（信号与信息处理专业论文）基于fpga的pwm直流调速方案的研究与分析.pdf

摘要 摘要 基于f p g a 的p 删直流调速方案是在传统的p w m 调速方案的基础上，随着f p g a 的飞速发展而提出的。 本控制系统摒弃了传统的p w m 调速方案中用多片专用芯片进行硬件拼接的 的设计思想，转而以更加灵活、高效的f p g a 芯片取而代之，将由外部连线拼接 的多芯片系统转变成用软件可以随心所欲进行内部连接的单芯片系统。本文设计 的控制系统采用的核心控制单元芯片是一片美国a l t e r a 公司的f p g aa c e x i k 3 0 ， 基于此f p g a 芯片，使用e d a 技术设计了一种p i l l 信号产生控制方法。这个方案 一方面大大简化了整个控制系统的结构、减少了所用分离元器件数量，另一方面 为传统的p l i 删! 调速系统进一步向智能化方向发展进行了有效的探索。 本文首先介绍了p w m 控制和f p g a 的理论基础知识，并且对课题中采用的 a c e x l k 3 0 芯片进行了详细的描述。在此基础上，重点研究了数字p i d 在f p g a 上 的实现、p w m 信号控制器在f p g a 上的实现方案。接着阐述了所使用的e d a 工具， 然后详细介绍了各个模块的功能设计及实现方法，每个模块都进行了仿真验证。 最后本文对基于f p g a 的p w m 直流调速方案和传统的p i l l 调速方案的调速性 能进行了测试对比。测试结果表明基于f p g a 的p w m 直流调速方案性能已经达到 或超过了传统的p 1 j l m 调速方案。由于基于f p g a 的p 1 j | m 直流调速方案具有明显的 技术先进性和更广阔的发展空间，它可以使未来的调速系统向着更加智能化、更 加微型化、更加人性化的方向发展，所以本课题具有科学性、创新性和实用性。 目前用传统方法实现的p w m 控制应用相当广泛，而利用微电子技术的最新成果 f p g a 来开发p w m 控制的新产品，研究的人还不多。本课题在这方面进行了初步 的尝试，以期望能抛砖引玉，促进f p g a 在这个方面的发展。 关键词：调速，f p g a ，p w m ，e d a ，控制 a b s 仃a c t a b s t r a c t w i t ht h eh i 【g hd e v e l o p m e n to ff p g aa n do nt h et r a d i t i o n a lp w md cs p e e d c o n t r o lw a y , t h i sn e wp w md cs p e e dc o n t r o lm e t h o db a s e do nf p g ai sd e l i v e r e d t h en e wm e t h o dd i s c a r dt h ei d e ao ft h et r a d i t i o n a lp w md cs p e e dc o n t r o lw a y w h i c hi sc o n s t r u c t e db ym u l t ic h i pc o n n e c t e db yh a r dl i n e ，a n dr e p l a c ei tb ym o r e f l e x i b l e ，m o r ee f f i c i e n tf p g a ，t r a n s f o r mam u l t ic h i ps y s t e mc o n n e c t e db yh a r dl i n e i n t oas i n g l ec h i ps y s t e mw h i c hi sc o n f i g u r e db ys o f tw a r e i nt h i ss y s t e mia d o p t f p g a c h i pe p f l 0 k 2 0m a d eo fa l t e r ac o m p a n ya sac e n t r a lc o n t r o lu n i ta n db a s e o nt h ec h i p ，b yt h ea i do fe d a t e c h n o l o g yid e s i g nam e t h o do fp w ms i g n a l g e n e r a t i o na n dc o n t r 0 1 t h i sn e wm e t h o ds i m p l i f i e dt h ec o n s t r u c t i o no fo l ds y s t e m a n dr e d u c et h