直流PWMM可逆調速系統(tǒng)的設計與仿真

1、直流PWM-M可逆調速系統(tǒng)的設計與仿真 專 業(yè)：電氣工程及其自動化指導教師：劉雨楠小組成員：陳慧婷（20114073166） 石文強（20114073113）劉志鵬（20114073134）張華國（20114073151）信息技術學院電氣工程系2014年10月20日摘要當今，自動化控制系統(tǒng)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應用和發(fā)展，而直流調速控制作為電氣傳動的主流在現(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、直流電動機。長期以來，直流電動機因其具有調節(jié)轉速比較靈活、方法簡單、易于大范圍內平滑調速、控制性能好等特點，一直在傳動領域占有統(tǒng)治地位。微機技

2、術的快速發(fā)展，在控制領域得到廣泛應用。本文對基于微機控制的雙閉環(huán)可逆直流PWM調速系統(tǒng)進行了較深入的研究，從直流調速系統(tǒng)原理出發(fā)，逐步建立了雙閉環(huán)直流PWM調速系統(tǒng)的數(shù)學模型，用微機硬件和軟件發(fā)展的最新成果，探討一個將微機和電力拖動控制相結合的新的控制方法，研究工作在對控制對象全面回顧的基礎上，重點對控制部分展開研究，它包括對實現(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容。在硬件方面充分利用微機外設接口豐富，運算速度快的特點，采取軟件和硬件相結合的措施，實現(xiàn)對轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的控制。論文分析了系統(tǒng)工作原理和提高調速性能的方法，研究了IGBT模塊應用中驅動、吸收、保護控

3、制等關鍵技術.在微機控制方面，討論了數(shù)字觸發(fā)、數(shù)字測速、數(shù)字PWM調制器、雙極式H型PWM變換電路、轉速與電流控制器的原理,并給出了軟、硬件實現(xiàn)方案。關鍵詞：直流可逆調速 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 微機控制雙閉環(huán)可逆直流PWM調速系統(tǒng)原理設計4穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性4雙閉環(huán)脈寬調速系統(tǒng)的動態(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)調速系統(tǒng)仿真結果163.3 PWM雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的仿真結果18總結20參考文獻211 引言為什么我們要研究一種由計算機系統(tǒng)控制的PWM直

4、流控制系統(tǒng)？要回答這個問題，首先我們應該系統(tǒng)的論述一下電動機轉速控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀。電動機按電源供應方式來分，可以分為兩大類，即直流電動機和交流電動機。兩類電動機在調速方面存在著很大差異。直流電動機具有良好的起、制動性，適宜在大范圍內平滑調速，在許多需要調速或快速正反向的電力拖動領域得到了廣泛應用。即便如此，直流電動機也存在著固有的很多缺點，制約了其應用由于直流電動機使用直流電源，它的碳刷和滑環(huán)都要經(jīng)常更換，這樣的拆換工作是費時費力費財?shù)模瑹o疑會加重使用者的負擔。因此，人們希望簡單可靠低廉的交流電動機也能像直流電動機那樣調速。定子調速、變極調速、滑差調速和轉子串電阻調速和串極調速等調速方

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

6、應的電動機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗擾能力強5）功率開關器件工作在開關狀態(tài)，導通損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，因而裝置效率較高6）直流電源采用不可控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高變頻調速很快為廣大電動機用戶所接受，成為了一種最受歡迎的調速方法，在一些中小容量的動態(tài)高性能系統(tǒng)中更是已經(jīng)完全取代了其他調速方式。由此可見，變頻調速是非常值得自動化工作者去研究的。在變頻調速方式中，PWM調速方式尤為大家所重視，這是我們選取它作為研究對象的重要原因。而在眾多PWM變換器實現(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)、電動機四象限運行、無摩擦死區(qū)、低速平穩(wěn)性好等

7、優(yōu)點。因此，本次設計以H型PWM直流控制器為主要研究對象。要研究PWM調速方法，不能不提到微電子技術、電力電子技術和微機控制技術，沒有這些技術的支持，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。在電動機轉速控制領域，如果不能有效的引用這些技術，我們很難有所突破，發(fā)現(xiàn)問題，進而有所進步。微機控制技術的發(fā)展也就是計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程。它的發(fā)展大體可以分為三個階段：第一個階段是1965年后的實驗階段，自從1952年計算機被應用于生產(chǎn)過程中后，它應用于生產(chǎn)領域并創(chuàng)造巨大價值的潛力立刻為世人所注意，進而被大面積研究試用起來。1959年，美國得克薩斯州的一家煉油廠成功建成了世界上第一個

