PWM脉宽调制直流调速系统设计及MATLAB仿真验证.doc

PWM脉宽调制直流调速系统设计及MATLAB仿真验证

———————————————————————————————— 作者：
———————————————————————————————— 日期：

28

个人收集整理 勿做商业用途
PWM脉宽调制直流调速系统设计及MATLAB仿真验证
摘 要

以电力电子学和电机调速技术为基础，本文设计了一种基于直流脉宽调速控制技术的直流电机调速系统。为了得到较好的动静态性能，该控制系统采用了双闭环控制，同时速度调节器和电流调节器都选用PI调节器。
本调速系统采用半桥型电路作为主电路，它相当于降压斩波电路和升压斩波电路的串联组合，选用全控型器件IGBT作开关器件。控制电路以集成PWM控制器SG3525为核心,3525输出的脉宽调制信号经LM1413放大后作为IGBT的驱动信号.实验证明本调试系统直流电压大小调节和电机可逆运行的实现非常方便，并具有较硬的静特性和机械特性。

关键词： 升/降压斩波电路；SG3525；直流脉宽调速

Abstract
On the basis of Power Electronic and electric motor speed adjusting technology, the calibrator designs a speed adjusting system in which Pulse Width Modulation (PWM） controlling technology is used to control D.C。 motor。 Dual closed loop controlling technic is alse adopted so that the sysetem has satisfactory steady-state and dynamic characters. The system uses single chip micro computer as an auxiliary unit.
Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT） is selected as power semiconductor on-off element in the system The thesis explains the principle of PWM controlling。 The special integrated PWM controller-SG3525 which can help us realize PWM control easily is elaborated ， this chip’s internal structure and its peripheral circuit are analyzed, and its applying example in this system is given。

Key words： Boost/Buck chopper；SG3525；DC Pulse Width speed control

目录
摘要
ABSTRACT
引言...。
第一章系统概述………………………………………………………………………
1。1设计要求
1。2 直流拖动系统
1.3调速系统的性能指标
1.4课题来源
1.5文献综述
第2章 PWM直流调速系统总体介绍与主电路原理
2.1双极式PWM调速原理
2.2双极式PWM调速系统的优缺点
2.3转速、电流双闭环系统原理
2.4双闭环调速系统的作用
第3章脉宽调速系统的控制电路
第4章系统参数的确定…………………………………………………………………
4。1整流电路失控时间及滤波时间的确定
4。2反馈系数的确定
4。3电流调节器参数的确定
4。4转速调节器参数的确定

第5章MATLAB仿真及验证…………………………………………………
致谢
参考文献

引言

在现代科学技术革命过程中，电气自动化在20世纪的后四十年曾进行了两次重大的技术更新.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.

第一章 系统概述
1。1。1 设计目的
1。 掌握转速，电流双闭环控制的双极式PWM直流调速原理。
2. 掌握并熟练运用MATLAB对系统进行仿真。
1。1。2 设计题目
转速，电流双闭环控制的H型双极式PWM直流调速系统,已知：
直流电动机：允许过载倍数=2；时间常数：=0.015s,=0。2s;PWM环节的放大倍数：=4.8，;电枢回路总电阻：R=1;电枢电阻Ra=0.5。调节器输入输出电压=10V。
采用MATLAB对双闭环系统进行仿真，绘制直流调速系统（Id=const）稳定运行时转速环突然断线（1、有ACR限幅值；2、无ACR限幅值）仿真框图,仿真得出启动转速，起动电流，直流电压Ud,ASR，ACR输出电压的波形。并对结果进行分析。
1.1.3 设计内容
1 简述设计题目及对题目的分析；
2 简述双极式PWM直流调速系统原理；
3 简述电流环，转速环的控制原理；
4 对电流环、转速环的参数进行计算选取；
5 根据电流环、转速换的参数进行MATLAB仿真；
1.2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。
1。3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.
1。4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.
1.5文献综述
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.

