1、. . . . 1 / 26PWM 脈寬調制直流調速系統設計與 MATLAB 仿真驗證摘摘 要要以電力電子學和電機調速技術為基礎，本文設計了一種基于直流脈寬調速控制技術的直流電機調速系統。為了得到較好的動靜態性能，該控制系統采用了雙閉環控制，同時速度調節器和電流調節器都選用PI調節器。本調速系統采用半橋型電路作為主電路,它相當于降壓斬波電路和升壓斬波電路的串聯組合,選用全控型器件 IGBT 作開關器件。控制電路以集成 PWM 控制器 SG3525 為核心,3525 輸出的脈寬調制信號經 LM1413 放大后作為 IGBT 的驅動信號。實驗證明本調試系統直流電壓大小調節和電機可逆運行的實現非常方

2、便，并具有較硬的靜特性和機械特性。 關鍵詞關鍵詞: : 升/降壓斬波電路；SG3525；直流脈寬調速AbstractAbstractOnthebasisofPowerElectronicandelectricmotor speed adjusting technology, thecalibrator designs a speed adjusting system inwhich Pulse Width Modulation(PWM) controlling technology is used to control D.C. motor. Dual closed loop controll

3、ing technicis alse adopted so that the sysetem hassatisfactory steady-state and dynamic characters. The system uses single chipmicrocomputeras an auxiliaryunit.InsulatedGateBipolarTransistor(IGBT)isselectedaspowersemiconductoron-off element in the systemThethesisexplainstheprincipleofPWM controlling

4、.ThespecialintegratedPWMcontroller-SG3525whichcanhelpusrealizePWM controleasilyiselaborated,thischips internal structure and its peripheral circuit are analyzed, and its applyingexample in this system is given.KeyKey words:words: Boost/Buck chopper；SG3525；DC Pulse Width speed control. . . . 2 / 26目錄

5、目錄摘要摘要ABSTRACTABSTRACT引言.第一章系統概述1.1 設計要求 1.2 直流拖動系統1.3 調速系統的性能指標1.4 課題來源1.5 文獻綜述第第 2 2 章章 PWMPWM 直流調速系統總體介紹與主電路原理直流調速系統總體介紹與主電路原理2.1 雙極式 PWM 調速原理2.2 雙極式 PWM 調速系統的優缺點2.3 轉速、電流雙閉環系統原理2.4 雙閉環調速系統的作用第第 3 3 章章脈寬調速系統的控制電路第 4 章系統參數的確定4.1 整流電路失控時間與濾波時間的確定4.2 反饋系數的確定4.3 電流調節器參數的確定4.4 轉速調節器參數的確定第第 5 5 章章 MATL

6、ABMATLAB 仿真與驗證仿真與驗證致致參考文獻參考文獻. . . . 3 / 26 引言引言在現代科學技術革命過程中，電氣自動化在 20 世紀的后四十年曾進行了兩次重大的技術更新。一次是元器件的更新，即以大功率半導體器件晶閘管取代傳統的變流機組，以線形組件運算放大器取代電磁放大器件。后一次技術更新主要是把現代控制理論和計算機技術用于電氣工程，控制器由模擬式進入了數字式。在前一次技術更新中，電氣系統的動態設計仍采用經典控制理論的方法。而后一次技術更新是設計思想和理論概念上的一個飛躍和質變，電氣系統的結構和性能亦隨之改觀。在整個電氣自動化系統中，電力拖動與調速系統是其中的核心部分。現代的電力拖

7、動控制系統都是由慣性很小的晶閘管、電力晶體管或其他電力電子器件以與集成電路調節器等組成的。經過合理的簡化處理，整個系統一般都可以用低階近似。而以運算放大器為核心的有源校正網絡（調節器），和由 R、C 等元件構成的無源校正網絡相比,又可以實現更為精確的比例、微分、積分控制規律,于是就有可能將各種各樣的控制系統簡化和近似成少數典型的低階系統結構。如果事先對這些典型系統作比較深入的研究,把它們的開環對數頻率特性當作預期的特性,弄清楚它們的參數和系統性能指標的關系,寫成簡單的公式或制成簡明的圖表,則在設計實際系統時,只要能把它校正或簡化成典型系統的形式,就可以利用現成的公式和圖表來進行參數計算,這樣,