ea m o u n to fs e p a r a t ee l e c t r o n i ce l e m e n t ，p u tt h eo l dw a yf o r w a r dt ot h e i n t e l l e c td e v e l o p m e n t a tf t r s t ，t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ep w mc o n t r o la n df p g ab a s i ct h e o r y , a n d d e s c r i b et h ep e r f o r m a n c eo fe p f l 0 kc h i p t h e nt h ea r t i c l ed e s c r i b ear e a l i z a t i o n m e t h o do fp w mc o n t r o l l e ra n dt h er e a l i z a t i o no fd i g i t a lp i do nf p g a a n dt h e n i n t r o d u c et h ee d at o o lu s e di nt h i sp r o j e c t a n dt h e nd e s c r i b eh o wt or e a l i z ee v e r y f u n c t i o nb l o c ki nd e t m la n ds h o wy o ut h ef u n c t i o ns i m u l a t i o nw a v e i na d d i t i o nt h i s a r t i c l ea l s oi n t r o d u c eh o wt or e a l i z et h ed i 酉t a lp i di nf p g a , a n ds h o wy o ut h e f u n c t i o ns i m u l a t i o nw a v e a tt h ee n d ，t h i sa r t i c l et e s ta n dc o m p a r et h ep e r f o r m a n c eo ft h en e wp w md c s p e e dc o n t r o lm e t h o db a s e do nf p g a a n dt h et r a d i t i o n a lp w md c s p e e dc o n t r o lw a y t h er e s u l ts h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h en e wp w md cs p e e dc o n t r o lm e t h o d b a s e do nf p g aa c h i e v eo re x c e e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h et r a d i t i o n a lp w md c s p e e d c o n t r o lw a y b u tt h en e wp w md c s p e e dc o n t r o lm e t h o db a s e do nf p g a h a st h e s u p e ra d v a n t a g ea n dv a s td e v e l o ps p a c e i tc a nm a k et h ef u t u r ep w m d cs p e e d c o n t r o ls y s t e mm o r ei n t e l l i g e n t ，m o r em i c r o v o l u m ea n dm o r eh u m a nn a t u r e a t p r e s e n t ，t h et r a d i t i o n a lp w md cs p e e dc o n t r o lw a yi sv e r yc o m m o n ，b u tp e o p l ew h o s t u d yt h en e wp w md cs p e e dc o n t r o lm e t h o db a s e do nf p g ai sv e r yl e s s t h i s a r t i c l ei sae l e m e n t a r ya t t e m p to nt h i sf i e l d ，h o p et op