毕业设计论文直流PWM调速系统设计仿真

1、摘 要当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动在主流在现代化生产中起着主要作用。本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。微机技术的快速发展，在控制领域得到广泛应用。本文对基于微机控制的单闭环可逆直流pwm调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了单闭环直流pwm调速系统的数学模型，用微机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将微机和电力拖动控制相结合的新的控制方法，研究工

2、作在对控制对象全面回顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。在硬件方面充分利用微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，实现对转速、电流双闭环调速系统的控制。论文分析了系统工作原理和提高调速性能的方法，研究了igbt模块应用中驱动、吸收、保护控制等关键技术.在微机控制方面，讨论了数学模型的建立、数字测pwm调制器、双极式h型pwm变换电路、pid控制器的设计以及原理。通过伯德图分析了系统的稳定性，并利用simulink设计出来稳定的调速系统。在硬件方面，以单片机89c51为核心，分别采用了驱动芯片l29

3、3d、ad转换器adc0809等芯片与一些外围电路。关键词：直流可逆调速，pwm ，pid调节器，simulinkabstractrecently, automatic control systems have been widely used and developed in our daily life. the control of dc speed regulation lies a significant difference to the modernized industry in the main field. this paper is going to be focused

4、 on the dc speed control system. it is composed of three unites, controlling, power and dc motor. there have been many remarkable advantages for a long time because of its smart speed regulating, smooth transformation and great performance. with the rapid development of microcomputer, it is widely u

5、sed in the control field. this paper has proposed a reversible dc-pwm timing system with a converter and closed-loop. beginning with the theory of the dc timing system, this article has build up the mathematics model of the reversible dc-pwm timing system for discussing a new control method that com

6、bines a microcomputer with dc-drive. based on the overall review of control object, the control system which includes the discussion of hardware, control policy and pid controller etc has been emphasized quite a lot. in the hardware, it fully utilizes the advantage of microcomputer which is abundant

7、 to the interface and fast speed so as to realize the control of the system. the stability of the system have been testified through figure bode. and with the simulink we have designed a stable speed controlling system. in the aspect of microcomputer control, we discussed the principle of number tou

8、ched, number velocity testing, velocity controller, number pwm modulator and so on. this scheme is based on the core of 89c51 single chip, using the chips of adc0809/l293d and some peripheral circuits. by real time testing and adjusting the motors velocity, this timing system can get quick and exact

9、 timing result.key words：the speed controlling of dc motor, pulse-width modulation, pid controller, simulink目 录中文摘要abstract1 绪论11.1课题的背景及意义11.2直流调速系统国内外研究现状11.3本文的研究内容32 调速系统基本原理分析42.1单闭环直流调速系统简介42.1.1 控制要求42.1.2直流电动机的调速方案42.1.3开环系统机械特性和闭环系统静特性52.2 可逆pwm变换器72. 2.1 pwm控制技术的基本原理72.2.2 桥式可逆pwm变换器82.2.3

10、 脉宽调速系统的开环机械特性92.2.4 pwm变换器环节的数学模型112.3 电力晶体管的开关过程、开关损耗和最佳开关频率113 动态模型和稳定性分析143.1 反馈控制闭环直流调速系统的动态模型建立143.2 参数选择和稳态分析173.2.1 闭环直流调速系统稳态参数计算173.2.2 单闭环直流调速系统反馈系统稳定性分析184 控制器的设计以及仿真结果分析204.1 控制器类型的介绍204.1.1 比例（p）控制204.1.2 积分（i）控制204.1.3 微分（d）控制214.2 pi调节器的设计214.3 仿真结果分析225 硬件设计245.1 直流调速系统整体框图245.2 直流调