第2章 PWM直流调速系统总体介绍与主电路原理
2.1 双极式PWM调速原理
可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路，如图2—1所示，电动机M两端电压的极性随全控型电力电子器件的开关状态而改变。
双极式控制可逆PWM变换器的四个驱动电压的关系是:。在一个开关周期内，当0t<时 ，，电枢电流id沿回路1流通；当t<T时,驱动电压反号，id沿回路2经二极管续流，。因此，在一个周期内具有正负相间的脉冲波形，这是双极式名称的由来。

2.2 双极式PWM调速系统的优缺点
1 双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点:
（1）电流一定连续;
（2）可使电动机在四象限运行;
(3）电动机停止时有微振电流,能消除静磨擦死区；
（4）低速平稳性好，系统的调速范围大；
(5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽,有利于保证器件的可靠导通.
2 双极式控制方式的不足之处是：
在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态,开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。
2。3 转速、电流双闭环系统原理
2。3。1 双闭环调速系统结构图
转速、电流双闭环直流调速系统的结构图如图2-2所示。

图2—2 转速、电流双闭环直流调速系统的结构图
图中，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，在用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE，从闭环结构上看，电流环在里面，称作电流内环；速度换在外边，称作转速外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。
2。3。2 双闭环调速系统稳态结构图
双闭环调速系统稳态结构图如图2-3所示。
图2-3 双闭环调速系统稳态结构图
分析静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征,一般使存在两种状况：饱和—输出达到限幅值，不饱和-输出未到达限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出的关系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压在稳态时总为零.
实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的.因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和的两种情况。
2。3.3 双闭环调速系统动态结构图
系统动态结构图如图2—4所示。
图2-4 系统动态结构图
图中和分别表示转速调节器和电流调节器的传递函数,为了引出电流反馈，在电动机的动态结构框图中必须把电流显露出来。电机的启动过程中转速调节器经历了饱和、退饱和、不饱和三种状态.

直流脉宽调速系统原理图

¡ 根据脉宽调制变换器的工作原理，当控制电压Uct改变时，PWM变换器的输出电压要到下一个周期才改变，它的延时最大不超过一个开关周期T。由于在脉宽调速系统中，PWM变换器的开关频率较高，因此常将PWM变换器的滞后环节看作一阶惯性环节，于是其动态模型可用一阶惯性环节和一个纯比例环节的串联来描述，其传递函数为
¡
¡ 式中 为变换器放大系数
¡ Ud为PWM变换器的输出电压
¡ Uct为PWM变换器的控制电压

2。4 双闭环调速系统的作用
1。 转速调节器的作用
转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速很快地跟随给定电压变化, 如果采用PI调节器，则可实现无静差。对负载变化起抗扰作用。其输出限幅值决定电动机允许的最大电流
2. 电流调节器的作用
在转速外环的调节过程中,使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出；量的变化。对电网电压的波动起及时抗扰的作用.在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流。当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常.

第三章脉宽调速系统的控制电路
PWM(Pulse Width Modulation）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。
在直流脉宽调速系统中，晶体管基极的驱动信号是脉冲宽度可调的电压信号.脉宽调制器实际上是一种电压一脉冲变换器，由电流调节器的输出电压UC 控制，给PWM装置输出脉冲电压信号，其脉冲宽度和 UC 成正比.常用的脉宽调制器有以下几种：
¡ ①用锯齿波作调制信号的锯齿波脉宽调制器；
¡ ②用三角波作调制信号的三角波脉宽调制器；
¡ ③用多谐振荡器和单稳态触发电路组成的脉宽调制器;
¡ ④数字脉宽调制器。
下面以锯齿波脉宽调制器为例来说明脉宽调制原理。
锯齿波脉宽调制器是一个由运算放大器和几个输入信号组成的电压比较器，如图8－8所示。
¡ 图3-1中，加在运算放大器反相输入端上的有三个输入信号,一个输入信号是锯齿波调制信号Usa,由锯齿波发生器提供，其频率是主电路所需的开关调制频率;另一个输入信号是控制电压UC，是系统的给定信号经转速调节器、电流调节器输出的直流控制电压，其极性与大小随时可变,UC与 Usa在运算放大器的输出端叠加，从而在运算放大器的输出端得到周期不变、脉冲宽度可变的调制输出电压Upw；为了得到双极式脉宽调制电路所需的控制信号再在运算放大器的输入端引入第三个输入信号——负偏差电压Up,其值为
¡
¡ 这样，当UC =0 时，输出脉冲电压Upw的正负脉冲宽度相等，如图3-2（a）所示。
¡ 当 UC>0 时＋UC的作用和－Up相减，经运算放大器倒相后，输出脉冲电压 Upw的正半波变窄，负半波变宽，如图3—2（b）所示.
¡ 当 UC<0时，－UC的作用和－Up相加，则情况相反，输出脉冲电压Upw的正半波增宽，负半波变窄，如图3—2(c)所示。
¡ 这样，通过改变控制电压UC 的极性，也就改变了双极式PWM变换器输出平均电压的极性，因而可改变电动机的转向。通过改变控制电压UC 的大小，则就能改变输出脉冲电压的宽度,从而改变电动机的转速。

