基于DSP的方波无刷直流电动机(BLDCM)调速系统.doc

基于DSP的方波无刷直流电动机（BLDCM）调速系统院 系自动化学院专 业自动化班 级5407202学 号200504072052姓 名刘 聪指导教师张红梅负责教师张红梅沈阳航空工业学院2009年6月摘 要脉冲宽度调制（PWM）技术是一种控制电机速度的有效调制方式。本文阐述了脉冲宽度调制技术的基本原理及其逆变电路，介绍了脉冲宽度调制技术的计算方法。运用Matlab采用正弦脉冲宽度调制（SPWM）的感应电机闭环变压变频调速系统进行建模与仿真。在理论分析和仿真研究的基础上，进行基于DSP的电机控制变频调速系统的硬件设计，观测在采用正弦脉冲宽度调制（SPWM）控制方式下系统稳态与动态以及有关控制参数变化的影响。最后，实验结果证明正弦脉冲宽度调制（SPWM）技术对双闭环直流调速系统控制的有效性。关键词： SPWM（正弦脉冲宽度调制）；调速系统 ；DSP控制；MatlabAbstractPulse width modulation (PWM) technology is an effective modulation scheme of controlling the motor speed. In this paper, the basic principles of PWM technology and its inverter circuit has been stated. This paper has also mentioned the calculation methods of the PWM technique. The induction motor closed-loop VVVF speed control system with Matlab and SPWM has been employed for modeling and simulation. On the basis of the theoretical analysis and simulation study, the hardware design of the DSP-based VVVF motor control system has been made. Then the influences of the steady state and dynamic state of the system altogether with the controlled parameters have been observed under the condition of the pulse width modulation (SPWM) control. Finally, the results of the experiment show that the sinusoidal pulse width modulation (SPWM) technology is effective to the double-loop control of DC drive system. Key words: (SPWM) sine pulse width modulation; DC speed regulation system; DSP Control ; Matlab目 录第1章 绪论11.1 课题背景11.2无刷直流电机的发展与现状21.3 脉冲宽度调制（PWM）技术的概述31.4 本课题的主要任务及内容4第2章 总体设计方案62.1 概述62.2 调速系统的设计方案6第3章 直流调速系统83.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成及特性83.2 双闭环调速系统的特性93.2.1 稳态结构93.2.2 双闭环调速系统的稳态特性113.2.3 双闭环调速系统的动态特性123.2.4 转速、电流双闭环调速系统静动态品质评价13第4章 脉冲宽度调制154.1 PWM控制技术的基本原理154.2 PWM逆变电路及其控制方法164.2.1 计算法和调制法164.2.2 异步调制、同步调制和分段同步调制194.3 直流PWM变换器的基本类型和工作原理214.4 有关SPWM控制的计算法234.5 利用软件产生SPWM脉冲254.5.1 数字三角波的产生、PWM的输出264.5.2 关键的控制参数26第5章 软件设计与硬件调试285.1 MATLAB语言及特点285.2正弦脉冲宽度调制（SPWM）的电机变频调速系统的建模与仿真295.2.1 系统模块的结构组成与建立295.2.2 调速系统的仿真与调试295.2.3 调速系统的仿真结果与分析305.3 调速系统的硬件设计与调试335.3.1 控制系统的的概述335.3.2 采用正弦脉宽调制（SPWM）调速系统的研究内容355.3.3变频调速系统的具体设计355.4 系统的调试与性能测试365.5 系统性能测试的结果和分析38结论44社会经济效益分析46参考文献47致 谢48第1章 绪论1.1 课题背景DSP(Digital Signal Processor)芯片，也称数字信号处理器，是一种特别适合于数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。