11、速系统的主电路原理图255.3 主要芯片介绍255.3.1 单片机的介绍255.3.2 a/d转换芯片adc0809276 总结28参考文献291 绪论1.1 课题的背景及意义电气传动技术以电动机控制为控制对象，以微电子装置为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论指导下组成电气传动控制系统。因电机种类的不同分为直流电动机传动（简称直流传动）、交流电动机传动（简称交流传动）、步进电机传动（简称步进传动）、伺服电动机传动（简称伺服传动）等等。众所周知，与交流调速系统相比，由于直流调速系统的调速精度高，调速范围广，变流装置控制简单，长期以来在调速传动中占统治地位。在要求调速性能较高的

12、场合，一般都采用直流电气传动1。目前，通过对电动机的控制，将电能转换为机械能进而控制工作机械按给定的运动规律运行且使之满足特定要求的新型电气传动自动化技术已广泛应用于国民经济的各个领域。三十多年来，直流电机传动经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。由于直流电

13、气传动技术的研究和应用已达到比较成熟的地步，应用相当普遍，尤其是全数字直流系统的出现，更提高了直流调速系统的精度及可靠性。所以，今后一个阶段在调速要求较高的场合，如轧钢厂、海上钻井平台等，直流调速仍然处于主要地位。早期直流传动的控制系统采用模拟分离器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低2。随着计算机控制技术的发展，直流传动系统已经广泛使用微机，实现了全数字化控制。由于微机以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。所以，全数字直流调速控制精度和可靠性比模拟直流调速系统大大提高。而且通过系统总线全数字化控制系

14、统，能与管理计算机、过程计算机、远程电控装置进行交换，实现生产过程的自动化分级控制。所以，直流传动控制采用微机实现全数字化，使直流调速系统进入一个崭新的阶段。1.2 直流调速系统国内外研究现状电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的助推器，电力电机技术的迅猛发展，促使了电机控制技术水平有了突破性的提高。从20世纪60年代第一代电力电子器件晶闸管(scr)发明至今，已经历了第二代有自关断能力的电力电子器件gtr、gto、mosfet，第三代复合场控器件igbt、mct等，如今正蓬勃发展的第四代产品功率集成电路(pic)。每一代的电力电子元件也未停顿，多年来其结构、工艺不断改进，性能有了飞速提高，

15、在不同应用领域它们在互相竞争，新的应用不断出现。同时电机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术和微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步使电动机控制技术在近二十多年内发生了天翻地覆的变化。早期直流传动的控制器由模拟分离器件构成，由于模拟器件有其固有的缺点，如存在温漂、零漂电压，构成系统的器件较多，使得模拟直流传动系统的控制精度及可靠性较低。20世纪70年代以来，利用单片机作为控制器开始在电机控制系统中被广泛使用，如at89c51等。在单片机控制系统中，单片机作为系统控制的核心，主要用来完成一些算法，同时还要处理一些输入/输出、显示任务等，单片

16、机的使用使电动机控制系统的性能得到了很大提高3。微机，出现于20世纪70年代，随着大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展，微机的性能越来越高，价格越来越便宜。此外，电力电子的发展，使得大功率电子器件的性能迅速提高。因此就有可能比较普遍地应用微机来控制电机，完成各种新颖的、高性能的控制策略，使电机的各种潜在能力得到充分的发挥，使电机的性能更符合使用要求，还可以制造出各种便于控制的新型电机，使电机出现新的面貌。比较简单的电机微机控制，只要用微机控制继电器或电子开关元件使电路开通或关断就可以了。在各种机床设备及生产流水线中，现在已普遍采用带微机的可编程控制器，按一定的规律控制各类电机的动作。对于

17、复杂的电机控制,则要用微机控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等等,使电机按给定的指令准确工作。通过微机控制，可使电机的性能有很大的提高。传统的直流电机和交流电机各有优缺点，直流电机调速性能好，但带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等问题。交流电机，不论是异步电机还是同步电机，结构都比直流电机简单，工作也比直流电机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，它们的速度不能方便而经济地调节。电机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向之一。从80年代中后期起，世界各大电气公司都在竞相开发数字式调速传动装置，当流调速已发展到一个很高的技术水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安装技术；控