r o m o t et h el e v e lo ft r a d i t i o n a l p w md c s p e e dc o n t r o lw a yb yu s eo ff p g a k e yw o r d s ： s p e e dr e g u l a t o r ，f p g a , p w m ，e d a , c o n t r o l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文 9 舌 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月 e t 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 第一章概述 1 1 论文的背景 第一章概述 1 1 1 传统的p w m 调速系统 脉冲宽度调制( p 删) 直流调速系统是应用较为广泛的一种调速形式。目前 针对p 删直流调速，开发出的专用芯片很多。由于是专用芯片，开发时都是在特 定的历史条件下进行的。随着时间的推移和条件的变化，特别是随着科学技术的 不断发展，原来的这些专用芯片可能都存在这样或那样的不足，而且要完成一个 系统设计都需要多块芯片拼装在一起。这种多芯片系统，由于使用了很多分离元 件，所以体积大、连线多、中间接点多，造成不易集成、制造麻烦、易出故障等 不便，特别是使用起来非常死板，例如现场是多种多样的，用户提出的要求也是 千差万别的，因此采用传统的多片专用芯片搭接的p w m 系统往往不能以最低的成 本、最小的体积、最快的速度来满足最贴近实际的充满个性化的用户需求。随着 各种理论研究的深入和各种算法的提出，越来越多地要求人们采用最新的方法， 使系统朝着更加理想、更加智能化方向的目标发展，这些都是传统的p i 明v i 专用芯 片所无法做到的。 1 1 2f p b a 技术的国内外研究现状及发展动态n 幻 现场可编程逻辑器件( f p g a ) 是在传统的p a l 、g a l 、s p l d 等简单可编程逻 辑器件的基础上，随着微电子技术的发展而发展起来的。自从x i l i n x 公司推出 世界上第一块f p g a 芯片以来，f p g a 的速度和容量都得到了极其迅猛的发展，向 高集成度、高速度和低价位方向不断迈进；不仅具有电可擦除特性，而且出现了 边缘扫描及在线编程等高级特性；其应用领域在不断扩大，可用于状态机、同步、 译码、解码、计数、总线接口、串并转换等很多方面，而且在信号处理等领域的 应用也活跃起来。目前的f p g a 芯片的工作频率已经达到2 0 0 m h z ，容量超过l0 0 万门。 。 目前集成电路正向系统级芯片( s o c ) 的方向发展，在s o c 芯片上可以将微处 理器、数字信号处理器、存储器、逻辑电路、模拟电路集成到一块芯片上。 1 0 多年来，国外通过许多高科技公司与大学研究机构的合作和支持逐步达 到了目前的水平。由于种种原因，我国的电子技术的高技术领域与国外交流较少， 第一章概述 同行交流也较少，水平相对落后。大学有关专业也缺少有经验和能力的教师，这 些都是我国与美国等其它先进国家存在差距的原因。近几年来由于国际互连网的 普及应用、国外e d a 工具的引进，许多大f p g a 厂商免费赠送开发软件，满足了 国内产品不断升级的要求。从国外逐步转移过来的中小型设计项目以及年轻的大 学生和研究生的热情，都使我们可以在很短的时间内在复杂数字s o c 设计领域中 迎头赶上去。将传统的控制算法( 如p i d 等) 集成到s o c 芯片上则会大大提高 s o c 芯片的灵活性、智能性和有效性，并且大大缩短了制作周期。 f p g a 作为逻辑控制系统具有突出的特点： ( 1 ) 具有先进简单的编程开发方式 可以使用两种输入方式对f p g a 进行编程，一种是硬件描述语言，另一种就 是原理图输入方式。硬件描述语言是国际上通用的可编程逻辑器件开发语言，它 功能强大、语法规范、指令少、可移植性强；原理图输入方式具有简单直观、易 学易懂的特点。同时用硬件描述语言编写的单元程序，可以通过编译，生成原理 图形模块，供用原理图编程时调用，两者结合，相得益彰。 ( 2 ) 在线编程 在线编程是f p g a 的突出特点，它无须改变芯片外部引脚的连线，只要将编 译好的程序下载到目标芯片中就可以改变芯片的功能，开创了数字电子系统设计 的新篇章。 ( 3 ) 可靠性高 由于f p g a 的内部实质上是集成了众多基本的硬件电路，编程只是将这些电 路进行不同的连接，以完成某种设计的需要，所以它可以避免使用计算机所造成 的程序跑飞、死循环等缺点。 ( 4 ) 速度快 在f p g a 的内部实质上是硬件电路在运行，一个系统一般是由多个进程所对 应的多个子模块并列运行的，它的速度当然要快于使用c p u 时的取指、译码、执 行的串行工作模式，而且随着系统的复杂程度的提高，这个差别将进一步突现。 并且f p g a 的管脚到管脚的延时仅为纳秒级。 1 1 。3 电子设计自动化( e d a ) 概述 e d a 是电子设计自动化的英文缩写，它以计算机为工具，在e d a 软件平台上， 对以硬件描述语言或用原理图符号为系统逻辑描述手段完成的设计方案进行自 动查错、逻辑编译、逻辑综合、逻辑布局布线、逻辑仿真，针对具体芯片还可以 进行施配编译、逻辑映射和数据下载。e d a 的最大特点就是强大的逻辑设计仿真 功能测试功能，使设计人员在系统未制造出来之前就知道其性能的优劣了，并及 2 第一章概述 时进行修改、完善。在完成实际系统的安装后还能对系统上的目标器件进行所谓 的边界扫描测试。这一切都极大地提高了大规模电子系统设计的自动化程度口3 1 1 4 基于f p g a 的p 删直流调速方案 基于f p g a 的p w m 直流调速方案是在传统的p w m 调速方案的基础上，随着f p g a 的飞速发展而提出的。传统的p w m 直流调速系统发展已经很成熟，但该系统多采 用多片专用集成电路( a s i c ) 拼接而成，系统成型以后，各参数就被所设计的硬 件固定下来，通用性、可重复性非常差，而且由于系统是由多片集成电路及外围 电子元器件拼接而成，必将造成控制器体积大、制作麻烦、接点多、故障率高等 弊端，特别是随着人们生活水平的不断提高，对控制产品也提出了越来越高的人 性化和智能化的要求，在这方面传统的p w m 调速方案与本课题提出的基于f p ( ；a 的p w m 调速方案相比，其弊端及发展前景就不言自现了。 本控制系统摒弃了传统的p w m 调速方案中用多片专用芯片拼接进行硬件连 接的设计思想，转而以更加灵活、高效的f p g a 芯片取而代之，将由外连线拼接 的多芯片系统转变成用软件可以随心所欲连接的单芯片系统。系统中采用了一片 美国a l t e r a 公司的f p g a 芯片e p f i o k 2 0 为核心控制单元，并基于此f p g a 芯片， 使用e d a 技术设计了一套p w m 技术的调速控制方法。此方案一方面大大简化了整 个控制系统的结构和所需元器件，具有明显的技术先进性和更广阔的发展空间， 它还可以使未来的调速系统向着更加智能化、更加微型化、更加人性化、更加新 颖化的方向发展。目前在我国用传统方法实现的p 删控制应用相当广泛，而利用 微电子技术的最新成果f p g a 来开发p 删控制的新产品，研究的人还不多，本方 案对传统的p w m 调速系统的进一步发展进行了有效的探索。 1 2 本文的主要研究内容 本文是在认真分析了传统的p w m 直流调速系统的基础上，结合现代微电子技 术和计算机技术发展的最新成果，利用f p g a 设计出了集p w m 波形的产生与控制、 p i d 参数的运算与控制、系统所须的各种时钟的产生、速度实时显示与控制及系 统控制信号的产生与转换于一块芯片上的典型s o c 系统，并在实际系统中得到了 验证。并且该系统芯片还可以随着技术的进步、新的理论的发展不断进行刷新。 具体章节安排如下： 第一章概述了传统的p w m 调速系统的现状和不足，介绍了f p g a 的现状和发 展动态，说明了选择本课题的科学依据。 本文第二章介绍了可编程逻辑器件( f p g a c p l d ) 和v h d l 语言。是本课题的 3 第一章概述 设计基础和所使用的语言工具。 第三章描述了p w m 控制技术，着重分析了h 型可逆开关放大器的工作原理， 是本设计的理论基础。 第四章首先详细介绍了本课题设计的控制系统的组成，其次描述了控制系统 主要功能模块的设计及实现方法。主要分析了各部分的电路组成和工作原理。 第五章着重阐述了基于f p g a 的p 删控制器的设计思想及实现，此部分也是 本文的重点，包括基本控制电路的设计、基于f p g a 的p w m 脉宽控制器的设计思 路及实现、各功能模块的接口电路及功能仿真波形图。 第六章介绍了基于f p g a 的p w m 调速系统的调试过程、技术指标和调试过程 中的注意事项等。并对两个系统的部分技术指标进行了比较和分析。 第七章总结了全文的工作和研究成果，并提出了进一步研究的问题和相关领 域未来的发展方向。 4 第二章p w m 控制技术 第二章p w m 控制技术 近年来，在高精度的伺服系统中，采用大功率晶体管脉宽调制伺服系统正受 到人们越来越多的注意和重视。它采用晶体管脉宽调制型开关放大器( 以下简称 p 删放大器) 作为调速系统的功率输出级，对负载执行电动机提供必要的驱 动功率。p 删放大器的基本工作原理是利用对功率晶体管开关时间的控制，将直 流电压转换成某种频率的等幅脉冲电压，加在直流电动机的电枢两端，通过对脉 冲宽度的控制，改变电枢的平均电压u 。