8、就建立了工程設計方法的可能性。第一章系統概述1.1.1 設計目的1. 掌握轉速，電流雙閉環控制的雙極式 PWM 直流調速原理。2. 掌握并熟練運用 MATLAB 對系統進行仿真。1.1.2 設計題目轉速，電流雙閉環控制的 H 型雙極式 PWM 直流調速系統，已知：. . . . 4 / 26直流電動機：允許過載倍數=2；48 ,3.7 ,200 / min,nomnomnomUV IA nr時間常數：=0.015s，=0.2s；PWM 環節的放大倍數：=4.8,；電樞回路LTmTSK總電阻：R=1；電樞電阻 Ra=0.5。調節器輸入輸出電壓=10V.*nmimUU采用 MATLAB 對雙閉環系

9、統進行仿真，繪制直流調速系統（Id=const）穩定運行時轉速環突然斷線（1、有 ACR 限幅值；2、無 ACR 限幅值）仿真框圖，仿真得出啟動轉速，起動電流，直流電壓 Ud，ASR,ACR 輸出電壓的波形。并對結果進行分析。1.1.3 設計容1 簡述設計題目與對題目的分析；2 簡述雙極式 PWM 直流調速系統原理；3 簡述電流環，轉速環的控制原理；4 對電流環、轉速環的參數進行計算選取； 5 根據電流環、轉速換的參數進行 MATLAB 仿真；1.21.2 直流拖動系統直流拖動系統直流電動機轉速和其他參量之間的穩態關系可表示為式中 n轉速（r/min）；U電樞電壓 （V）；I電樞電流 （A）；

10、R電樞回路總電阻（）；勵磁磁通（wb）；Ke由電機結構決定的電動勢常數。由上式可以看出，調節電動機的轉速有三種方法： 1）調節電樞供電電壓 U:即保持 R 和 不變，通過調節 U 來調節 n，是一種大圍無級調速方式。2）減弱勵磁磁通:即保持 和 U 不變，通過減少 來升高 n，是一種小圍無級調速方式。3）改變電樞回路電阻 R:即保持 U 和 不變，通過調節 R 來調節 n，是一種大圍有級調速方式。對于要求在一定圍無級平滑調速的系統來說，以調節電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能實現有級調速；減弱磁通雖然能夠平滑調速，但調速圍不大。1.31.3 調速系統的性能指標調速系統的性能指標1.穩態性能

11、指標 1)調速圍 . . . . 5 / 26生產機械要求電動機提供的最高轉速和最低轉速之比叫調速圍，用字母 D 表示 ，即其中和 一般都指電動機額定負載時的轉速，對于少數負載很輕的機械，例如精密磨床，也可用實際負載時的轉速。在直流電機調壓調速系統中，常以電動機的額定轉速為最高轉速 。 2)靜差率 當系統在某一轉速下運行時負載由理想空載增加到額定值所對應的轉速降落n，與理想空載轉速 n 之比，稱作靜差率，即顯然，靜差率是用來衡量調速系統在負載變化下的穩定度的。它和機械特性的硬度有關，特性越硬，靜差率越小，轉速的穩定度就越高。然而，靜差率和機械特性硬度又是有區別的。靜差率不僅與轉速降落有關，還與

12、理想空載轉速的大小有關 。2.動態性能指標 調速系統的動態性能指標包括跟隨性能指標和抗擾性能指標兩類。 1) 跟隨性能指標 在給定信號(或稱參考輸人信號)R (t)的作用下，系統輸出量 C(t)的變化可用跟隨性能指標來描述通常使用階躍響應性能指標，即以輸出量的初始值為零，給定信號階躍變化下的過渡過程為典型的跟隨過程。一般希望在階躍響應中輸出量 C(t)與其穩態值 的偏差越小越好，達到 C 的時間越快越好。具體的指標有下列幾項:(1)上升時間 在典型的階躍響應跟隨過程中，輸出量從零起第一次上升到穩態值 C 所經過的時間稱為上升時間。它表示動態響應的快速性。 (2)超調量 在典型的階躍響應跟隨過程