现代DSP芯片作为可编程超大规模集成电路(VLSI)器件，通过可下载的软件或内部硬件来实现复杂的数字信号处理功能。DSP芯片除具备普通微处理器的高速运算和控制功能外，针对高数据传输速率、数值运算密集的实时数字信号处理操作，在处理器结构、指令系统和指令流程设计等方面都做了较大的改进。无刷直流电机（BLDCM）是在有刷直流电动机的基础上发展来的，但它的驱动电流是不折不扣的交流；无刷直流电机又可以分为无刷速率电机和无刷力矩电机。一般地，无刷电机的驱动电流有两种，一种是梯形波（一般是“方波”），另一种是正弦波。有时候把前一种叫直流无刷电机，后一种叫交流伺服电机，确切地讲是交流伺服电动机的一种。 无刷直流电机为了减少转动惯量，通常采用“细长”的结构。无刷直流电机在重量和体积上要比有刷直流电机小的多，相应的转动惯量可以减少40%50%左右。由于永磁材料的加工问题，致使无刷直流电机一般的容量都在100kW以下。这种电动机的机械特性和调节特性的线性度好，调速范围广，寿命长，维护方便噪声小，不存在因电刷而引起的一系列问题，所以这种电动机在控制系统中有很大的应用潜力。电机有多种调速方式，如：变频调速、变压调速、变频变压调速等等。PWM调速较其它调速方式的优点：1）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；2）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；3）若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；4）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；5）直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。基于PWM调速技术的优点，本方案采用了SPWM调速技术对直流电机进行更好的调速。随着DSP信号处理技术在工业控制领域中的广泛应用，基于DSP控制系统早已应用于实际的工业控制系统中。现代控制系统的日益复杂，模拟的控制系统的缺点越来越明显。为了适应现代技术的发展，本课题设计的就是基于DSP的直流电动机（BLDCM）的变频控制调速系统。在学习matlab的基础上使仿真和实时控制相结合，能提高我们对控制理论及方法的理解。1.2无刷直流电机的发展与现状一直以来，直流电动机以其优良的转矩控制特性，以及宽阔而平滑的调速性能，在需要调速的应用领域占有重要地位。但是，传统的直流电动机均采用机械方式换向，在电刷和换向器之间存在机械摩擦，由此带来了火花、噪声、无线电干扰以及寿命短等弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，大大限制了直流调速的发展和应用范围。为了取代有刷直流电动机这种电刷换向器结构的机械接触装置，人们对此进行了长期的探索。早在1915年，美国人兰格米尔(langmill)就发明了带控制栅极的水银整流器，制成了直流变交流的逆变装置，1917年，Boliger提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。20世纪三十年代，有人开始研制以电子换向取代电刷机械换向的无刷直流电机，但当时，由于受到元器件的限制，没有发展起来。1955年美国的D.哈里森(Harrison)等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电动机机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电动机的诞生。随着半导体技术的飞速发展，人们对1876年美国人霍尔发现的霍尔效应再次发生兴趣，经过多年努力，终于在1962年试制成功了借助霍尔元件换流的无刷直流电动机，从而开创了无刷直流电动机的新纪元。20世纪六十年代至七十年代，有关无刷直流电动机的文献开始出现。1978年原西德MANNESMANN公司在汉诺威贸易博览会上推出MAC方波无刷直流电动机及其驱动器，标志着方波无刷直流电动机技术进入实用阶段。尤其是1986年H.R.Bolton对方波无刷直流电动机进行了全面系统的总结，成为方波无刷直流电动机研究的经典文献，它标志着方波无刷直流电动机在理论上达到了成熟。近年来随着高性能永磁材料、微电子技术、自动控制技术和电力电子技术的快速发展，永磁无刷直流电机得到了迅速的发展。由于克服了机械换向装置的固有缺点，所以无刷直流电机具有调速性能优越，体积小、重量轻、效率高、转动惯量小、不存在励磁损耗问题等诸多优点。直流无刷电动机因其电枢绕组驱动电流形状的不同而分为两种类：一种是方波永磁同步电动机，其电枢驱动电流为方波(梯形波)，通常被称为无刷直流电机(Brushless DC Motor-BLDCM)；另一种是正弦波永磁同步电动机，其电枢驱动电流为正弦波，常称为无刷同步电机，与PMSM相比，BLDCM具有明显的优越性，反馈装置更简单，功率密度更高，输出转矩更大，控制结构更为简单，使电机和逆变器各自的潜力得到充分的发挥。因此，无刷直流电机的应用和研究受到了广泛的重视，凭其技术优势在许多场合取代了其它种类的电动机。