3—1

3-2
第四章 系统参数的确定
4。1 整流电路失控时间及滤波时间的确定
4。1。1 整流电路平均失控时间常数
失控时间是随机的，它的大小随电源电压发生变化的时刻而变化，最大可能失控时间是两个相邻自然换相点之间的时间，与交流电源和整流电路形式有关，由下式确定：
式中f————交流电源频率；
m——-—一周内整流电压脉冲数。
相对于整个系统的响应时间来说，一般情况下取统计平均值，认为是常数。对于双极式PWM直流调速系统,其晶闸管的开关频率一般在10K赫兹以上，在此取

4.1。2 电流滤波时间常数和转速滤波时间常数
双极式PWM电路每个波头的时间为

为了基本滤平波头,应该选择
，
根据所用测速发电机的纹波情况，取

4。2 反馈系数的确定
转速反馈系数
电流反馈系数
4。3 电流调节器参数的确定
4。3.1 电流环小时间常数的计算
按小时间常数近似处理，取

4。3。2 电流调节器结构选择
根据设计要求，并保证稳态电流无静差，可以按典型I型系统设计电流调节器.电流环控制对象是双惯性的，因此可以用PI调节器，其传递函数如下：

检查对电源电压的抗扰性能: 各项指标可以接受
4。3。3 计算电流调节器的参数
电流调节器超前时间常数：
电源开环增益： 取=0.5 ，因此

于是,ACR的比例系数为

4。3.4 校验近似条件
电流环截止频率：
1. 校验晶闸管整流装置传递函数近似条件
满足近似条件
2. 校验忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件
满足近似条件
3. 校验电流环小时间常数近似处理条件
满足近似条件
4。3.5 计算调节器电阻和电容
电流调节器原理图如图3-1所示，按所用运算放大器取，各电阻和电容值计算如下:
取23
取0。65uF
取0.1uF
按照上述参数，电流环可达到的动态跟随性能指标为：
=4.3%5％ 满足设计要求
图3-1 含给定滤波和反馈滤波的PI型电流调节器
4.4 转速调节器参数的确定
4.4。1 确定时间常数
电流环等效时间常数，按小时间常数近似处理，转速环小时间常数
4.4。2 转速调节器结构选择
为了实现转速无静差，在负载扰动作用点前必须有一个积分环节，它应该包含在转速调节器ASR中。选择扰动作用点后面已经有了一个积分环节，因此转速开环调节器应共有两个积分环节，所以应该设计成典II型系统，这样的系统同时也能满足动态性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为：

电动机的电动势系数为
4.4.3 计算转速节器的参数
按跟随和抗扰性能都比较好的原则,取h=5,则ASR的超前时间常数为：

转速开环增益为：
ASR的比例系数为
4。4。4 检验近似条件
转速环截止频率
1。 电流环传递函数简化条件
满足简化条件
2.转速环小时间常数近似处理条件
满足近似条件
4.4。5 计算调节器电阻和电容
转速调节器的原理图如图3-2所示,取，则
取1774
取0。1
取1
4。4.6 核定转速超调量

当h=5时,=81。2％，，代入上式得
满足设计要求
图3—2 含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器

