸管取代传统的变流机组，以线形组件运算放大器取代电磁放大器件。
后一次技术更新主要是把现代控制理论和计算机技术用于电气工程，控制器由模拟式进入了数字式。
在前一次技术更新中，电气系统的动态设计仍采用经典控制理论的方法。
而后一次技术更新是设计思想和理论概念上的一个飞跃和质变，电气系统的结构和性能亦随之改观。
在整个电气自动化系统中，电力拖动及调速系统是其中的核心部分。
现代的电力拖动控制系统都是由惯性很小的晶闸管、电力晶体管或其他电力电子器件以及集成电路调节器等组成的。
经过合理的简化处理，整个系统一般都可以用低阶近似。
而以运算放大器为核心的有源校正网络（调节器），和由R、C等元件构成的无源校正网络相比,又可以实现更为精确的比例、微分、积分控制规律,于是就有可能将各种各样的控制系统简化和近似成少数典型的低阶系统结构。
如果事先对这些典型系统作比较深入的研究,把它们的开环对数频率特性当作预期的特性,弄清楚它们的参数和系统性能指标的关系,写成简单的公式或制成简明的图表,则在设计实际系统时,只要能把它校正或简化成典型系统的形式,就可以利用现成的公式和图表来进行参数计算,这样,就建立了工程设计方法的可能性。
直流拖动系统
直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系可表示为
式中n———转速（r/min）；
U———电枢电压（V）；
I———电枢电流（A）；
R———电枢回路总电阻（）；
ф———励磁磁通（wb）；
Ke———由电机结构决定的电动势常数。
由上式可以看出，调节电动机的转速有三种方法：
1）调节电枢供电电压U:
即保持R和Φ不变，通过调节U来调节n，是一种大范围无级调速方式。
2）减弱励磁磁通:
即保持Φ和U不变，通过减少Φ来升高n，是一种小范围无级调速方式。
3）改变电枢回路电阻R:
即保持U和Φ不变，通过调节R来调节n，是一种大范围有级调速方式。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。
改变电阻只能实现有级调速；
减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大。
调速系统的性能指标
1.稳态性能指标
1）调速范围
生产机械要求电动机提供的最高转速
和最低转速
之比叫调速范围，用字母D表示，即
其中
和
一般都指电动机额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的转速。
在直流电机调压调速系统中，常以电动机的额定转速
为最高转速。
2）静差率当系统在某一转速下运行时负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落△n，与理想空载转速n之比，称作静差率，即
显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化下的稳定度的。
它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。
然而，静差率和机械特性硬度又是有区别的。
静差率不仅与转速降落有关，还与理想空载转速的大小有关。
2.动态性能指标
调速系统的动态性能指标包括跟随性能指标和抗扰性能指标两类。
1）跟随性能指标
在给定信号（或称参考输人信号）R（t）的作用下，系统输出量C（t）的变化可用跟随性能指标来描述
通常使用阶跃响应性能指标，即以输出量的初始值为零，给定信号阶跃变化下的过渡过程为典型的跟随过程。
一般希望在阶跃响应中输出量C（t）与其稳态值
的偏差越小越好，达到C的时间越快越好。
具体的指标有下列几项:
（1）上升时间
在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值C所经过的时间称为上升时间。
它表示动态响应的快速性。
（2）超调量
在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量:
超调量反映系统的相对稳定性。
超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。
（3）调节时间t,
调节时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个调节过程的快慢。