特别是在微特电机领域，在小功率，高转速的调速领域，如航空航天、机器人、数控机床等精密传动领域，无刷直流电机都占据着主要位置。近年来，无刷直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（pulse width modulation，简称PWM）控制方式已成为绝对主流。这种控制方式很容易在计算机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。1.3 脉冲宽度调制（PWM）技术的概述除了能通过改变输出电压脉冲的幅值对输出进行调节和控制外，功率半导体开关器件的开关动作还可以有另外两种可能的基本控制模式：脉冲宽度调制和脉冲频率调制。对于脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM），功率半导体开关器件的开关频率相对固定不变，通过控制开通或关断的时间达到控制变换目的，因此也常被称为定频调宽控制；在脉冲频率调制（pulse frequency modulation，PFM）中，功率半导体开关器件的开通或关断的时间相对恒定，通过改变开关的频率达到控制变换的目的，所以也常被称为定宽控制。由于脉冲宽度调制的分析、控制和实现都较脉冲频率调制简单，因此应用更广泛，被绝大多数逆变器所采用。1964年，德国的A.Schonung等人把通信系统中的调制概念推广应用变频调速系统，为现代逆变技术实用化和发展开辟了崭新的道路。经过三十多年的发展，PWM技术日益成熟并被广泛应用于各种逆变装置中。近十几年，随着微处理器技术的飞速发展，数字化PWM技术又为传统的PWM技术注入了新的内涵，使得PWM方法和实现不断优化和翻新，从早期的追求电压波形正弦，到电流波形正弦，再到控制负载电机的磁通正弦，并进而发展到提高系统效率、降低电机转矩脉动和减小谐波噪声等，PWM技术正处于一个不断创新、不断发展的阶段。目前，国际、国内的学术界和工程界仍在不断地探索和创新中，足见该领域的研究和发展方兴未艾。大部分逆变器装置的负载都是三相交流电机，因此对于大多数逆变装置而言，其PWM控制策略的选择、设计和优化不但要关心PWM技术的共性问题，而且更要考虑如何改善逆变装置供电下电机的工作性能，如减小电机的转矩脉动、提高电机的效率、扩大调速范围等。计算机技术和大规模集成电路的飞速进步，极大地简化了实施SPWM及矢量控制等复杂技术的方法，增强和扩展了变频器的功能，使变频调速技术迅猛地发展起来。在各种功能的设定方面，早期的模拟量设定将被数字量设定所取代；设定项目也将由几个升至几十个乃至近千个；逆变管GTR将更新为IGBT；变频器的容量将能做到数千千伏安以上等。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为深刻。现在大量应用的逆变电路中，绝大部分都是PWM型逆变电路。可以说PWM控制技术正是赖于在逆变电路中的应用，才发展得如此成熟，才确定了它在电力电子技术中的地位。1.4 本课题的主要任务及内容本课题的任务首先是在Matlab环境下，对采用正弦脉冲宽度调制（SPWM）的感应电机闭环变压变频调速系统进行建模与仿真。并根据仿真结果得到电机的电流，电压，转速等波形图。其次利用以TMS320F240为核心设计采用正弦脉冲宽度调制（SPWM）控制双闭环直流调速系统。并观测系统稳态与动态特性以及有关参数变化的影响。基于此任务，本课题的另一个内容是硬件调速系统的实现，在掌握直流电机工作原理和整个设计系统的原理的基础上，在事先熟悉的软件环境下进行建模与仿真。在理论分析和仿真研究的基础上，实现调速系统，观测不同调制方式与有关参数变化对系统性能的影响，作比较研究。本文介绍了计算机控制的直流电机的电路原理、方案设计及主要任务。具体内容安排如下：第一章扼要介绍了该课题背景、主要任务和内容；第二章主要对总体方案进行论述；第三章介绍了闭环直流调速系统的结构及其工作原理；第四章介绍了脉冲宽度调制（PWM）控制技术的原理、采样方法等等；第五章主要是具体软件模拟仿真与硬件连接，包括在Matlab环境下对采用正弦脉冲宽度调制（SPWM）的感应电机闭环变压变频调速系统进行建模与仿真。在理论分析和仿真研究的基础上，利用以TMS320F240为核心构成的全数字控制感应电机变频调速实验系统设计一个采用正弦脉冲宽度调制（SPWM）的直流电机闭环变压变频调速系统。第2章 总体设计方案2.1 概述DSP作为控制系统的主要组成部分，它们强大的功能和使用的方便以及编程的简单，使得它们在现代控制技术中广泛应用。利用Matlab，对采用正弦脉冲宽度调制（SPWM）的感应电机开环变压变频调速系统进行建模与仿真；在理论分析和仿真研究的基础上，对调速系统进行硬件的设计和连接，通过观测仿真模拟和硬件连接得到的调速系统各方面性能进行讨论。并总结出SPWM调速技术对直流电机调速的特点。2.2 调速系统的设计方案变频调速系统原理框图如图2.1所示。它是控制部分、驱动部分、检测部分和主电路部分组成。在本课题中，主要设计的是控制系统部分。第一个任务是在Matlab环境下，进行采用正弦脉冲宽度调制（SPWM）的感应电机开环变压变频调速系统进行建模与仿真。第二个任务是对采用主要由DSP组成的控制系统的直流变频调速系统进行设计和连接；最后讨论调速系统的稳态与动态特性以及有关控制参数的影响。