13、中，輸出量超出穩態值的最大偏離量與穩態值之比，用百分數表示，叫做超調量 :超調量反映系統的相對穩定性。超調量越小，則相對穩定性越好，即動態響應比較平穩。(3)調節時間 t, 調節時間又稱過渡過程時間，它衡量系統整個調節過程的快慢。定義為從加輸人量的時刻起，到輸出量進人其穩態值的誤差帶(一般取 5%或 2%)，響應曲線達到且不再超出該誤差帶所需的最短時間。2) 抗擾性能指標 . . . . 6 / 26穩定的調速系統在運行中，如果受到擾動，經歷一段動態過程后，能達到新的穩態，除了穩態誤差以外，在動態過程中輸出量變化有多少?在多長的時間能恢復穩定運行?這些問題標志著調速系統的抗擾能力。一般以系統穩

14、定運行中突加一個使輸出量降低的負擾動 N 以后的過渡過程作為典型的抗擾過程。1.41.4 課題來源課題來源目前，直流調速技術的研究和應用已達到比較成熟的地步，尤其是隨著全數字直流調速的出現，更提高了直流調速系統的精度與可靠性。目前國各大專院校，科研單位和廠家也都在開發直流調速裝置，但大多數調速技術都是結合工業生產中，而在民用中應用相對較少，所以應用已有的成熟技術開發性能價格比高，具有自主知識產權的直流調速單元，將有廣闊的應用前景。直流斬波電路原理實驗和直流電機的 PWM 調速實驗都是電力電子技術課程要求必須開設的實驗。本課題是應生產教儀的廠家的需要,研制開發出一套控制平滑、穩定、經濟、實用、簡

15、便、可靠性高、操作方便的直流調速控制掛箱以供大中專院校實驗教學之用,利用該掛箱設備可以進行的實驗項目有: 降壓斬波電路實驗升壓斬波電路實驗可逆直流 PWM 調速實驗，實現了斬波實驗電路與可逆 PWM 調速實驗電路的兼容。1.51.5 文獻綜述文獻綜述直流電動機因其可以方便地通過改變電樞電壓和勵磁電流實現寬圍的調速而得到廣泛的應用調節電樞串聯電阻來改變電樞上的電壓，是最經典的直流電機調速方法，有相當部分的電能消耗在所串聯電阻上，很不經濟。80 年代，以晶閘管為功率開關器件的斬波調速器以其無級、高效、節能而得到大力推廣但晶閘管斬波調速器不足之處是晶閘管一旦被觸發，其關斷必須依賴換流電容和換流電感振

16、蕩產生反壓來實現換流電容和電感增加了裝置的成本，也增加了換流損耗；電源電壓下降還會導致換流失敗，使系統的可靠性降低；此外，由于晶閘管的開、關時間比較長，加上存在換流環節，使得斬波器的工作頻率不能太高(一般在 300Hz 以下)，電機上的力矩脈動和電流脈動比較嚴重。因此直流斬波調速呼喚快速自關斷器件。于是 90 年代出現了以 IGBT 為代表，具有自關斷能力并可在高速下工作的功率器件作為開關元件的 PWM 直流調速系統成為更為先進的直流調速方案2。隨著電力電子技術的發展和新型電力電子器件的不斷涌現，直流 PWM 驅動技術近年來發展更加迅速，由其構成的調速系統也已成為現代調速系統的佼佼者，受到越來

17、越多電氣控制技術人員的重視。傳統的 PWM 直流傳動系統常采用的主功率元件一般為功率晶體管(GTR)，隨著驅動對象的日益復雜和系統性能與可靠性的逐步提高，采用場控器件- - 絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的逐漸增多，這里就是采用 IGBT 作為主電路的控制元件。. . . . 7 / 26第 2 章 PWM 直流調速系統總體介紹與主電路原理2.1 雙極式 PWM 調速原理可逆 PWM 變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱 H 形）電路，如圖 2-1 所示，電動機 M 兩端電壓的極性隨全控型電力電子器件的開關狀ABU態而改變。雙極式控制可逆 PWM 變換器的四個驅動電壓的關系是：。在一個