，从而达到调节直流电动机转速的目的， 这就是所谓的“脉宽调速 的原理。 作为一种控制调速方案，p 删放大器电动机系统有很多的优点而在调速 系统中占一席之地，应用较为广泛。这里先介绍p 删开关放大器的有关理论分析， 作为后面设计和调试的理论铺垫。 2 1脉宽调速系统主回路 脉宽调速系统主回路中功率输出级采用脉宽调制型开关放大器，简称p w i l ! 放大器。 p v b i 放大器可由双极性工作制和单极性工作制两种，构成可逆开关放大电路 和不可逆开关放大电路。下面着重就本课题采用的可逆开关放大电路卅型开 关电路的工作原理及特征分别加以叙述。 2 1 1可逆开关放大器叫型开关电路的工作原理 h 型开关电路有四个三极管和四个二极管构成桥式电路，这种开关电路有单 极性输出、双极性输出和有限单极性输出三种不同的控制方法。 2 1 1 1 单极性输出 单极性输出的控制方法是在b g 。、b g 。管的基极加相位相反的脉冲控制信号， 在b g 4 的基极加饱和控制电压，b g 。的基极加截止控制信号，如图2 1 ( a ) 所示。 5 第二章p w m 控制技术 b g l c a ) 制动状态 ( b ) u b t t t 1 t t l ar ae 电动状态 e 制动状态 ( c ) 图2 1 单极性h 型开关电路 单极性h 型开关电路电流、电压波形如图2 2 所示。 ub 1 ua u i 一ub2j l t 1 t 图2 2h 型单极性开关电路波形图 6 t t t 肛陋 曼钵 a 一一 态 一 状 叫一 动 jap 奉 第二章p w m 控制技术 在一个周期的o t 。时间区间内，b g 。饱和导通、b g 。截止，由于b g 。始终饱和 导通，因此此时电动机电枢a b 两端的电压为+ u 。经b g 。、电枢、b g 4 、到电源的负 极。等效电路如图2 1 ( b ) 所示。回路方程式为 a ； u a - 。号 + 凡f 。+ e ( 2 一1 ) 口i 在一个周期的t l - t 时间区间内，b g 。截止，这时b g 。虽然可以导通，然而因 b g 3 始终截止，因此电动机与电源切断，电枢电流经b g 4 和续流管d ：继续流通， 等效电路如图2 1 ( c ) 所示，回路方程式为： a ； o 一4 = + r 口f 4 + e ( 2 2 ) 口f 当b g 。的基极加饱和控制电压，b g 。的基极加截止控制电压时，在一个周期的 t l - t 区间内，b g 。何b g 。饱和导通，电源电压+ u 。加在电枢b a 两端，电动机反转， 在o - t 。区间内电流经续流二极管d 。和三极管b g 。继续流通。 在电动机正转时，控制电压突然降低时u 艋 t 时，b g 。，b g 。导通，+ u 。加在电枢的b a 两端( 即u b = 7 融胪 第二章p w m 控制技术 一u d ) ，当t t 2 时，电枢两端的平均电压u 。 o 图2 4 ( b ) ) ，电动机正转当 t t 。时，b g 。、b g 。导 通，等效电路如图2 5 ( a ) ，回路方程式为 ； _ l 詈+ 兄+ e ( 2 3 ) 当t 。t u 。电枢电流经d 。和 一讲 d 。，将能量反输给电源( 再生发电制动状态) ，等效电路如图2 5 ( c ) ，制动电流使 电动机的转速下降至新的给定植。 制动状态时开关电路的电流、电压波形图2 6 所示 2 、开关放大器输出电压的频率为两倍开关频率的控制方式： 如果脉宽调制器的调制波为三角形，而使正的控制电压送至脉宽调制器，产 生的脉冲信号去控制b g 。和b g ：，并使u b l = - - u 。使负载控制信号送到脉宽调制器， 产生的脉冲信号去控制b g 。和b g 。，并使u 萨一u m 如图2 7 所示这样，在电动机 电枢两端即能得到两倍开关频率的脉冲信号，波形分析图如图2 8 所示 8 第二章p w m 控制技术 ua l l 盯 e ux e e 叮 - i 一一一1 一厂一一一1 - 一l 一- t ( b ) bgt l -r e ( c ) ( d ) 图2 4h 型双极性开关放大器波形图图2 5h 型双极性开关放大器等效电路 u - uab 玩 e i 。t t1t 图2 6 制动状态时的电流电压波形图 9 u u 第二章p w m 控制技术 图2 7h 型倍频开关放大器 u t t ub i ub 4 uab u + u u 一u ub ub2 ub3 ub 4 ua b 、 7 it f i o 、卜了厂卜 f 、 it t2t3t t ，。t2i 一 l t t t5 ( t ” l 、 t 厂 。 t k 厂一卜1 i 图2 8h 型倍频开关放大器波形图 1 0 睢胪 廿母 第二章p w m 控制技术 现以脉宽调制时，控制电压u 。 