Matlab语言集成度高，使用方便，输入简洁，运算高效，内容丰富，并且很容易由用户自行扩展，并有控制系统、信号处理、图像处理、系统辨识、模糊集合、神经元网络及小波分析等20余个工具箱，Matlab由于强大的功能，在欧美等国家的一些大学里，Matlab已经成为诸如数字信号处理、自动控制理论等课程的主要工具软件。使用Matlab可以方便快速的进行对于采用正弦脉冲宽度调制（SPWM）的感应电机开环变压变频调速系统的建模与仿真。图2.1 基于DSP变频调速系统的原理框图第3章 直流调速系统按照传动电动机的类型来分，电气传动有直流传动与交流传动两大类。尽管目前各种类型的交流调速系统得到了普遍的重视和较快的发展，但因为直流电机具有较大的启动转矩，良好的启动、制动性能，以及易于在宽范围内实现平滑调速，所以直流调速系统至今仍然是自动调速系统的一种主要形式。直流调速系统的分类：V-M闭环调速系统（单闭环无静差调速系统，转速、电流双闭环调速系统）；可逆直流调速系统；无环流可逆调速系统等等。本毕业设计是关于转速、电流双闭环直流调速系统。下面介绍该直流调速系统：3.1 转速、电流双闭环直流调速系统的组成及特性对于要加入转速和电流两个闭环的调速系统，为了在起动过程中只有电流负反馈起作用以保证最大允许恒定电流，不应让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端；到达稳态转速后希望能使转速恒定，静差尽可能小，应只要转速负反馈，不再靠电流负反馈发挥主要作用。图3.1所示为转速、电流双闭环调速系统的原理框图。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置了两个控制器，分别调节转速和电流，二者之间实行串联连接。首先，根据所检测到的电动机转子位置信号，计算得其当前转动速度；然后，与速度参考值比较，得到速度误差信号，作为转速控制器(ASR)的输入。转速控制器的输出就是相应的电流参考信号，该信号与实际的电动机相流信号比较，得到的误差值作为电流控制器(ACR)的输入。电流控制器的输出经转化后将适当的PWM(脉冲宽度调制)信号施加到电动机功率变换模块上，通过控制功率晶体管的开通关断顺序和时间，改变电动机定子绕组中电流的大小和绕组的导通顺序，从而实现对无刷直流电动机转速和输出转矩的控制。从闭环结构上看，电流调节环在里面，是内环；转速调节环在外面，叫做外环。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即转速负反馈和电流负反馈。二者之间实行嵌套联接，如图3.1所示，把转速调节器输出当作电流调节器的输入，再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，称为内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭调速系统。图3.1 转速、电流双闭环直流调速系统两个控制器的作用分别为：速度控制器的主要作用：(1)使转速n跟随给定电压变化，稳态无静差；(2)对负载变化起抗扰作用，抑制转速波动；(3)其输出限幅值决定允许的最大电流，在起动时给出最大电流给定信号。电流控制器的主要作用：(1)使电流跟随转速调节后的给定值变化；(2)对电网电压波动起及时抗扰作用；(3)启动时保证获得允许的最大电流；(4)当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护作用。3.2 双闭环调速系统的特性 3.2.1 稳态结构根据双闭环系统原理在掌握PI调节器稳态输出具有限幅的特点后，就可以绘制双闭环调速系统的稳态结构(图3.2)。调节器的输出归纳为两个特征：而当调节器输出饱和输出达到限幅值时，输入量的变化不再影响输出；当调节器不饱和、输出未达到限幅值时，比例积分作用使稳态输入偏差电压总是为零。图3.2 双闭环调速系统的稳态结构当系统处在稳态运行时，两个调节器都应未达到预先设计的饱和程度。由于ASR和ACR均采用PI调节器，因此它们的输入偏差电压都是零，即(3.1) (3.2)可见，稳态工作点上转速n是给定电压决定的，给定电流是由负载电流决定的，而控制电压的大小则同时 和，或n和。根据调节器的给定与反馈值可计算反馈系数：转速反馈系数：(3.3) 电流反馈系数： (3.4)最大给定电压受运算放大器的允许输入电压限制，而最高转速和最大电流受电动机设计容量和结构的限制。3.2.2 双闭环调速系统的稳态特性双闭环调速系统的理想稳态特性如图3.4所示。在正常负载时，双闭环调速系统的速度调节器ASR不饱和，依靠ASR的调节作用，表现为转速无静差保证系统具有较硬的机械特性（稳态运行无静差）。这时，）时，由于转速下降，ASR迅速饱和状态，同时输出限幅值。此时ASR失去了调节作用，转速的变化对系统不再产生影响，从而转速外环呈现开环状态，系统在固定的最大给定电流（ASR的限幅值）作用下，依靠电流环对电流继续进行调节，系统由恒转速变为恒电流调节，成为一个电流无静差的单闭环系统，从而获得了极好的下垂特性，如图3.3的AB段所示。然而运算放大器的开环放大系数并非无穷大，静特性的两段实际上都略有很小的静差。因此实际的特性如图3.3的虚线所示。