18、開關周期，當 0t時，電樞電1423ggggUUUU ontABSUU流 id 沿回路 1 流通；當t0UC0 時時UCUC 的作用和的作用和UpUp 相減，經運算放大器倒相后，輸出相減，經運算放大器倒相后，輸出脈沖電壓脈沖電壓 UpwUpw 的正半波變窄，負半波變寬，如圖的正半波變窄，負半波變寬，如圖 3-23-2（b b）所示。）所示。 當當 UC0UC0 時，時，UCUC 的作用和的作用和UpUp 相加，則情況相反，輸出脈沖電壓相加，則情況相反，輸出脈沖電壓UpwUpw 的正半波增寬，負半波變窄，如圖的正半波增寬，負半波變窄，如圖 3-23-2（c c）所示。）所示。 這樣，通過改變控制

19、電壓這樣，通過改變控制電壓 UCUC 的極性，也就改變了雙極式的極性，也就改變了雙極式 PWMPWM 變換變換器輸出平均電壓的極性，因而可改變電動機的轉向。通過改變控制電壓器輸出平均電壓的極性，因而可改變電動機的轉向。通過改變控制電壓 UCUC 的大小，則就能改變輸出脈沖電壓的寬度，從而改變電動機的轉速。的大小，則就能改變輸出脈沖電壓的寬度，從而改變電動機的轉速。3-1max12PsaUU . . . . 15 / 263-2第四章系統參數的確定4.1 整流電路失控時間與濾波時間的確定4.1.1 整流電路平均失控時間常數ST失控時間是隨機的，它的大小隨電源電壓發生變化的時刻而變化，最大可能失控

20、時間是兩個相鄰自然換相點之間的時間，與交流電源和整流電路形式有關，由下式確定：max1STmf式中 f-交流電源頻率；m-一周整流電壓脈沖數。相對于整個系統的響應時間來說，一般情況下取統計平均值，認為是常數。對于雙極式 PWM 直流調速系統，其晶閘管的開關頻率一般在 10K 赫茲以上，在此取10.001STsf4.1.2 電流濾波時間常數和轉速濾波時間常數雙極式 PWM 電路每個波頭的時間為0.001Ts為了基本濾平波頭，應該選擇，(1 2)oiTT0.001oiTs根據所用測速發電機的紋波情況，取. . . . 16 / 260.01onTs4.2 反饋系數的確定轉速反饋系數*max100.

21、05/200nmUVAn電流反饋系數*101.35min/2*3.7imdmUrI4.3 電流調節器參數的確定4.3.1 電流環小時間常數的計算按小時間常數近似處理，取iT0.002ioisTTTs4.3.2 電流調節器結構選擇根據設計要求，并保證穩態電流無靜差，可以按典型 I 型系統設計5%i電流調節器。電流環控制對象是雙慣性的，因此可以用 PI 調節器，其傳遞函數如下：(1)( )iiACRiKsWss檢查對電源電壓的抗擾性能：各項指標可以接受0.0157.50.002liTT4.3.3 計算電流調節器的參數電流調節器超前時間常數：0.015ilTs電源開環增益：取=0.5 ，因此IiK

22、T10.50.52500.002IiKsT于是，ACR 的比例系數為250 0.015 10.5794.8 1.35IiiSKRKK4.3.4 校驗近似條件. . . . 17 / 26電流環截止頻率：1250ciIKs1. 校驗晶閘管整流裝置傳遞函數近似條件滿足近似條件1111333.333 0.001ciSssT2. 校驗忽略反電動勢變化對電流環動態影響的條件滿足近似條件1113354.80.2 0.015cimlsT T 3. 校驗電流環小時間常數近似處理條件滿足近似條件11111333.3330.001 0.001cisoisTT4.3.5 計算調節器電阻和電容電流調節器原理圖如圖 3

23、-1 所示，按所用運算放大器取，各電阻040Rk和電容值計算如下：取 2300.579 4023.16iiRK Rkk k取 0.65uF630.0150.652 100.65223 10iiiCFFuFR取 0.1uF63044 0.0010.1 100.140 10oioiTCFFuFR按照上述參數，電流環可達到的動態跟隨性能指標為：=4.3%5% 滿足設計要求i. . . . 18 / 26圖 3-1 含給定濾波和反饋濾波的 PI 型電流調節器4.4 轉速調節器參數的確定4.4.1 確定時間常數電流環等效時間常數，按小時間常數近似處122 0.0020.004iITssK理，轉速環小時間