第五章 MATLAB仿真设计
5。1 双闭环调速系统仿真框图
双闭环直流调速系统仿真框图如图4-1所示：
图4-1 双闭环调速系统仿真框图
其中，限幅值的计算为：

5。2 仿真结果
5。2.1 有ACR限幅值
1。启动电流，启动转速如图5-2

图4—2 启动电流,启动转速图
2. ASR、ACR输出电压波形如图5—3

5图5-3 ASR、ACR输出电压波形

3.直流电压Ud 波形如图5—4

图5-4 直流电压Ud 波形

5.2。2 无ACR限幅值
1。启动电流，启动转速如图5-5

图5—5 启动电流，启动转速
2。 ASR、ACR输出电压波形如图5—6

图5—6 ASR、ACR输出电压波形
3.直流电压Ud 波形如图5—7

图5—7 直流电压Ud 波形
5.3 结果分析
由于系统在2秒前就稳定了，设置参数时，在两秒时加入负载，因此两秒前为空载启动，由此可以观测到空载启动启动到额定转速时的转速超调量；在4秒时设置转速环断线,由此可以观测到断线前与断线后的输出波形对比。对比ACR有限幅与无限幅的波形后，可以得到ACR无限幅时，各项输出幅值都有所提高，与实际相符合，运行结果正确.

小结
本次课程设计历时1.5周，在整个设计过程中,我不仅巩固了以前所学到的知识，更学到了许多课外的知识。通过这次的课程设计，我也发现了很多平时学习中的不足，可谓是收获颇多。
首先要感谢我的指导老师—李瑾老师。在她的悉心指导下，我才得以顺利的完成本次毕业设计。她从最初就为我们制定了周密科学的工作任务安排，每次都很认真的查看我们的工作日志完成情况，对于我们的提问也总给予耐心的解答。
我还要感谢同组的同学，跟他们一起讨论相关的课题，使我的思路得以极大的开阔，并能发现自己在某些内容上的欠缺.另外，我也深深的感受到了同学间的互相帮助和友谊。这也是我顺利完成毕业设计的一大动力。

通过这次课设，我不仅在知识上有了进一步的巩固和提高，在求学和研究的心态上也有不小的进步。我想无论是在学习还是在生活上只有自己有心去学习和参与才可能有收获，同时我也深深感受到理论与实践相结合的重要性。以前一直觉得理论知识离我们很远，经过课程设计，才发现理论知识与生活的联系。这大大激发我学习书本的兴趣。再者我们学习的是工科,不单纯只是理论方面的工作,还应该考虑到实际情况.理论计算的的结果可能与实际稍有差别,要以实际情况为准。
作为一名学习电气工程及其自动化的学生，我们的梦想是成为一名电气工程师，所以我觉得能做类似的课程设计是十分有意义，而且是十分必要的。在成为一名合格的电气工程师之前我们必须经历硬件的制作、软件的调试、系统的设计这三个步骤。课程设计中我既巩固了课堂上学到的理论知识,又掌握了Matlab在自动化应用中的基本使用方法。
总之，在设计过程中，我不仅学到了以前从未接触过的新知识,而且学会了独立的去发现，面对，分析,解决新问题的能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己的能力，使我受益匪浅。

参考文献
（1）院毅 陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社,2009
（2）邹伯敏 自动控制理论。北京：清华大学出版社，2009
(3)徐月华 汪仁煌。Matlab在直流调速设计中的应用.广东工业大学，2001
(4）马葆庆 孙庆光.直流电动机的动态数学模型。电工技术，1997
（5）许晓峰 电机及拖动 北京：高等教育出版社，2004
（6）高美霞，黄小芹。 直流PWM调速系统研究。包头钢铁学院学报,2000年 19卷 4期
（7)王玉茹，逄海萍。 一种直流PWM调速实验装置的设计.山东科学,国内统一刊号:CN 37-1188
（8）（美）Bimal K.Bose著，王聪,赵金等译，现代电力电子学与交流传动［M］，北京：机械工业出版社, 2005:119－120.
（9）TMS320LF2407A DSP Controller Advance Information。 TEXAS INSTRUMENTS JULY 2000—SPRS1451—REVISED SEPTEMBER 2003。