图3.3双闭环调速系统的稳态特性从静特性上看，转速环要求电流迅速地跟随转速变化，而电流环则力图保持电流不变，这种性能有使静特性变软的趋势，但它对于包在外面的速度反馈来说相当于一种扰动作用。只要速度ASR的放大系数足够大且没有饱和，则电流负反馈的扰动作用就会受到抑制。即当速度调节器ASR不饱和时，电流负反馈使静特性可能产生的速降完全被ASR的积分作用消除。3.2.3 双闭环调速系统的动态特性1. 双闭环调速系统的动态数学模型双闭环调速系统的电流调节器和速度调节器都是PI调节器，因此它们的传递函数就是PI调节器的传递函数。ASR的传递函数为(3.5)ACR的传递函数为：(3.6)式中，分别是ASR和ACR的稳态放大系数；，分别是ASR和ACR的超前时间常数。图3.4 双闭环调速系统的动态结构按照稳态结构图的形式，代入各环节的传递函数，便可得双闭环系统的动态结构图如图3.4所示。为了减缓突加给定时的冲击，图中还应该在给定环节中增加一个具有相同时间常数的给定积分器。2. 双闭环调速系统起动过程分析下面讨论双闭环调速系统突加给定电压Un时的起动过程，由静止状态起动时系统中各物理量的过渡过程大致如图3.5所示。在起动过程中转速调节器ASR 经历了不饱和、饱和、退饱和3个阶段,整个过渡过程也就分成了3段，在图中分别标以I、II、III。双闭环调速系统的起动过程有三个特点：图3.5 双闭环调速系统起动时的转速和电流波形（1）饱和非线性控制。随着ASR的饱和与不饱和，整个系处于完全不同的两种状态，在不同的情况下表现为不同结构的线性系统，因此我们只能采用分段线性化的方法来分析，而不能简单地用线性控制理论来分析整个起动过程，也不能简单地用线性控制理论来笼统地设计这样的控制系统。（2）准时间最优控制。在设备允许条件下实现最短的时间的控制称作“时间最优控制”，对于电力拖动系统，在电动机允许过载能力限制下的恒流起动，这就是时间最优控制。但由于在起动过程、两个阶段中电流不能突变，实际起动过程与理想起动相比还有一些差距，不过这两段时间只占全部起动时间中的很小的成分，对整个起动过程影响很小，我们可以把这种最优控制称为“准时间最优控制”。采用饱和非线性控制的方法实现准时间最优控制是一种很有实用价值的控制策略，在各种多环控制系统中普遍地得到应用。（3）转速超调。因为转速调节器ASR采用的是PI 调节器时，因此必然存在转速超调。转速略有超调一般是容许的，但是对于完全不允许超调的系统，应采用能抑制超调的控制方式。3.2.4 转速、电流双闭环调速系统静动态品质评价从静特性上看，电流负反馈虽有使静特性变软的趋势，但它对于包围在外围的速度反馈环来说相当于一种扰动作用。但是只要速度调节器ASR的放大系数足够大且没有饱和，电流负反馈的扰动作用就会受到抑制。也就是说，当速度调节器ASR不饱和时，电流负反馈使静特性可能产生的速降完全能被ASR积分作用消除。一旦ASR饱和，转速环失去作用，仅电流环在起作用，这时系统表现为恒流调节系统。从动态响应过程上看，突加给定电压时，转速负反馈还来不及反应出来，转速调节器便很快处于饱和状态，输出恒值限幅电压，经过电流调节器使电机很快启动。之后，虽然转速反馈电压增大，但由于ASR的积分作用，只要转速反馈电压小于速度给定电压，ASR输出就维持在限幅值上，直到转速产生超调。因此在启动过程中，相当于速度环处于开环状态，系统只在电流环的恒值调节作用下，保证电机恒最大电流（转矩）下启动，直到转速超调后速度环才开始真正发挥作用。由此看来，这样组成的双闭环系统，在突加给定的过渡过程中表现为一个恒值电流调速系统，在稳态和接近稳态运行中又表现为无静差调速系统。既发挥了转速和电流两个调节器各自的作用，又避免了在单环系统中两种反馈牵制的缺陷，从而获得了良好的静、动态品质。直流调速系统的调速方式有多种，但由于PWM调速方式较其他方式有很多的优点（见本文绪论），本方案采用的是脉冲宽度调制（PWM）方式的一种正弦脉冲宽度调制（SPWM）。在下章将对脉冲宽度调制进行介绍。第4章 脉冲宽度调制4.1 PWM控制技术的基本原理PWM脉宽调制，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变周期来控制其输出频率。而输出频率的变化可通过改变此脉冲的调制周期来实现。这样，使调压和调频两个作用配合一致，且于中间直流环节无关，因而加快了调节速度，改善了动态性能。由于输出等幅脉冲只需恒定直流电源供电，可用不可控整流器取代相控整流器，使电网侧的功率因数大大改善。利用PWM逆变器能够抑制或消除低次谐波。加上使用自关断器件，开关频率大幅度提高，输出波形可以非常接近正弦波。 PWM基本原理脉宽调制（PWM）。控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次斜波谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。 在采样控制理论中有一个重要的结论，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。冲量既指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同。是指该环节的输出响应波形基本相同。