18、制方式采用电源换相、相位控制。特别是采用了微机及其他先进技术，使数字式直流调速装置具有很高的精度、优良的控制性能和强大的抗干扰能力，在国内外得到广泛的应用4。数字化直流调速装置作为最新控制水平的传动方式更显示了强大优势。数字化直流调速系统不断推出，为工程应用提供了优越的条件。采用微机控制后,整个调速系统实现全数字化，结构简单，可靠性高，操作维护方便，电机稳态运行时转速精度可达到较高水平。直流电机具有优良的调速特性，调速平滑，调速范围广，过载能力大,能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动，制动和反转，能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。由于微机具有较佳的性能价格比，所以微机在

19、工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。1.3 本文的研究内容设计出直流pwm调速系统，并利用仿真工具进行仿真，对其运行性能与优势进行分析。（1） 建立直流调速系统的数学模型；（2） 数字直流pwm调速系统的设计；（3） 参数的选择，以及系统稳定性的分析；（4） 基于matlab的直流pwm调速系统性能仿真；（5） 设计pid调节控制器，并调节系统的稳定性；（6） 硬件电路图的设计。总之，在掌握直流调速系统pwm控制工作原理以及单片机基本知识的前提下，设计直流调速系统的数学模型，对相应公式进行推导说明。设计系统的硬件电路图，应用matlab/simulink进行直流pwm调速系统性能进行仿真。

20、在应用bode 图对系统稳定性进行分析之后，设计出稳定合理的pid控制器一阶系统的稳定性，并对仿真结果加以分析说明2 调速系统基本原理分析2.1 单闭环直流调速系统简介2.1.1 控制要求在现代化工业生产中，生产机械都不停地运动着，几乎无处不使用电力传动装置。由于各种不同的生产机械运动规律不一样，对传动装置性能的要求也不一样。为了提高产品质量，增加产量，提高生产效率，越来越多的生产机械要求能实现转速调节与相应的自动化控制，并且对电力传动装置的拖动性能要求也越来越高。（1）调速在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（有级）或平滑地（无级）调节转速；（2）稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在

21、各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；（3）加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。2.1.2 直流电动机的调速方案 由电机学基本理论可知，直流电动机转速特性方程式为： （2.1）由上式可见，直流电动机调速方案可有以下三种。（1）改变电枢回路总电阻，总电阻越大，特性线斜率越大，机械特性越软。若负载转矩对应所需的电枢电流为，则负载大小不变时总电阻越大，转速越低。由于电阻耗能大，机械特性软，调速范围窄，不能实现无级平滑调速，只用于一些要求不高的场合。（2）减弱电机励磁磁通，普通电动机在额定磁通下运行，铁芯已接近饱和，

22、不能再增加磁通而只能减小。减小，增大，特性线斜率也增大。弱磁调速虽然能实现平滑调速，但其调速范围太小，特性较软，因而只是在额定转速以上作小范围升速时才采用。（3）改变电动机端电压调速时，额定励磁保持不变，理想空载转速随减小而减小，各特性线斜率不变，由此可实现额定转速以下大范围平滑调速，并且在整个调速范围内机械特性硬度不变。这种方法在直流电力拖动系统中被广泛采用。变电压调速要有可调的直流电源。根据供电电源的种类分两种情况：一是采用可控硅变流装置，将交流电转变为可调的直流电。二是采用直流斩波器，将交流电通过整流提供直流电源，实现脉冲调压调速。随着电力电子全控器件的成熟，采用全控电力晶体管igbt、

23、mosfet等全控式电力电子器件组成的直流脉宽调制（pwm）型的调速系统近年来已发展成熟，用途越来越广。第一个指标为调速范围，它是拖动系统在额定负载转矩时能够提供给生产机械的最高转速与最低转速之比。 （2.2）另一个指标为静差率，它是电动机由理想空载到额定负载时的转速降与理想空载转速之比。 （2.3）它表示负载变化引起调速系统的转速偏离原定转速的程度。系统的调速特性越硬，越小，说明系统的稳定性能越好。另外，转速越低，静差率越大，故调速系统静差率指标以最低转速对应的数值为准。在考虑生产机械对转速相对性（即静差率）的要求后，电动机最低转速受到了限制，也即调速范围受到限制。采用降压调速时，调速范围、