定义为从加输人量的时刻起，到输出量进人其稳态值的误差带（一般取5%或2%），响应曲线达到且不再超出该误差带所需的最短时间。
2）抗扰性能指标
稳定的调速系统在运行中，如果受到扰动，经历一段动态过程后，能达到新的稳态，除了稳态误差以外，在动态过程中输出量变化有多少在多长的时间内能恢复稳定运行这些问题标志着调速系统的抗扰能力。
一般以系统稳定运行中突加一个使输出量降低的负扰动N以后的过渡过程作为典型的抗扰过程。
课题来源
目前，直流调速技术的研究和应用已达到比较成熟的地步，尤其是随着全数字直流调速的出现，更提高了直流调速系统的精度及可靠性。
目前国内各大专院校，科研单位和厂家也都在开发直流调速装置，但大多数调速技术都是结合工业生产中，而在民用中应用相对较少，所以应用已有的成熟技术开发性能价格比高，具有自主知识产权的直流调速单元，将有广阔的应用前景。
直流斩波电路原理实验和直流电机的PWM调速实验都是《电力电子技术》课程要求必须开设的实验。
本课题是应生产教仪的厂家的需要,研制开发出一套控制平滑、稳定、经济、实用、简便、可靠性高、操作方便的直流调速控制挂箱以供大中专院校实验教学之用,利用该挂箱设备可以进行的实验项目有:
①降压斩波电路实验②升压斩波电路实验③可逆直流PWM调速实验，实现了斩波实验电路与可逆PWM调速实验电路的兼容。
文献综述
PWM直流调速系统研究
直流电动机因其可以方便地通过改变电枢电压和励磁电流实现宽范围的调速而得到广泛的应用．调节电枢串联电阻来改变电枢上的电压，是最经典的直流电机调速方法，有相当部分的电能消耗在所串联电阻上，很不经济。
80年代，以晶闸管为功率开关器件的斩波调速器以其无级、高效、节能而得到大力推广但晶闸管斩波调速器不足之处是晶闸管一旦被触发，其关断必须依赖换流电容和换流电感振荡产生反压来实现．换流电容和电感增加了装置的成本，也增加了换流损耗；
电源电压下降还会导致换流失败，使系统的可靠性降低；
此外，由于晶闸管的开、关时间比较长，加上存在换流环节，使得斩波器的工作频率不能太高（一般在300Hz以下），电机上的力矩脉动和电流脉动比较严重。
因此直流斩波调速呼唤快速自关断器件。
于是90年代出现了以IGBT为代表，具有自关断能力并可在高速下工作的功率器件作为开关元件的PWM直流调速系统成为更为先进的直流调速方案[2]。
随着电力电子技术的发展和新型电力电子器件的不断涌现，直流PWM驱动技术近年来发展更加迅速，由其构成的调速系统也已成为现代调速系统的佼佼者，受到越来越多电气控制技术人员的重视。
传统的PWM直流传动系统常采用的主功率元件一般为功率晶体管（GTR），随着驱动对象的日益复杂和系统性能及可靠性的逐步提高，采用场控器件--绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的逐渐增多，这里就是采用IGBT作为主电路的控制元件。
PWM直流调速系统设计理论分析
基于80Cl96KC控制的双闭环直流调速系统电路。
主要由电机转速、电流检测电路；
转速、电流双闭环单片机PI数字调节器；
功率调节电路；
直流电机；
保护电路等组成，系统硬件主要由80C196KC单片机、外部存储器、驱动芯片TC787、光电编码器、8279键盘显示电路等构成。
实现显示、命令输入、循环检测、过压过流保护及软件PI调节功能。
80C196KC单片机是INTEL公司新一代高性能、低功耗l6位单片机，具有丰富的软硬件资源和较强的抗干扰能力，它是MCS～96系列的芯片中第三类产品，内含A／D转换。
具有四个高速输入口和六个高输出口。
具有以下显著特点：
算术逻辑单元采用寄存器一寄存器结构，消除了一般CPU中存在的累加器瓶颈效应，提高了操作速度和数据吞吐能力；
采用垂直窗口技术，大大加速了程序运行速度和精简了程序结构。
在中断服务程序或子程序中，其优点尤其显得突出。
增添了新的256字节寄存器，使得每个服务程序都可能拥有自已的寄存器组，而在服务程序的人口和出口处，可以用简单的垂直窗口切换代替常用的人栈和出栈指令。
具有外设事务服务器，能有效地处理中断事务。
外设事务服务器PTS（PeripheralTransactionServe）对中断能提供一种类似直接存储器访问DMA（DirectMemoryAccess）的响应，CPU的开销比一般的中断响应少得多。