如把各输出波形用傅里叶变换分析，则它们的低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。根据上面理论我们就可以用不同宽度的矩形波来代替正弦波，通过对矩形波的控制来模拟输出不同频率的正弦波。 例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（即冲量）相等，就得到一组脉冲序列，这就是PWM波形。如图4.1可以看出，各脉冲宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。图4.1用PWM波代替正弦半波在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可，因此在交直交变频器中，整流电路采用不可控的二极管电路即可，PWM逆变电路输出的脉冲电压就是直流侧电压的幅值。 根据上述原理，在给出了正弦波频率，幅值和半个周期内的脉冲数后，PWM波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。PWM是对脉冲的宽度进行调制。如果脉冲的宽度是按正弦规律变化(进行调制)的，则称为SPWM。4.2 PWM逆变电路及其控制方法PWM控制技术在逆变电路中的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM控制技术。逆变电路是PWM控制技术最为重要的场合。逆变电路可分为电压型和电流型两种。目前实际应用的PWM逆变电路几乎是电压型电路，下面介绍电压型的PWM逆变电路的控制方法。4.2.1 计算法和调制法根据PWM控制的基本原理,如果给出了逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数,PWM波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制逆变电路中各开关器件的通断,就可以得到所需要的PWM波形,这种方法称之为计算法。可以看出,计算法是很繁琐的,当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位变化时,结果都要变化。与计算法相对应的是调制法,即把希望输出的波形作为调制信号,把接受调制的信号作为载波,通过信号波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波,其中等腰三角波应用最多。因为等腰三角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称,当他与任何一个平缓变化的调制信号波相交时,如果在交点时刻对电路中开关器件的通断进行控制,就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲,这正好符合PWM控制的要求。在调制信号波为正弦波时,所得到的就是SPWM波形,这种情况应用最广。当调制信号不是正弦波,而是其他所需要的波形时,也能得到与之等效的PWM波。下面以具体电路介绍调制法。图4.2 单相桥式PWM逆变电路图4.2是采用IGBT作为开关器件的单相桥式电压型逆变电路。设负载为阻感负载，工作时和的通断状态互补，和的通断状态也互补，具体的控制规律如下：在输出电压的正半周，让保持通态，保持断态，和交替通断。由于负载电流比电压滞后，因此在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。在负载电流为正的区间，和导通时，负载电压等于直流电压；关断时，负载电流通过和续流，=0。在负载电流为负的区间，仍为和导通时，因为负，故实际上从和流过，仍有=；关断，开通后，从和续流，=0。这样，总可以得到和零两种电平。同样，在的负半周，让保持通态，保持断态，和交替通断，负载电压可以得到-和零两种电平。图4.3 单极性PWM控制方式波形控制和通断的方法如图4.3所示。调制信号为正弦波，载波在的正半周为正极性的三角波，在的负半周为负极性的三角波。在和的交点时刻控制IGBT的通断。在的正半周，保持通态，保持断态，当时使导通，关断，=；当时使关断，导通，=0。在的负半周，保持断态，保持通态，当时使关断，导通，=0。这样，就得到了SPWM波形。图中的虚线表示中的基波分量。像这种在的半个周期内三角波载波只在正极性或负极性一种极性范围内变化，所得到的PWM波形也只在单个极性范围变化的控制方式称为单极性PWM控制方式。图4.4 双极性PWM控制方式波形和单极性PWM控制方式相对应的是双极性控制方式。图4.2的单相桥式逆变电路在采用双极性控制方式时的波形如图4.4所示。采用双极性方式时，在的半个周期内，三角波载波不再是单极性的，而是有正有负，所得的PWM波也是有正有负。在的一个周期内，输出的PWM波只有两种电平，而不像单极性控制时还有零电平。仍然在调制信号和载波信号的交点时刻控制各开关器件的通断。在和的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。即当时，给和以导通信号，给和以关断信号，这时如0，则和通，如0，则和通，不管哪种情况都是输出电压=。当时，给以和导通信号，给以和关断信号，这时0，则和通，不管哪种情况都是=-。