24、静差率及转速降三者关系为： （2.4）2.1.3 开环系统机械特性和闭环系统静特性图2.1 闭环调速系统的给定作用和扰动作用在这里为了分析简单，不单独讨论开环系统，由简单闭环系统引出开环系的特性。如图2.1的转速闭环调速系统，如果把闭环系统的反馈回路断开，成了开环系统，则上述系统的开环机械特性为 （2.5）而闭环时的静特性可写成 （2.6）其中 开环系统的理想空载转速；闭环系统的理想空载转速；开环系统的稳态速降；闭环系统的稳态速降；。闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多。在同样的负载扰动下，两者的转速降分别为 （2.7） （2.8）它们的关系是 （2.9）显然，当值较大时，比小得多，即闭

25、环系统的特性要硬得多。如果比较同一的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多。闭环系统和开环系统的静差率分别为 和 （2.10）当开环和闭环系统的稳态速降相等时 （2.11）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。如果电动机的最高转速都是而对最低速静差率的要求相同，则开环时 （2.12）闭环时 （2.13）要取得上述优越性，只要闭环系统设置放大器即可。总之，闭环系统可以获得比开环系统硬得多的特性，从而保证在一定静差率的要求下，能够提高调速范围。在闭环系统中降低速降的实质是：在开环系统中，当负载电流增大时电枢压降也增大，转速就降下来了；闭环系统有反馈装置，转速稍有降落，反馈电压就感

26、觉出来了，通过比较和放大，提高脉宽调制的输出电压，使系统工作在新的机械特性上，因而转速有所回升，速度降落降低。2.2 可逆pwm变换器2.2.1 pwm控制技术的基本原理采样理论中的一个重要理论：冲量相等而形状不同的窄脉冲家在具有惯性环节上时，其效果基本相同。这个原理成为面积原理，它是pwm控制5的重要理论基础。若将半个周期的正弦波分成n等份，就可以把正弦波看成是由n个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等为，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平的，各脉冲幅值按正弦规律变化。若将上述脉冲换成同等数量的等幅值而不等宽的矩形脉冲代替，是矩形脉冲和相应的正弦脉冲的面积相等，这就是pwm形。可以看

27、出，其幅值相等，而宽度按正弦规律变化，pwm系统的优点为（1）主电路线路简单，需用的功率器件少；（2）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；（3）动态响应相对较快，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，装置效率较高；（5）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。 pwm变换器的作用是：用pwm调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。pwm变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类，下面主要阐述可逆pwm变换器的工作原理。 2.2.2 桥式可逆pwm变换器可逆变换器主电路的结

28、构形式有h型、t型等多种类型，现在选用常用的h型变换器，它是由4个电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。h型变换器在控制方式上分为双极式、单极式和受限式三种。本设计选用双极式h型pwm型变换器5。图2.2绘出了双极式h型pwm变换器的电路原理图。图2.2 桥式pwm变换器原理图和同时导通和关断，其驱动电压和为正；和同时导通，其驱动电压=-。其波形如下图所示。在一个开关周期内，当时，和为正；晶体管和饱和导通；而和为负，和截止。加在ab两端，=，电枢电流沿回路1流通。时，和为负，晶体管和截止；而和为正，但是，和并不能立即导通因为在电枢电感释放储能的作用下，沿回路2经和续流，这时，= -，在一个