8、計算機控制系統(tǒng)，標志著這項技術的發(fā)展已經(jīng)開始。第二個階段是1965年到1972年間的實用階段。在這段時間里，計算機控制系統(tǒng)開始從單項工程試驗中邁向實用，并且得到了系統(tǒng)的完善。在這一時期，計算機集中控制得到認可。在高度集中控制時，若計算機出現(xiàn)故障，將對整個生產(chǎn)產(chǎn)生嚴重影響。為了應對這種負面影響，人們采取了多機并用的方案，促進了計算機控制系統(tǒng)的進一步發(fā)展。第三個階段是從1972年至今，在這個階段才真正出現(xiàn)了微機的概念，以它為核心，衍生出了很多計算機控制系統(tǒng)，如操作指導控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)、監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)以及分布式控制系統(tǒng)，而隨著微電子技術的發(fā)展，計算機控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)小物起大用的效果，既

9、不占空間，又可以同時處理很多生產(chǎn)問題，省時省力，計算機控制技術走向了成熟。而隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，計算機控制系統(tǒng)開始向網(wǎng)絡化變遷，相信會有更大的發(fā)展空間。電力電子技術作為電源技術產(chǎn)業(yè)的支柱性領域，也已經(jīng)經(jīng)過了漫長的發(fā)展歷程。這些技術如果都能被應用到PWM調速系統(tǒng)的控制當中，勢必會使得調速系統(tǒng)的性能有一個很大的提升。在調速技術走到這個類似瓶頸地步的今天，這種嘗試無疑是一種很有潛力的設想。至于系統(tǒng)應該如何構成，系統(tǒng)的實際應用效果會如何，這些都是很需要探討的問題，那么，這個研究就是很必要的了，也是我寫這篇論文闡述探討結果的理由。1.2 PWM控制的現(xiàn)狀和分類目前，高頻電壓領域的具體發(fā)展狀況基本情況是

10、這樣的。目前已經(jīng)提到并得到應用的PWM控制方案就不下于數(shù)十種，尤其是微處理器應用于PWM技術數(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)，轉矩脈動最少，再到消除噪音等，PWM控制技術的發(fā)展經(jīng)歷了一個不斷創(chuàng)新和不斷完善的過程。目前仍有新的方案不斷提出，這說明該項技術的研究方興未艾。不少方法已經(jīng)趨向于成熟，并有許多已經(jīng)在實際中得到應用。PWM控制技術一般可分為三大類，即正弦PWM、優(yōu)化PWM及隨機PWM，從實現(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）。隨著計算機畢業(yè)設計技術的不斷進步，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。交流電機調速性能的不斷提高在很大程度上是由于PWM技術的不斷進步。目前廣泛應用的是在規(guī)則采樣PWM的基礎上發(fā)展起來的準優(yōu)化PWM法，即三次諧波疊加法和電壓空間矢量PWM法，這兩種方法具有計算簡單、實時控制容易的特點。2微機控制雙閉環(huán)可逆直流PWM調速系統(tǒng)原理設計2.1穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性為了分析雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性，繪出了它的穩(wěn)態(tài)結構圖，如圖2-1所示。分析靜特性的關鍵是掌握這樣的PI調節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和：輸出達到限幅值；不飽和：輸出未達到限幅

12、值。當調節(jié)器飽和時，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使調節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調節(jié)器暫時隔斷了輸入和輸出間的關系，相當于使調節(jié)環(huán)開環(huán)。當調節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓U在穩(wěn)態(tài)時總是為零。圖2-1雙閉環(huán)調速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖實際上，在正常運行時，電流調節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于靜特性來說，只有轉速調節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。（一）速調節(jié)器不飽和這時，兩個調節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零。因此( 21)和( 22)由第一關系式可得：( 23)從而得到圖2-1靜特性的段。與此同時，由于ASR不飽和， ，從上述第二個關系式可知：。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，這就是靜特性的運行段。（二）轉速調節(jié)器飽和這時，ASR輸出達到限幅值，轉速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時( 24)式中，最大電流是設計者選定的，取決于電機的容許過載能力和拖動系統(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。因為如果 ，則，ASR將退出飽和狀態(tài)圖2-2雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于時表現(xiàn)為轉速無靜差，這時，轉負反饋起主要調節(jié)作用。當負載電流達后，轉速調節(jié)器飽和，電流