0 的情况为例来分析这种电路的工作原理 当电机工作在电动状态时，在一个周期内，当t 。t t ：时，t l 。和u b 4 均为正， b g 。和b g 。饱和导通，电枢两端加上+ u 。电压，电源向电动机供给能量，等效电路 如图2 9 ( a ) 。当t ：t t 。时，u 。：和u 。均为负值，b g ：和b g 4 截止，电源被切断， 但因u 。为正，因此电枢电流经b g l 和续流二极管d 。继续流通，等效电路图如图 2 9 ( b ) 。 当t 。t t 。时，u 。和u h 又同时为正，电流又经过b g 。和b g 。加至电枢两端 当t 。t t 。时，u b 。和u 均为负值，电源被切断，但因u m 为正，因此电枢 电流经b g 。和d ：继续流通，等效电路图如图2 9 ( c ) ， 在控制电压u g 突然变小时u b e ，产生制动 b g ， l ar ae ( b ) e 图2 9h 型倍频开关放大器等效电路 ( f ) 在t ：t u b ，反向制动电流经d 和b g 3 形成回路( 能耗 制动) ，等效电路图如图2 9 ( d ) ， 在t 。t t 。区间内，电枢电流经d ，和d 。向电源反输能量 在t 。t t 。区间内，电枢电流经b g 。和d 。继续能耗制动等效电路图如图 2 9 ( f ) 在t 。t u 。) ，减速时为能耗与再生发电制动状态，电流冲击小且用h 型 电路可以得到频率为两倍开关频率的输出电压，相对来说，可以降低对大功率截 止频率的要求，鉴于h 型电路的这些优点，因此一般多用h 型开关电路 2 2 几个重要参数的确定 在设计脉宽调速系统时，一些重要参数是必须首先确定的例如功率输出级 的开关放大器工作频率f k 的确定，大功率晶体管截止频率f 。及容量的选择等而 为了能正确的确定这些重要参数，必须首先对开关放大器中晶体管的开关过程、 功率损耗及负载电流波动情况问题有所了解 2 2 1开关放大器中晶体管的开关过程 脉宽调速系统主回路的工作频率很大程度上取决于晶体管的开关时间，包括 电流上升时间t ，、存储时间t 。和下降时间t ，因此必须首先讨论一下晶体管的 开关过程 2 2 1 1 电阻负载的开关过程 脉宽调速系统中开关放大器的负载是直流电动机，即为反电动势负载但为 了分析方便起见，先讨论一下晶体管在纯电阻负载情况下的开关过程 分析图2 1 0 ( a ) 中晶体管b g 在如图2 1 0 ( b ) 所示的基极驱动电流作用下的开 关过程及开关时间 第二章p w m 控制技术 图2 1 0 纯电阻负载时的开关过程 1 、电流上升时间t ， 在t = o 的时刻，b g 的基极上加上饱和驱动电流i 。，且bi 。 i 。，这里p 为b g 的电流放大倍数，i 。为b g 管饱和导通时的集电极电流 尼。坠 尺c 晶体管的集电极电流按指数规律上升，电流上升的方程式为 l 。百d i c + f 。r 。一声，6 1 ( 2 - 6 ) 式中t c e 为晶体管放大区的时间常数，瓦。瓦1 ，f 一为晶体管共射极截止频 率 令bi b t - - k 。i 。，k 。称为饱和驱动系数 等 于是方程式( 2 - 6 ) 可改为 瓦等“小c 解此方程得 t ( t ) - 七t ，。( 1 一e 一言) ( 2 - 7 ) 当t = t ，i 。已达到集电极饱和电流i 。，以后集电极电流不再增加，晶体管 进入饱和导通状态，因此我们把t 。称为开关工作状态下晶体管的电流匕升时 第二章p w m 控制技术 ，。一七，。( 1 一e 。芒 ) 因此可以求得电流上升时间为 f ，一t , ei n 再k l ( 2 8 ) 2 、t = t 。时，b g 的基极电流从i b 。变至i b ：因为晶体管的基极时间常数很小， 因此认为这一变化是瞬时完成的，如图2 1 0 ( b ) 所示，从t 。时刻开始， 集电极电流应按下式开始下降 乙鲁“r 。一。 ( 2 删 式中k 。为截止驱动系数 七。鱼k 。l c 由方程( 2 9 ) 解得 z 。( ，) _ 一七z j 。( 1 一e 一亡) + j 。c 。，e 一言 假想的i 。( t ) 曲线应如图2 1 0 ( c ) 中曲线所示，曲线的起始点为b 点，因此 上式的初始条件应为i o o ) = k ，i 。，所以此时 t ( f ) = - k 2 i c ( 1 一p i t ) + 七，c p 一寺 三- 一( k l + 七2 ) i c ekk2l(2-10) 当t - - t 。时，假想的i 。( t ) 曲线下降至i 。，晶体管开始退出饱和区在式( 2 1 0 ) 中，当t - - t 。时，i 。( t ) = i 。，因此有 一上 i 。一( 七1 + k 2 ) ，。已1 c 一k 2 i ， 于是求得存储时间 。