29、周期内正负相间。由于电压的正负变化使电流波形存在两种情况，具体如上图所示。相当于电动机负载较重的情况，这是平均负载电流大，在连续阶段电流仍维持正方向，电机始终工作在第一象限的电动状态。相当于负载很轻的情况，平均电流小，在续流阶段电流很快衰减到零，于是和c-e极两端失去反压，在负的电源电压（）和电枢反电动势的合成作用下导通，电枢电流反向，沿回路3流通，电机处于制动状态。与此相仿，在期间，当负载轻时，电流也有一次倒向。双极式pwm变换器的可逆要视正、负脉冲电压的宽窄而定。当正脉冲较宽时，则电枢两端的平均电压为正，在电动运行时电动机正转。当正脉冲较窄时，平均电压为负，电动机反转。如果正、负脉冲宽度相

30、等，平均电压为零，则电动机停止。图2.3 正向电动运行时的输出波形双极式可逆pwm变换器电枢平均端电压为： （2.14）以定义为pwm的占空比，则有 （2.15） 的变化范围为。当为正值时，电动机正转；为负值时，电动机反转；0时，电动机停止。在0时虽然电机不动，电枢两端的瞬时电压和瞬时电流都不是零，而是交变的。这个交变电流平均值为零，不产生平均转矩，陡然增大电机的损耗。2.2.3 脉宽调速系统的开环机械特性电动机所承受的电压仍为脉冲电压，因此尽管有高频电感的平波作用，电枢电流和转速还是脉动的。所谓稳态，只是指电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，电枢电流实际上是周期变化的，只是算作“准稳态

31、”。脉宽调速系统在准稳态下的机械特性是平均转速与平均转矩（电流）的关系。在双极式可逆pwm电路中，具有反向电流通路，在同一转向下电流可正可负，无论是重载还是轻载，电流波形都是连续的，这就使机械特性的关系式简单得多，对于双极式可逆电路，其电压方程为： () （2.16） () （2.17）如上两式所示，一个周期内电枢两端的平均电压都是,平均电流用表示，平均电磁转矩为 ,而电枢回路电感电压的平均值为零。平均值方程都可写成 （2.18）则机械特性方程式为 （2.19）图2.4绘出了第一、第二象限的机械特性，它适用于带制动作用的不可逆电路。可逆电路的机械特性与此相仿，只是扩展到第三、第四象限而已。图2

32、.4 脉宽调速系统的稳态性能图中所示的机械曲线是电流连续时脉宽调速系统的稳态性能。图中仅绘出了第一、二象限的机械特性，它适用于带制动作用的不可逆电路，双极式控制可逆电路的机械特性与此相仿，只是更扩展到第三、四象限了。对于电机在同一方向旋转时电流不能反向的电路，轻载时会出现电流断续现象，把平均电压抬高，在理想空载时，id = 0 ，理想空载转速会翘到 n0sus / ce 。 目前，在中、小容量的脉宽调速系统中，由于igbt已经得到普遍的应用，其开关频率一般在10khz左右，这时，最大电流脉动量在额定电流的5%以下，转速脉动量不到额定空载转速的万分之一，可以忽略不计。2.2.4 pwm变换器环节

33、的数学模型图2.5绘出了pwm控制器和变换器的框图，其驱动电压都由 pwm 控制器发出，pwm控制与变换器的动态数学模型和晶闸管触发与整流装置基本一致。按照上述对pwm变换器工作原理和波形的分析，不难看出，当控制电压改变时，pwm变换器输出平均电压按线性规律变化，但其响应会有延迟，最大的时延是一个开关周期 t 。图2.5 pwm变换器环节框图根据其工作原理，当控制电压改变时，pwm变换器的输出电压要到下一个周期方能改变。因此，脉宽调制器和pwm变换器合起来可以看成一个滞后环节，它的延时最大不超过一个开关周期t。则，当整个系统开环频率特性截至频率满足因此pwm控制与变换器（简称pwm装置）也可以