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

15、雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要首先探討它的起動過程。雙閉環(huán)調速系突加給定電壓由靜止狀態(tài)起動時，轉速和電流的過渡過程如圖2-4所示。由于在起動過程中轉速調節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段，整個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)脈寬調速系統(tǒng)起動時轉速和電流波形第I階段0是電流上升的階段。突加給定電壓后，通過兩個調節(jié)器的控制作用，使、上升，當后，電動機開始轉動。由于電慣性的作用，轉速的增長不會很快，因而轉速調節(jié)器ASR的輸入偏差電壓數(shù)值較大，其輸出很快達到限幅值，強迫電流迅速上升。當時，電流調節(jié)器的作用使不在迅速增長，標志著這一階段的結束。在這一階段中，AS

16、R由不飽和很快達到飽和，而ACR一般應該不飽和以保證電流環(huán)的調節(jié)作用。第II階段是恒流升速階段。從電流升到開始，到轉速升到給定值（即靜特性上的）為止，屬于恒流升速階段，是起動過程的主要階段。在這個階段中，ASR一直是飽和的，轉速環(huán)相當于是開環(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，取決于電流調節(jié)環(huán)的結構和參數(shù)），因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉速呈線性增長（圖2-4）。與此同時，電動機的反電動勢E也按線性增長。對電流調節(jié)系統(tǒng)來說，這個反電動勢是一個線性漸增的擾動量，為了克服這個擾動，和也必須基本上按線性增長，才能保持恒定。由于電流調節(jié)器ACR是P

17、I調節(jié)器，要使它的輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說，應略低于。此外還應指出，為了保證電流環(huán)的這種調節(jié)作用，在起動過程中電流調節(jié)器是不飽和的。第III階段以后是轉速調節(jié)階段。在這階段開始時，轉速已經(jīng)達到給定值，轉速調節(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，所以電機仍在最大電流下加速，必然會使轉速超調。轉速超調以后，ASR輸入端出現(xiàn)負的偏差電壓，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，由于仍大于負載電流，在一段時間內，轉速任繼續(xù)上升。到時，轉矩,則，轉速n到達峰值時）。此后。電動機

18、才開始在負載的阻力下減速，與此相應，電流也出現(xiàn)一段小于的過程，直到穩(wěn)定。在這最后的轉速調節(jié)階段內，ASR與ACR都不飽和，同時起調節(jié)作用。由于轉速調節(jié)在外環(huán)，ASR處于主導地位，而ACR的作用則是力圖使盡快地跟隨ASR的輸出量，或者說，電流內環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng).動態(tài)性能和兩個調節(jié)器的作用：（一）動態(tài)跟隨性能如上所述，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)在起動和升速過程中，能夠在電流受電機過載能力約束的條件下，表現(xiàn)出很快的動態(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。對于電流內環(huán)來說，在設計調節(jié)器時應該強調有良好的跟隨性能。（二）動態(tài)抗擾性能1抗負載擾動由圖2-8動態(tài)結構圖中可以看出，負載擾

19、動作用在電流環(huán)之后，只能靠轉速調節(jié)器來產(chǎn)生抗擾作用。因此，在突加（減）負載時，必然會引起動態(tài)速降（升）。為了減少動態(tài)速降（升），必須在設計ASR時，要求系統(tǒng)具有較好的抗擾性能指標。對于ACR的設計來說，只要電流環(huán)具有良好的跟隨性能就可以了。在系統(tǒng)動態(tài)結構圖中作用的位置不同，系統(tǒng)對它的動態(tài)抗擾效果也不一樣。例如圖2-8 a的單閉環(huán)調速系統(tǒng)，電網(wǎng)電壓擾動和負載電流擾動都作用在被負反饋包圍的前向通道上，僅靜特性而言，系統(tǒng)對它們的抗擾效果是一樣的。但是從動態(tài)性能上看，由于擾動作用的位置不同，還存在著及時調節(jié)上的差別。負載擾動作用在被調量n的前面。它的變化經(jīng)積分后就可被轉速檢測出來，從而在調節(jié)器ASR上