本系统中，对转速的测量、A／D转换、闭环运算和发触发脉冲，都对实时性要求很高，鉴于以上特点，80C196KC能够满足系统的要求，并极大地提高了系统的运行可靠性及控制策略的灵活性，同时也将提高系统的控制精度。
双闭环直流调速系统引入80C196KC单片机控制后，整个系统硬件结构简单、运算速度快、逻辑判断能力强，静动态特性良好，抗负载及电网电压扰动能力强，稳速精度高，节省了设备的投资、提高了设备的利用率，在自动控制系统的实验与科研以及工业电力拖动装置的改造等方面具有较好的应用价值[13]。
基于模拟电路仿真的双闭环直流调速系统课程设计。
介绍了一种基于模拟电路仿真实验平台实现双闭环直流调速系统课程设计的方法，该方法利用计算机完成实验数据的采集、存储和计算处理，根据实验结果可以准确直观地分析转速一电流双闭环调速系统的起动过程及动态抗扰性能，可方便地设计各种不同的调节器参数及控制策略并分析其对系统性能的影响，取得了很好的教学效果。
该方法亦可用于对其他类型自控系统的分析设计。
利用模拟电路仿真实验平台实现双闭环直流调速系统课程设计，生动直观地再现了调速系统的起动过程及抗扰过程，说明了调节器的有关设计问题，将抽象的理论问题变得直观易懂，取得了较好的教学效果，该方法同样适用于学生学习设计其他各种自动控制系统。
基于MATLAB的双闭环可逆直流调速系统的仿真研究。
对双闭环无环流可逆直流调速系统进行了计算机仿真研究。
双闭环可逆直流调速系统是一个复杂的自动控制系统，在设计和调试过程中有大量的参数需要计算和调整。
运用传统的设计方法工作量大，系统调试困难。
随着计算机技术的发展，在软件和硬件方面提供了良好的设计平台。
该文运用MATLAB软件建立了调速系统的仿真模型。
在建立系统计算机仿真模型时，由于系统复杂，首先利用MATLAB的子系统模块将主电路和触发电路封装成一个子系统；
然后将子系统与其他模块一起组成整个调速系统的仿真模型。
利用SLMULINK中仿真功能对系统进行了仿真，仿真的结果证明了该方法的可行性、合理性。
利用仿真技术可以很大程度地减少双闭环可逆直流调速系统设计和调试强度。
此外还有由单片微机控制的IGBT-PWM直流调速系统[11]。
单片微机由于体积小，重量轻，功能全，价格便宜，在电气传动实时控制系统中越来越受到重视和普遍应用。
利用单片微机逻辑功能强和软件灵活的优点，不仅可使很多控制硬件软件化，且便于参数的设定和调整，同时可以对系统工作中的各种信息数据作诊断，检洲并及时处理，加强实时维护和提高控制系统的可靠性。
由单片微机控制的IGBT-PWM调速系统是一种新型的控制系统，由于IGBT是一种高频垒控型器件，可方便地控制其通断，因此由它组成的控制系统除结构简单外，更具有开关频率高、主回路脉动成分系统采用单闭环结构，省去了电流环，而电流环的作用则由反电势跟踪控制来取代。
使系统在动态过程中输出最大电流，以加快过渡过程。
由于用单片微机实现了全数字控制。
它不仅简化了系统的结构，而且使系统具有良好的动静态特性。
由于调速系统采用了徽机控制，使系统结构得以简化，且系统参数可调，使系统得动静态特性得以优化。
如何设计好PWM直流调速系统
在转速的比例控制系统中，提高放大器的电压放大倍数，只能减小静差，而不能消除静差。
要想消除静差，就必须在放大器中增加一个积分环节，使放大器变成比例积分（PI）控制器。
PI反馈网络是由一些电阻和电容组成的线性网络。
其中有一个可变电阻器和一个可变电容器。
可变电阻器用于PI控制器的比例度值的调节。
可变电容器用于P1控制器的积分时间的调节。
在转速的PI控制系统中，只要有静差的存在，积分环节就要工作，一直到静差为0时，积分环节才停止工作。
积分环节能完全消除静差。
在生产实际中会出现这样的现象：
虽然转速的偏差的绝对值不大，但是它的变化速度却很快。
PI控制对于这样的偏差（动偏差）的控制力度很小。
因此，这个快速变化的偏差很快就会造成很大的偏差。
等到大的偏差出现后，再来实施控制，已经为时过晚，这样必定会使控制精度大幅度地下降。
为了及时消除这种快速变化的转速偏差，必须在PI控制器中再引进一个微分（D）环节使PI控制器变成PID控制器。
具体的作法是：
在PI控制器的反馈网络中再增加一个微分环节就可以了。
在微分环节中设置一个可变电容器，用来调节微分时间值。
将PI控制系统中的PI控制器换成PID控制器，就成了转速的PID控制系统。