34、看成是一个滞后环节，其传递函数可以写成 （2.20）当开关频率为10khz时，t = 0.1ms ，在一般的电力拖动自动控制系统中，时间常数这么小的滞后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节，因此 （2.21）kp脉宽调制器和pwm变换器的放大系数。2.3 电力晶体管的开关过程、开关损耗和最佳开关频率晶体管开关状态的转换，具有其内部电荷的建立和符合过程，即使是纯电阻负载电路，也需要一定的时间。（1）开通时间从发射结开始正偏置，基极电压变正开始，到电流达到饱和值的时间称作晶体管的开通时间。开通时间包括延迟时间和上升时间。一般很小，可忽略不计，在上升时间内按指数规律增长。当时，接近它的饱和值,以后不会

35、再有明显的增加。可取，得到上升时间 （2.22）式中 晶体管放大区的时间常数；晶体管导通时的过饱和驱动系数；晶体管饱和时的集电极电流。（2）关断时间从基极电压变负开始，到电流衰减到零，晶体管完全截至的时间称作晶体管的关断时间关断时间包括存贮时间和下降时间，即。在存贮时间内，由于基区存有少数载流子，发射结仍处于正偏置，晶体管的工作点一直位于饱和区，没有明显的减少。存贮时间可用下式计算 （2.23）上式中，为晶体管截至时的负向过驱动系数。如果增大，则存贮时间也增加；若增大，则导致减小。一般选择载12的范围内比较合适。若截至驱动电流是理想脉冲电流，则晶体管退出饱和区后关断时集电极电流的下降过程为 （

36、2.24）初始条件是t=0时，代入上式得 （2.25）当时，代入上式，得到下降时间为 （2.26）如果增大，则下降时间减小，如果电流不是阶跃变化的，则下降时间增大。（3）开关损耗pwm变换器的功率损耗应包括饱和导通损耗、截至损耗和开关过程中的动态损耗三部分。饱和导通时，管压降只有0.7v，截至时，漏电流只有几毫安，损耗都很小，应此动态损耗是开关工作时的主要损耗。晶体管的开关过程包括开通过程和关断过程。开通过程主要是集电极电流的上升时间，关断过程包括存贮时间和下降时间。在存贮时间内，晶体管仍处于饱和导通状态，电流虽大，但管压降很小，因而功率损耗不大，和下降时间内的损耗相比也可以忽略不计。因此动态

37、损耗主要是和两段时间内的开关损耗。由于在开关过程中和的变化规律与负载有关，所以开关损耗也因负载而异。对于一般情况下，大多都是带续流二极管的电阻电感负载，在这种情况下电流的增大和减小都是在的条件下进行的。当电流仍按线性规律变化时，一个开关周期内的动态损耗为 （2.27）动态开关损耗仍与开关频率和开关时间成正比，在和都相同的情况下，动态损耗时纯电阻负载时的三倍。由于在电机拖动系统中，负载除电阻和电感外，还有电动势，动态损耗没有变化。这是因为在开关过程中续流二极管将负载短接，晶体管的集电极电压仍为。（4）最佳开关频率由前面的分析表明，pwm变换器的开关频率越高，则电枢的脉动越小，而且也容易连续，从而

38、能提高调速系统低速运行的平稳性。同时电流脉动小时，电动机的附加损耗也小。因此，从这些方面来看，pwm变换器的开关频率越高越好。但从开关损耗上看，随着频率的提高，晶体管的动态开关损耗便会成正比增加。从pwm变换器传输效率最高的角度上看，能使总损耗最小的开关频率才是最佳开关频率。在确定开关频率时，除必须考虑电流的连续性和总损耗最小等因素外，最好能使开关频率比调速系统的最高工作频率（通频带）高出十倍左右，使pwm变换器的延迟时间对系统动态特性的影响可以忽略不计。3 动态模型和稳定性分析3.1 反馈控制闭环直流调速系统的动态模型建立为了分析调速系统的稳定性和动态品质，必须首先建立描述系统的动态物理规律