20、得到反映。電網(wǎng)電壓擾動的作用點離被調量更遠，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)過機電慣性的滯后才能反映到轉速上來，等到轉速反饋產(chǎn)生調節(jié)作用，已經(jīng)嫌晚。在雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中，由于增設了電流內環(huán)（圖2-5 b），這個問題便大有好轉。由于電網(wǎng)電壓擾動被包圍在電流環(huán)之內，當電壓波動時，可以通過電流反饋得到及時的調節(jié)，不必等到影響到轉速后，才在系統(tǒng)中起作用。因此，在雙閉環(huán)調速系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的動態(tài)速降會比單閉環(huán)系統(tǒng)中小得多。圖2-5脈寬調速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾性能a)單閉環(huán)脈寬調速系統(tǒng)b)雙閉環(huán)脈寬調速系統(tǒng)2.4可逆PWM變換器工作原理可逆變換器主電路的結構形式有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個電力晶體管和4個續(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。本設計選用雙極式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IGBT選用德國西門康公司生產(chǎn)型號為SKM 50GB123D，二極管選用MOTOROLA公司生產(chǎn)的超快恢復功率二極管，型號為MUR200 40CT,反向恢復時間小于50ns.基極驅動電壓分為兩組。和同時導通和關斷，其驅動電壓和；和同時動作，其驅動電壓= =。它們的波形如圖311所示。在一個開關周期內，當0t 時，和為正，晶體管和飽和導通；而和為負，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，和變負，和截止；、變正，但、并不能立即導通，因為在電樞電感釋放儲能的作用下，di沿回路2經(jīng)、續(xù)流，、上的壓降使、極承受反壓，這時，=。在一個周期內正負相間，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、負變化，使電流波形存在兩種情況，如圖2-6中的和。相當于電動機負載較重的情況，這是平均負載電流大，在連續(xù)階段電流仍維持正方向，電機始終工作在第一象限的電動狀態(tài)。相當于負載很輕的情況，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，在負的電源電壓（-）和電樞反電動勢的合成作用下導通，電樞電流反向，沿回路3流通，電

23、機處于制動狀態(tài)。與此相仿，在0t 期間，當負載輕時，電流也有一次倒向。雙極式PWM變換器的可逆要視正、負脈沖電壓的寬窄而定。當正脈沖較寬時，則電樞兩端的平均電壓為正，在電動運行時電動機正轉。當正脈沖較窄時，平均電壓為負，電動機反轉。如果正、負脈沖寬度相等，平均電壓為零，則電動機停止。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。當為正值時，電動機正轉；為負值時，電動機反轉。這個交變電流平均值為零，不產(chǎn)生平均轉矩，陡然增大電機的損耗。但它的好處是使電機帶有高頻的微振，起著所

24、謂“動力潤滑”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)點如下：（1）電流一定是連續(xù)的；（2）可使電動機在四象限運行；（3）電機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；（4）低速時，每個晶體管的驅動脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導通；（5）低速平穩(wěn)性好，調速范圍可達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、延時電路和驅動電路組成。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直流電壓（電流調節(jié)器輸出的）進行比較，則電壓比較器輸出的是一系列方波信號。如果改變的大小, 那么方波脈沖寬度將會改變, 從而達到脈寬調制的目的。其基本電路結構和調制

25、原理如圖3-3。脈寬調制信號的質量，對于PWM調速系統(tǒng)是十分重要的。然而它的質量主要取決于三角波信號的質量。如果三角波的線性度不好，那么PWM的輸出將得不到對稱的波形。這對調速系統(tǒng)來說，將大大地降低系統(tǒng)的性能，出現(xiàn)正反轉不平衡。圖2-8PWM基本電路結構和調制原理脈寬調速系統(tǒng)的開環(huán)機械特性：在穩(wěn)態(tài)情況下，脈寬調速系統(tǒng)中電動機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，電樞電流和轉速還是脈動的。所謂穩(wěn)態(tài)，只是指電機的平均電磁轉矩與負載轉矩相平衡的狀態(tài)，電樞電流實際上是周期變化的，只能是算作“準穩(wěn)態(tài)”。脈寬調速系統(tǒng)在準穩(wěn)態(tài)下的機械特性是平均轉速與平均轉矩（電流）的關系。在雙極式可逆PW

26、M電路中，具有反向電流通路，在同一轉向下電流可正可負，無論是重載還是輕載，電流波形都是連續(xù)的，這就使機械特性的關系式簡單得多，對于雙極式可逆電路，其電壓方程為：( 27)( 28)如上兩式所示，一個周期內電樞兩端的平均電壓都是，平均電流用表示，平均電磁轉矩為，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)則機械特性方程式為( 210)或用轉矩表示( 211)其中理想空載轉速，與占空比成正比。圖34繪出了第一、第二象限的機械特性，它適用于帶制動作用的不可逆電路?？赡骐娐返臋C械特性與此相仿，只是擴展到第三、第四象限而已。圖29脈寬調速系統(tǒng)的機械特性脈寬調制器和PWM變換器的

27、傳遞函數(shù)：根據(jù)其工作原理，當控制電壓CU改變時，PWM變換器的輸出電壓要到下一個周期方能改變。因此，脈寬調制器和PWM變換器合起來可以看成一個滯后環(huán)節(jié)，它的延時最大不超過一個開關周期T。則，當整個系統(tǒng)開環(huán)頻率特性截至頻率滿足下式時( 212)可將滯后環(huán)節(jié)近似看成一階慣性環(huán)節(jié)。因此，脈寬調制器和PWM變換器的傳遞函數(shù)可近似看成( 213)式中為寬調制器和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)將設計的開環(huán)調速系統(tǒng)的參數(shù)輸入各個模塊，運行調試