t , , i n 警 ( 2 - 1 1 ) 实际上，晶体管b g 在t ，t t 。+ t 。的时间区域内，b g 的基极已处在截止驱 动状态，然而集电极电流仍保持着饱和电流i 。，因此我们把t 。这段时间称为存 储时间。 1 4 第二章p w m 控制技术 3 、下降时间t ， 当t t 。+ t 。后，b g 退出饱和区，i 。开始按指数规律下降，经过t ，秒后，集 电极电流下降至零，因此t ，称为开关电路的电流下降时间在式( 2 1 0 ) 中， 当t = t 。+ t ，时，i 。( t ) = o ，因此有 盟 ( 霸+ 七2 ) i c ek - k 2 l 一0 t 。+ ，- z 。l nj ! ! ：i i ；：j - f ，- 乙ln 半- f j - t , , i n k 1r + k 2 也- n 黠 吐。l n 警 ( 2 _ 1 2 ) 晶体管的开关时间t w = t ，+ t 。+ t ， 从以上各式可知，t ，与k 。有关，k 。越大，t ，越小：t ，与k 。有关，k 2 越大，t ， 越小：t 。则与k 。和k 。都有关系k ，越大，t 。也越大为了使开关时间最短，必须 妥善选择k 。与k 。，一般以1 5 2 为最佳 2 2 1 2 带反电势负载的双极性开关电路的开关过程 如图2 i i 所示的双极性开关电路，b g i 和b g 2 的基极上加反相脉冲电压u 。 和u 。：( 图2 1 2 ( a ) ) 。 设t l t j 2 ，且初始状态为b g 。截止，t 0 时基极电压u b 。和u 址反相，使 b g 。得到饱和驱动电流。由于t l t j 2 ，电动机电枢两端的平均电压 o ，且负 载电流i l = i 。广( i 。：一i 越) 0 。 d ， ： 个io l b bg 2 i l7 d 2 卜_ 卞山i0 2 厶j l 弋 千id 2 i 图2 i i 双极性开关电路 第二章p w m 控制技术 ub1 ( a ) ud ( b ) f f - b t1ti 一 图2 1 2双极性开关电路的开关过程 t t t t t t = o 时，i 。开始按指数规律上升到饱和电流i 。 h 。【，。“鲁 l _ 百卫 在t ，t t 。期间，由于自感电势的减小，i 。略有增加( i o l = i 。) 。 在t = t 。时，u 。和u 比再次改变极性，b g 。的基极通过截止驱动电流，但在b g 。 的存储时间t 。内，b g 。仍保持饱和导通状态，此时由于b g 。饱和导通电流，因此 i 。：按指数规律上升 f 。2 堕( 1 一e 一亡) ( 2 1 3 ) 至t = t 。+ t 。时，b g ，退出饱和，i 。开始减小，i 。：亦随之减小。至i 。= 0 后，i 。开始 减小，自感电势l d i l d t 使续流二极管d ：导通。在b g 的存储时间内，双极性电 路的i 。：比单极性电路大一倍，更加重了b g 。管的负担。必要时须加保护措施。 2 2 2 开关放大器的电流波动 双极性电路( 如图2 1 1 ) 中电动机电枢电压u 肚和电流i 。的波形如图2 1 2 所示。为简化分析，忽略了晶体管的开关时间和i l r d 的波动，并认为在一个周期 内电动机的转速n 是恒定的。负载电流的变化方程与单极性电路相同，即 1 6 _ 、，、j c d，k，l 第二章p w m 控制技术 哮+ 瓦一“仰，瓦为开关电路输出电压的平均值 ub1 uab ud 图2 1 3 双极性电路电压电流波形 一u 柚旦矗一坚旦! & = 尘望盆! 塾= 互! 疋五互 所以，当o t t 时 屯o ) - ：二【l t u ( m l - t , ) + 屯( 气) f 。2 u _ o ( f t k - t 1 ) f + t 瓴) 三互 一” 当t l t t k 时 i t q ) 一二型二墨二铲o 一厶) + 屯( f 。) 一u 矿d # 2 1o f t ) + 屯o - ) 从式( 2 - 1 4 ) 和式( 2 - 1 5 ) 得到电流波动量 屯m i l ( ) 一屯纯) 一屯瓴) 一屯( 瓦) 双极性电路的电流波动比单极性电路大一倍。 1 7 钞 ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 嚷 k 皿 叩 敌一 犯 ：一 劫 第二章p w m 控制技术 双极性电路电流动的最大值为 州也榔噜 2 2 3 开关放大器中晶体管的功率损耗 脉宽调速系统的功率输出级为一组开关放大器，开关放大器中的晶体管大部 分时间是工作在饱和导通或截止状态。晶体管饱和导通时，管压降很小；而在截 止时，晶体管的漏电流又很小，因此饱和导通和截止时晶体管的损耗都很小，在 这种情况下，开关过程的动态损耗占有较大的比例。