39、和数学模型，对于连续的线性定长系统，其数学模型是常微分方程，经过拉氏变换，可用传递函数和动态结构图表示。建立系统动态数学模型的基本步骤如下：（1） 根据系统中各环节的物理规律，列出描述该环节动态过程的微分方程。（2） 求出各环节的传递函数。（3） 组成系统动态结构框图，并求出系统的传递函数。下图为本文直流闭环调速系统的等效电路1： 图3.1 直流闭环调速系统的等效电路假定主电路的电流连续，则动态方程为： （3.1）忽略粘性摩擦及弹性转矩，电动机上的动力学方程为： （3.2） 额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为： （3.3） （3.4）式中 包括电动机在内的负载转矩； 电力拖动系统折算到电动

40、机轴上的飞轮惯量； 额定励磁下电动机的转矩系数， ； 电枢回路电磁时间常数， ； 电力拖动系统机电时间常数， 。综合整理得： （3.5） （3.6）式中 负载电流， 。在零初始条件下，取等式两侧的拉氏变换，得电压与电流的传递函数为： （3.7）则有电压电流间的结构框图： 图3.2电压电流间的结构框图电流与电动势间的传递函数为： （3.8）则有电流电动势间的结构框图：图3.3 电流电动势间的结构框图合并得到：图3.4 直流电机的动态结构框图由上图可以看出，直流电动机有两个输入量，一个是施加在电枢上的理想空载电压，另一个是负载电流。前者是控制输入量，后者是扰动输入量。如果不需要在结构图中显现出电流

41、，可将扰动量的综合点移前，再进行等效变换，分别得到idl0 和idl = 0时的变换图，如图3.5所示 图3.5直流电动机的动态结构框图的变换和简化经过变化和简化可以得到直流调速系统的动态结构框图：图3.6 直流调速系统的动态结构图反馈控制环的开环传递函数为： （3.9）其中， 设idl=0，从给定输入作用上看，闭环直流调速系统的闭环传递函数是 ： （3.10）反馈控制闭环直流调速系统的特征方程为： （3.11）它的一般表达式为 （3.12） 根据三阶系统的劳斯-赫尔维茨判据，系统稳定的充分必要条件是 （3.13）因此稳定条件为 （3.14） （3.15）整理后得到 （3.15）式中右边称作系

42、统的临界放大系数 , 当 时，系统将不稳定。从稳态精度讲，希望k越大越好。但从动态稳定性的角度讲，的最大取值必须严格限制。因为对于一个自动控制系统来说，稳定性是它能否正常工作的首要条件。3.2 参数选择和稳态分析3.2.1 闭环直流调速系统稳态参数计算稳态参数2设计是自动化设计的第一步，它决定了控制系统基本构成环节。有了基本环节组成的系统之后，再进行通过参数的设计就更加简单。以下用igbt脉宽调速系统为为例： 电动机：额定数据为10kw,220v,55a,1000r/min，电枢电阻=0.5。电枢回路参数：=0.6， ， 。电压放大系数：=44测速发电机：永磁式，额定数据为32.1w，110v

43、，0.21a，1900r/min。系统运动部分的飞轮转量=10n电动机的电动势系数可以求得= （3.16）转速反馈系数：，根据测速发电机的数据，有 （3.17）取，则有：=0.01158 （3.18）各环节时间常数为=0.0083s （3.19） （3.20） （3.21） （3.22）3.2.2 单闭环直流调速系统反馈系统稳定性分析在判断稳定性时，我们可以利用伯德图6，即开环频域对数频率的渐近线。它可以确切的提供稳定性和稳定裕度的信息，同时能够大致衡量闭环系统稳态和动态性能。在伯德图上，用来衡量最小相位系统稳定裕度的指标是相角裕度和增益裕度，一般要求对上述系统，带入相应的传递函数，利用mat

44、lab环境里bode图画出系统的频域特性其伯德图7的相应程序为：> num=55.8;den1=conv(0.011 1,0.034 1);den=conv(0.0001 1,den1);g=tf(num,den);>> bode(g)得bode图为图3.7 原始系统的伯德图由图可知，系统不满足 和，因此系统不稳定。4 控制器的设计以及仿真结果分析4.1 控制器类型的介绍在工程实际中，应用最广泛的调节器规律为比例，积分，微分控制，简称pid控制，又称pid调节8。pid控制器问世至今已有近70年历史,它以其结构简单，稳定性好，工作可靠，调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当