28、功能，如果無誤后就可以運行系統(tǒng)。(3)運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)調速系統(tǒng)仿真模型如圖3-2所示圖3-2PWM開環(huán)調速系統(tǒng)仿真模型3H橋PWM雙閉環(huán)調速系統(tǒng)仿真模型如圖3-3所示圖3-3雙閉環(huán)調速系統(tǒng)仿真模型3.2 PWM開環(huán)調速系統(tǒng)仿真結果在如圖3-4所示的轉速給定條件下，可以得到H橋PWM開環(huán)調速系統(tǒng)的電樞電流，電樞電壓，電磁轉矩，輸出轉速的仿真圖。圖3-4轉速給定圖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，轉速給定=8，電樞電流=20，隨著轉速的上升，電樞電流開始下降，當T=1時，系統(tǒng)穩(wěn)定，

29、電樞電流=6也保持一穩(wěn)定值。當T=2時，轉速給定=-8，電樞電流也反向達到最大，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)電磁轉矩仿真圖如圖3-6所以：因為電磁轉矩和電樞電流有關，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)輸出轉速仿真圖如圖3-7所示：T=0時，在轉速給定=8的條件下，轉速N=0開始加速上升。當T=1時，電樞電流達到穩(wěn)定，轉速加速度也等于零，轉速也達到最大N=1750,系統(tǒng)穩(wěn)定。當T=2時，隨著轉速給定=-8反向，轉速開始加速下降，并在很短的時間里下降到零。緊接著轉速開始反向加速，然后和正向起動是一樣的過程。3.3 PWM雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的仿真結果同樣在如圖

30、5-1所示的轉速給定下。我們可以用H橋PWM雙閉環(huán)調速系統(tǒng)仿真模型得到閉環(huán)系統(tǒng)的電樞電流，電樞電壓，電磁轉矩，和輸出轉速的仿真圖。圖3-8雙閉環(huán)系統(tǒng)電樞電流仿真圖如圖3-8所示：因為雙閉環(huán)系統(tǒng)有電流負反饋，所以電樞電流理論上基本保持一樣。只是在不同的轉速給定下大小和方向不同。比如在轉速給定是正值時，它也是正值。反之它就是負值。圖3-9雙閉環(huán)系統(tǒng)PWM輸出波形圖3-10閉環(huán)系統(tǒng)輸出轉速仿真圖總結本文對電流、轉速雙閉環(huán)直流可逆PWM調速系統(tǒng)進行了較深入的研究，從直流調速系統(tǒng)原理出發(fā)，逐步建立了雙閉環(huán)直流可逆PWM調速系統(tǒng)的數(shù)學模型并對電流控制器與轉速控制器的設計進行了探討，然后在微機實現(xiàn)上討論了數(shù)

31、字觸發(fā)、數(shù)字測速、轉速與電流控制器的原理并給出了軟件、硬件實現(xiàn)方案?，F(xiàn)代電機控制的發(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指標及其苛刻特殊應用系統(tǒng)要求。隨著微電子技術、電力電子技術和計算機技術地飛速發(fā)展，以及控制理論地完善、仿真工具地日漸成熟，給電機控制行業(yè)帶來了很多機遇和反展契機。使用高性能的微機解決電機控制器不斷增加的計算量和速度要求，使其功能強大、維修方便、適用范圍廣又非常經(jīng)濟。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階段。它將是一個有益而大膽的探索，為以后的研究工作開了一個好頭，相信將來會有很

32、多成果出現(xiàn)。限于篇幅，本文未涉及以下幾個方面的內容：1電動機負載較輕時電流斷續(xù)時可采用自適應調節(jié)器。2自動控制理論中的復雜推導。3額定轉速以上的弱磁調速系統(tǒng)。4典型系統(tǒng)的介紹。5系統(tǒng)參數(shù)、電流調節(jié)器和速度調節(jié)器的定量計算。通過對你課題的研究我有以下幾個方面的收獲：1學習與掌握了微機的基本原理及其各種應用，對它的各種硬件接口與軟件方法有了較深入的認識和了解。2對開關電源的工作原理和設計方法有了較深入的了解。3對自動控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能及其控制有一定的認識。5掌握了不少軟件的應用如PROTEL、SPICE、MATLAB、VISIO、匯編語言等。參考文獻1李仁定.電機的微機控制.北京：機械工業(yè)出版

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