24、常數10.0040.010.014nonITTssK4.4.2 轉速調節器結構選擇為了實現轉速無靜差，在負載擾動作用點前必須有一個積分環節，它應該包含在轉速調節器 ASR 中。選擇擾動作用點后面已經有了一個積分環節，因此轉速開環調節器應共有兩個積分環節，所以應該設計成典 II 型系統，這樣的系統同時也能滿足動態性能好的要求。由此可見，ASR 也應該采用 PI 調節器，其傳遞函數為：(1)( )nnASRnKsss電動機的電動勢系數為483.7 0.50.23200NNaeNUI RCn4.4.3 計算轉速節器的參數. . . . 19 / 26按跟隨和抗擾性能都比較好的原則，取 h=5，則 A

25、SR 的超前時間常數為：5 0.0140.07nnhTss 轉速開環增益為：22221661222 25 0.014NnhKsh TASR 的比例系數為16 1.35 0.23 0.244.3622 6 0.05 1 0.014emnnhC TKh RT 4.4.4 檢驗近似條件轉速環截止頻率111612 0.0742.84NcnNnKKss1. 電流環傳遞函數簡化條件滿足簡化條件11250117.8330.002IcniKT2.轉速環小時間常數近似處理條件滿足近似條件1125052.7330.01IcnonKT4.4.5 計算調節器電阻和電容轉速調節器的原理圖如圖 3-2 所示，取，則040

26、Rk取 1774044.36 401774nnRK Rkk k取 0.1630.070.039 100.0391774 10nnnCFFuFRuF取 163044 0.011 10140 10ononTCFFuFR uF4.4.6 核定轉速超調量maxmax*2bnnnbbmCnCn TzCnCnT當 h=5 時，=81.2%，代入上式得maxbCC3.7 116.10.23dneIRnC滿足設計要求1.83%20%n. . . . 20 / 26圖 3-2 含給定濾波和反饋濾波的 PI 型轉速調節器第五章 MATLAB 仿真設計5.1 雙閉環調速系統仿真框圖雙閉環直流調速系統仿真框圖如圖 4

27、-1 所示：. . . . 21 / 26圖 4-1 雙閉環調速系統仿真框圖其中，限幅值的計算為：0.23 2003.7 2 111.14.8dmedcmSSUC nI RUVKK 5.2 仿真結果5.2.1 有 ACR 限幅值1.啟動電流，啟動轉速如圖 5-2圖 4-2 啟動電流，啟動轉速圖2. ASR、ACR 輸出電壓波形如圖 5-3. . . . 22 / 265 圖 5-3 ASR、ACR 輸出電壓波形3.直流電壓 Ud 波形如圖 5-4圖 5-4 直流電壓 Ud 波形. . . . 23 / 265.2.2 無 ACR 限幅值1.啟動電流，啟動轉速如圖 5-5圖 5-5 啟動電流，啟

28、動轉速2. ASR、ACR 輸出電壓波形如圖 5-6圖 5-6 ASR、ACR 輸出電壓波形3.直流電壓 Ud 波形如圖 5-7. . . . 24 / 26圖 5-7 直流電壓 Ud 波形5.3 結果分析由于系統在 2 秒前就穩定了，設置參數時，在兩秒時加入負載，因此兩秒前為空載啟動，由此可以觀測到空載啟動啟動到額定轉速時的轉速超調量；在 4 秒時設置轉速環斷線，由此可以觀測到斷線前與斷線后的輸出波形對比。對比ACR 有限幅與無限幅的波形后，可以得到 ACR 無限幅時，各項輸出幅值都有所提高，與實際相符合，運行結果正確。. . . . 25 / 26小結本次課程設計歷時 1.5 周，在整個設計過程中，我不僅鞏固了以前所學到的知識，更學到了許多課外的知識。通過這次的課程設計，我也發現了很多平時學習中的不足，可謂是收獲頗多。首先要感我的指導老師瑾老師。在她的悉心指導下，我才得以順利的完成本次畢業設計。她從最初就為我們制定了周密科學的工作任務安排，每次都很認真的查看我們的工作日志完成情況，對于我們的提問也總給予耐心的解答。我還要感同組的同學，跟他們一起討論相關的課