4.2.2 异步调制、同步调制和分段同步调制在PWM控制电路中，载波与调制信号频率之比P=/称为载波比。根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式可分为异步调制、同步调制和分段同步调制三种。（1）异步调制在调制信号频率变化时保持载波信号频率不变的调制方式称为异步调制。显而易见，在异步调制方式中，由于载波频率保持固定不变，在调制波频率连续变化的时候，载波比也将发生相应的连续变化，结果是每个调制波周期内PWM输出的脉冲中心位置将发生连续移动，脉冲的数目，也就是调制比，也不一定是整数。所以异步调制的缺点是：除非载波比恰好等于某些特殊的整数，输出PWM脉冲的对称性不可能得到保证。它的优点是：由于载波频率是固定的，在利用微处理器进行数字化控制时就会感到非常方便，软件得以大大简化。当调制波频率较低时，载波比P较大，一周期内的脉冲数较多，正负半周期脉冲不对称和半周期内前后1/4周期脉冲不对称产生的不利影响都较小，PWM波形接近正弦波。当调制波频率增高时，载波比P减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大没，有时调制波的微小变化还会产生PWM脉冲的跳动。这就使得输出PWM波和正弦波的差异变大。对于三相PWM型逆变电路来说，三相输出的对称性也变差。因此，在采用异步调制方式时，希望采用较高的载波频率，以使在调制波频率较高时仍能保持较大的载波比。（2）同步调制如果在改变调制信号频率的同时，成比例地改变载波信号的频率，从而使得PWM脉冲的载波比P等于常数，同时在变频时使载波信号和调制信号始终保持同步，这种调制方式被称为同步调制。在基本同步调制方式中，调制波频率变化时载波比P不变，调制波一个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的。在三相PWM逆变电路中，通常公用一个三角波载波，且取载波比为3的整倍数，以使三相输出波形严格对称。同时，为了使一相PWM波正负半周镜对称，P应取奇数。当逆变电路输出频率很低时，同步调制时的载波频率也很低。过低时由调制带来的谐波不易滤除。当负载为电动机时也会带来较大的转矩脉动和噪声。当逆变电路输出频率很高时，同步调制时的载波频率会过高，使开关器件难以承受。为了克服上述缺点，可以采用分段同步调制的方法。（3）分段同步调制分段同步调制就是把逆变电路的输出频率范围划分成若干个频段，在每个频段内都保持载波比P为恒定不变，不同频段的P值也不同。不同频段比，以使载波频率不致过高，限制在功率开关器件允许的范围内，在输出频率低的频段采用较高的载波比，以使载波频率不致过低而对负载产生不利影响。各频段的载波比取3的整数倍且为奇数为宜。频段的划分和载波比的改变重要考虑：一方面尽可能充分利用功率半导体开关器件的开关频率，另一方面又要避免控制软件过于复杂。在调制波频率的高频段采用较低的载波比，以使载波频率不致太高，从而可以将功率半导体开关器件的开关频率限制在允许的范围以内；在调制波频率的低频段采用较高的载波比，避免因载波比太低而对负载的运行产生不利的影响。若调制波频率继续降低，则干脆转入异步模式。4.3 直流PWM变换器的基本类型和工作原理1. 直流PWM变换器的基本类型图4.5四象限PWM变换器的电路结构及其特性直流PWM变换器的基本电路结构有几种，而且它们工作于不同的状态，本方案采用的是四象限PWM变换器，图4.5分别是它的电路结构和特性。四象限PWM变换器，平均负载电压和电流都是可逆的。2. 直流PWM变换器的工作原理按照能否给电机提供可逆运转的电枢电压以及电枢脉冲电压在一个开关周期中具有单一极性还是双极性，直流PWM变换器供电电路可以分为不可逆PWM变换器、双极式可逆PWM变换器、单极式可逆PWM变换器等类型。因为本方案采用的是双极性可逆PWM变换器，并运行于双极式控制方式。下面介绍可逆PWM变换器工作运行于双极式控制方式时的工作原理。图4.6 可逆PWM变换器电路在图4.6的电路中，4个GTR按对角线分为两组，两组交替导通和关断。与同时导通和关断，驱动信号；和同时导通个关断，。驱动信号及波形见图4.7，下面将一个开关周期分几个区间加以说明。当时，为正，与饱和导通；而，与截止，这时电枢端电压，电枢电流为正。当时，为负，与截止；为正，但和并未导通，因电枢电流经、续流，使与承受反压而截止，由此。电枢端电压在一个周期内极性正负相间，双极式由此而得名。如果电动机负载较重，较大，始终为正，则在断续期间与处于截止状态。电动机一直工作在电动状态，如图4.9中的。如果负载较轻，如图4.9中的，在续流段很快衰减到零，与因此失去反压而导通，得以反向，在和反电势力的共同作用下沿回路3流通，电机处于反接制动状态。同理，在期间，电流也有一次倒向。图4.7 双极式PWM变换器电压电流波形定义，调速时，导通比的变化范围。应注意，当导通比为零时电枢平均电压为零，电动机停转，不过这时电枢电压的瞬间值不为零，从而产生平均值为零的交变电流，增加了电动机的损耗和发热，同时使电动机产生微振。这一特性在电机启动时正好起着动力润滑的作用，可以消除正、反向的静摩擦死区。为防止双极方式下可能出现上下桥臂直通的问题，必须在两状态之间设置死区时间，使上下桥臂做到先关后开。