开关放大器中晶体管的功率 损耗应包括饱和导通的损耗、截止时的损耗和开关过程中的动态损耗三个部分。 晶体管的开关过程包括开启过程和关闭过程。前面已经讨论过，开启过程时 在电流上升时间t 。内完成，关闭过程是在储存时间t 。和下降时间t ，内完成。在 存储时间内，晶体管仍处于饱和导通状态，损耗很小。如果忽略存储时间内的损 耗，则开关过程中的动态损耗可以认为是在t ，和t ，时间内的损耗。 若驱动系数k 。和k ：大于1 5 时，则可认为在t ，和t ，时间内开关管的集电极 电流都是线性变化的见图2 1 2 和图2 1 4 ，因此上升段和下降段电流方程可近似 表示成 i ：一，。 ( 上升段) i ：- i 。( 1 一) ( 下降段) ， 一个周期内的开关损耗为 卸4 - z o u v i c m x t + 上o o ! u d i c m a x ( 1 一， 叱k 删：+ 【| - 钏 毗u + 申t f - u o ，c m “半 晶体管开关过程中的动态损耗为 必- 锄小l 。孚 ( 2 - 1 7 ) 这里i 一是给定t 。t 。时，开关放大器晶体管集电极电流的最大值 1 8 第二章p w m 控制技术 。a m m 老 r d 为电枢回路的总电阻。 从式( 2 - 1 7 ) 可知，晶体管的动态损耗除与开关时间有关外，还与开关放大 器的工作频率f k 有关，越高则动态损耗越大。 2 2 4 开关管的选择 脉宽调速系统功率输出级的开关管应选择截止频率较高的晶体管，同时应具 有足够大的耗散功率和集电极最大允许电流。开关放大器的工作频率越高，负载 电流的波动就越小，电流就越容易连续，这样将使调速系统低速特性平稳。但随 着开关频率的增高将使晶体管的动态损耗增大。 综上所述，在开关电路中选晶体管时必须满足以下几个条件： 1 ) 具有足够高的截止频率； 2 ) 集电极最大工作电流大于调速系统的最大工作电流 3 ) 集电极一发射极反向击穿电压b v 锄在单极性开关电路中必须大于电 源电压，在双极性t 型开关电路中必须大于电源电压的两倍。 2 2 5 对开关管开放延时的考虑 在前面讨论的功率晶体管开关过程中，在存储时间内，出现b g 。和b g ：同时 导通的现象( 见图2 1 2 ) ，这将使处于饱和导通情况下的晶体管增加负担，在双 极性电路中尤为明显，严重时将烧坏功率管。因此在电压较高、功率较大的脉宽 调速系统中，必须考虑保护措施。最经济的方法是使晶体管的开放时间略微延迟 一些，延迟时间最大不超过晶体管的存储时间。例如在图2 1 1 的开关电路中， u 。和u 。的相位应具有如图2 1 4 所示的关系。 u b l u b 2 ：厂一j 叫e 咛k s 图2 1 4 考虑开放延时的基极电压波形图 例如在本系统的h 型驱动电路中，开关功率管的型号为i r g 4 p c 3 0 f ， 砭。去。罢 1 9 第二章p w m 控制技术 并取k 1 = k 2 = 2 时，气- 已l n 鼍鲁一6 4 x l o - 9h i 善2 署1 1 9 以s 秒庀，+ l + 即应使晶体管的开放时间延迟1 9 纳妙。 第三章控制系统主要功能模块设计 第三章控制系统主要功能模块设计 3 1控制系统总体方案设计 图3 - i 控制系统原理框图 该调速控制系统的原理框图共由十一个部分组成，如图3 - 1 所示。分别为： ( 1 ) 速度给定：由于本系统以数字系统为核心，为方便起见，速度给定也 采用数字给定方式，设计一个计数器担当此任，设有速度增加和速度减少按钮。 为了系统测试需要，还设计了一个速度突加给定按钮。 ( 2 ) 数字p i d 调节器：本p i d 调节器采用位移式离散的p i d 算法。在模拟调 节器系统中p i d 控制算法的模拟表达式为： 冲) - ) + 毒胁喝警】 ( 3 1 ) 式中：p ( t ) 一一调节器的输出信号； e ( t ) 一调节器的偏差信号，它等于测量值与给定值之差； k p 一调节器的比例系数； t 。一一调节器的积分时间常数； t d _ 一调节器的微分时间常数； 第三章控制系统主要功能模块设计 将其离散化，用数字形式的差分方程式来代替连续系统的微分方程式。此时 积分项和微分项可用求和及增量式表示： r ) 出昌砉刚) at = t 砉州) 仔2 ) 掣_ 尘上业。尘上业 (3_3)a 一_ 一_一 i 一 l 出tt 一 将式( 3 - 2 ) 和( 3 - 3 ) 代入式( 3 - 1 ) ，则可得到离散的p i d 表达式： 脚) = k 以( 小专善e ( 卅争咖) - e ( 肛1 ) ( 3 - 4 ) 式中：缸一t 一采样周期： e ( n ) 第n 次采样时的偏差值； e ( n - 1 ) 第n - 1 次采样的偏差值； n 采样序号，n = l ，2 ，3 。 本模块，是基于f p g a 芯