当绝对值很小而变化速度很快的转速偏差出现后，PID控制器中的微分环节就会输出一个很大的控制电压，来提前对转速作相应的大幅度的调整，这样就避免了今后大的速度偏差的出现，使控制精度大幅度地提高。
对于PID控制器，可以用工程整定的方法确定出一组最佳的比例度、积分时间和微分时间的值，使转速控制达到最佳的效果．这时，转速的最大超调量最小，调节时间最短。
或者说，此时控制精度最高，控制速度最快
直流电机参数
直流并励电动机型号：
ZYDJ04功率：
PN=150W电枢电压：
UN=220V电枢电流：
IN=测速发电机：
48V/2400r/min
第2章PWM直流调速系统总体介绍与主电路原理
电路组成及系统分析
直流脉宽调速电路原理图如图所示,其中直流斩波电路可看成降压型变换器和升压型变换器的串联组合,采用IGBT（800V/5A）作为自关断器件,二极管（2ZCP12）续流，利用集成脉宽调制控制器SG3525产生的脉宽调制信号作为驱动信号,由两个IGBT及其反并联的续流二极管组成。
IGBT为GT25Q10。
直流并励电动机型号ZYDJ04。
图中PN=150W;
UN=220V;
IN=。
主电路工作原理
三相127V交流电经桥式整流电路,所选用二极管型号为2CP12滤波电路变成直流电压加在P、N两点间，直流斩波电路上端接P点，下端接N点，中点公共端（COM）（如图所示）。
若使COM端与电机电枢绕组A端相接,B端接N,可使电机正转。
若T2截止，T1周期性地通断，在T1导通的Ton时间内，形成电流回路P-T1-A-B-N，此时VAB＞0,IAB＞0;
在T1截止时由于电感电流不能突变,电流IAB经D2续流形成回路为A-B-D2-A,仍有VAB＞0,IAB＞0，电机工作在正转电动状态（第一象限），T1,D2构成一个Buck变换器。
若T1截止,T2周期性地通断,在T2导通的Ton时间内，形成流回路A-T2-B-A;
在T2截止时,由于电感电流不能突变,电流IAB经D1续流形成回路为A-D1-P-N-B-A,此时VAB＞0,IAB＜0,电机工作在正转制动状态（第二象限）,T2，D1构成一个Boost变换器。
只要改变T1,T2导通时间Ton的大小即改变给T1,T2所加门极驱动动信号脉冲的宽度即可改变VAB和IAB的大小调控直流电动机的转速和转矩。
若使COM端与电机电枢绕组A端相接，B端接N,可使电机工作在正转电动或制动状态（Ⅰ,Ⅱ象限），若使COM端与B相接而A端接N,可使电机工作在反转电动或制动状态（Ⅲ，Ⅳ象限）。
（正转或反转状态电机电枢绕组的连接通过状态开关进行切换）。
这样仅用两个开关器件就可实现电机的四象限运行。
电机的转速经测速发电机以及FBS（转速变换器）输出到ASR（转速调节器），作为ASR的输入并和给定电压比较，组成系统的外环,ASR的输出作为ACR（电流调节器）的输入并和主电路电流反馈信号进行比较作为系统的内环。
由于电流调节器的输出接到SG3525的第2脚,R2为限流电阻，所以要求电流调节器再通过一个反号器的输出电压的极性必须为正，转速调节器的输出作为电流调节器的给定则又要求其输出电压信号为正,最后转速调节器的给定选择了负极性的可调电压,如图所示。
ASR和ACR均采用PI调节器，利用电流负反馈与速度调节器输出限幅环节的作用,使系统能够快速起制动,突加负载动态速降小,具有较好的加速特性。
图电路总图
主电路的组成
本实验电路中主电路部分由直流电源、两个IGBT管组成，可看成降压型变换器和升压型变换器的串联组合，下面结合H型桥式可逆直流PWM调速电路图来对降压、升压斩波电路进行介绍。
降压斩波电路与电机的电动状态
图中如果始终保持T4导通、T3关断（则如图所示），并使T2截止、T1周期性地通断，在T1导通的Ton时间内，vAB=vPN＞0,iAB＞0;
在T1截止的Toff时间内，由于电感电流不能突变，iAB经D2续流，vAB=0，A、B两端电压的平均值VAB=TonVPN/（Ton+Toff）=αVPN,α为占空比。
可见在图中当T2截止时由T1、D2构成了一个降压斩波电路，iAB＞0，vAB＞0，电机工作在正向电动状态。
升压斩波电路与电机的制动状态
图中若T1截止、T2周期性地通断，在T2导通的Ton时间内，vAB=0,iAB＜0;