双极方式PWM控制在直流电动机专用集成电路中用得很多。4.4 有关SPWM控制的计算法由于逆变器应用场合不同，负载特性和要求也各异，到目前为止并没有一种PWM方法能够兼顾各方面的要求。随着逆变技术和微处理器性能（现在绝大多数PWM控制都是通过微处理器来实现）的不断发展，传统PWM控制方法不断受到新的控制的挑战，新思想、新方法和新技术层出不穷，形成了逆变控制技术蓬勃发展的景象。PWM控制中最常使用的几种方法：正弦脉冲宽度调制、准最优正弦脉冲宽度调制、消除特定谐波脉冲宽度调制、空间电压矢量脉冲宽度调制和瞬时值跟踪型脉冲宽度调制。本方案采用的是正弦脉冲宽度调制（SPWM）。本毕业设计最主要的任务就是通过产生不同的SPWM波，即采用SPWM调制方式实现对电机转速的控制。所以下面介绍SPWM控制的计算法。（1）面积等效法正弦脉宽调制的基本原理就是按照面积相等的原则构成与正弦波的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形。根据已知数据和正弦数值可以依次算出每个脉冲的宽度，用于查表或实时控制。这是一种最简单的算法。（2）自然采样法移植模拟控制的方法，计算正弦调制波与三角载波的交点，从而求出相应的脉宽和脉冲间歇，生成SPWM波形。（3）规则采样法自然采样法的主要问题是，SPWM波形每个脉冲的起始和终了时间对三角波的中心线不对称，这种方法要求解复杂的超越方程，在采用微机控制技术使需花费大量的计算时间，难以在实时控制中在线计算，因此在工程上实际应用不多。规则采样法是将三角波的负峰值对应的正弦调制波值（E点）作为采样电压值,由E点水平截取A、B两点，在A、B两点对应时刻控制功率器件的通断。由规则采样法说明图图4.7得到了关系式(1) 。在关系式(1) 中， 表示需调制的正弦波角频率，表示采样时刻，=表示三角载波频率。为调制指数，且0，1） 。(4.1)由此可得 (4.2)图4.8 规则采样法说明图从图4.7可以看出要输出正弦SPWM波，必须将式(4.2)表示的三角形面积S 转换为面积相同、幅值相等而宽度随采样时刻不同而不等的矩形脉冲波。对式(4.2) 离散化处理，并对PWM 波的幅值进行标准化，即令幅值为1，得到求占空比的表达式(4.3) 。(4.3)在式(4.3) 中， 为占空比， 为载波周期，为正弦波周期，为当前第 个PWM脉冲波，为一个正弦波周期内共需个PWM 脉冲， 0 ， 。因此可以通过 值和 值由(4.3) 式计算当前时刻的SPWM波的占空比。4.5 利用软件产生SPWM脉冲随着各种各样微处理器性能的不断提高，微处理器在逆变器控制中的应用越来越广泛，利用软件完成PWM控制已基本取代硬件电路，成为逆变器PWM控制的主角。与此同时也正是借助微处理器的强大计算和逻辑处理能力，很多先进的PWM策略才真正得以推广使用。下面介绍怎样利用软件产生SPWM脉冲。4.5.1 数字三角波的产生、PWM的输出微处理器可以简单地利用一个循环计数器来产生灵活可控的三角波，循环计数器对固定频率时钟信号进行计数。它先从0开始加1计数，当加到设定的蜂值后变为减1计数，在减到0后又重新开始下一轮的加1计数。如此循环的连续加/减工作就可以产生三角波载波信号，很明显的周期，也就是载波周期和开关周期等于2/。而且是用数字表示的。有了三角波载波以后，接下来的就是根据计算好的PWM控制规律输出买好厂的宽度。设脉冲的卷度占整个周期的比例为，那么就可以将=（1-）和循环计数器的输出一起送入数字比较器的两个输入端。同用数字表示的三角载波一样，调制波也是用数字表示的。数字比较器对三角波和调制信号进行比较：假设当时比较器输出低电平，而当时比较器输出的是高电平，那么比较器输出脉冲就是宽度正比于的脉冲调制信号。4.5.2 关键的控制参数在利用软件产生PWM脉冲的过程中，需要的计算和确定量主要有，这4个。由于上用数字比较器比较产生PWM脉冲，因此计数器的计数脉冲频率的大小就直接决定着脉冲宽度控制的分辨率。越高意味这每个计数间隔对应的时间也越短，PWM脉冲宽度调整和开展的分辨率也越高。对于开关周期较小的高频逆变器来说这一点是非常重要的，为了保证足够的控制精度，就必须采用较高频率的计数脉冲，当然这一般也就意味这工作速度更高的微处理器。因为一个载波周期，所以计数器计数的最大值控制着PWM输出脉冲的频率，而逆变器开关频率，所以在确定了开关频率之后，就可以计算出计数器控制所需要的。至于和，它们实际上是体现了某种PWM控制策略的本质。比如对于SPWM，若采用图4.9所示的规则采样法，就有和，其中和分别对应采样时刻和规则采样的结果。由于角度的不同，在每个载波周期，PWM脉冲的宽度都可能不一样。一般情况下，在每个载波周期的起点都必须根据所设计的PWM控制方法以及输出电压幅值和频率的要求，计算出该载波周期内脉冲的宽度，然后刷新比较器相对应的输入数据。第5章 软件设计与硬件调试5.1 MATLAB语言及特点MATLAB是矩阵实验室，它是由美国MathWorks公司于1984年推出的一种科学计算软件。1988年推出了3.x（DOS）版本，1992年推出了4.x（Windows）版本，1997年推出了5.1（Windows）版本，然后就是6.0版本和7.0版本。随着新版本的推出，MATLAB的扩展函数越来越多，功能越来越强大。MATLAB语言是一