在T2截止的Toff时间内，由于电感电流不能突变，电流iAB经D1续流，vAB=vPN，A、B两端电压的平均值VAB=ToffVPN/（Ton+Toff）=（1－α）VPN,可见当T1截止时由T2、D1构成了一个升压斩波电路，vAB＞0,iAB＜0，电机工作在正向制动状态，将电能回送给直流电源。
半桥电路与电机的电动和制动运行状态
由上述分析可知，在图所示的半桥电路中，若T2截止、T1通断转换时由T1、D2构成了降压斩波电路，电机工作在正向电动状态；
若T1截止、T2通断转换时由T2、D1构成了升压斩波电路，电机工作在正向制动状态。
在图中如果始终让T2导通、T1断开则类似地，当T4截止时，由T3、D4构成了降压斩波电路，电机工作在反向电动状态；
当T3截止时，由T4、D3构成了升压斩波电路，电机工作在反向制动状态。
电机可逆运行的实现
由以上对可逆H桥电路的分析可知，电机的正反转是通过两个半桥电路即两套升/降压斩波电路交替工作来实现的，（正转时由T1、T2组成的半桥电路工作，反转时由T3、T4组成的半桥电路工作）。
因此设计出一种半桥型可逆PWM调速电路，即用一套升/降压斩波电路通过一个转换开关的切换既可用于电机的正转也可用于电机的反转,它与H桥电路相比节省了两个开关器件，而且大大简化了电路，状态开关的连接如图所示，当A接COM,B接N时，电机正转（工作在Ⅰ、Ⅱ象限），当A接N，B接COM时，电机反转（工作在Ⅲ、Ⅳ象限）。
图转换开关连接图
第3章PWM控制电路
PWM（PulseWidthModulation）控制——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。
PWM控制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大部分是PWM型，PWM控制技术正是有赖于在逆 变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。
PWM基本原理
PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要 求的一种电压调整方法。
PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。
在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。
通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。
因此，PWM又被称为“开关驱动装置”。
如图所示，在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；
电机断电时，速度逐渐减少。
只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。
设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为式中
Vd—电机的平均速度
Vmax—电机全通电时的速度（最大）
D=t1/T—占空比
由公式
（2）可见，当我们改变占空比D=t1/T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。
严格地讲，平均速度Vd与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可以将其近似地看成线性关系。
图电枢电压“占空比”与平均电压关系图Vd=Vmax
D
PWM的理论基础
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。
冲量指窄脉冲的面积。
效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。
低频段非常接近，仅在高频段略有差异。
图 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲
面积等效原理：
分别将如图所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，如图所示。
其输出电流i（t）对不同窄脉冲时的响应波形如图所示。
从波形可以看出，在i（t）的上升段，i（t）的形状
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