45、被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用pid控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用pid控制技术。pid控制，实际中也有pi和pd控制。pid控制器就是根据系统的误差，利用比例，积分，微分计算出控制量进行的。4.1.1 比例（p）控制比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。偏差一旦产生，控制器立即就发生作用即调节控制输出，使被控量朝着减小偏差的方向变化，偏差减小的速度取决于比例系数kp，

46、kp越大偏差减小的越快，但是很容易引起振荡，尤其是在迟滞环节比较大的情况下，kp减小，发生振荡的可能性减小但是调节速度变慢。随着比例系数kp的增加，闭环系统响应的幅值增大，超调量加大，系统响应速度加快，同时会减少稳态误差，但是不能消除稳态误差。单纯的比例控制存在稳态误差不能消除的缺点。这里就需要积分控制。4.1.2 积分（i）控制在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，

47、即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（pi）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。实质就是对偏差累积进行控制，直至偏差为零。积分控制作用始终施加指向给定值的作用力，有利于消除静差，其效果不公与偏差大小有关，而且还与偏差持续的时间有关。简单来说就是把偏差积累起来，一起算总账。随着积分时间常数ti的增加，闭环系统响应的超调量降低，系统响应速度稍有变慢。积分环节的主要作用是消除系统的稳态误差。在频域分析中，积分控制可以增强系统抗干扰能力。故可相应增加开环增益，从而减少稳态误差。但纯积分环节会带来相角滞后，减少了系统

48、相角裕度，通常不单独使用。4.1.3 微分（d）控制在微分控制8中，控制器的输出与输入误差的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在较大惯性组件（环节）或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量

49、的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（pd）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。它能敏感出误差的变化趋势，可在误差信号出现之前就起到修正误差的作用，有利于提高响应的快速性，减小被控量的超调量和增加系统的稳定性。但是微分作用很容易放大高频噪声，降低系统的信噪比，从而使系统抑制干扰的能力下降。在频域分析中，微分控制可以增大截止频率和相角裕度，减少超调和调节时间，提高系统的快速性和平稳性。但单纯微分控制会放高频扰动，通常不单独使用。4.2 pi调节器的设计动态校正的方法有很多，在电力拖动自动控制系统中，最常用的是串联校正和反馈矫正。对于电力电子变换器的直流调速系统，一般采用p

50、id的串联校正方案进行动态校正。pid调节器分为pi,pd,pid三种类型。由pd调节器构成的超前校正，可提高系统的稳定裕度，并获得足够的快速性，但稳态精度可能受到影响；由pi调节器构成的滞后校正，可以保证稳态精度，但是快速性又受到了影响。pid则兼有两者的优点。通常的调速系统要求以动态稳定性和稳态精度为主，所以主要采用pi调节器11。在设计校正装置时，我们主要的研究工具是伯德图，即开环频域对数频率的渐近线。它可以确切的提供稳定性和稳定裕度的信息，同时能够大致衡量闭环系统稳态和动态性能。在伯德图上，用来衡量最小相位系统稳定裕度的指标是相角裕度和增益裕度，一般要求和。保留适当的稳定裕度，是考虑到

51、实际系统各个环节餐宿发生变化的时候不至于失去稳定性。稳定裕度也能间接反映系统动态过程的平稳性，稳定裕度越大意味着动态过程中振荡越弱，超调越小。判断系统性能一般可以分为以下四个方面：（1） 中频段以-20db/dec的斜率超过0db线，而且这一斜率能够覆盖足够的频带宽度，则系统的稳态性能好。（2） 截止频率越高，则系统的快速性越好。（3） 低频段的休旅陡、增益高，说明系统的稳态精度高。（4） 高频段衰减越高，则有系统抗高频噪声干扰的能力强。图4.1 pi调节器的原理图pi调节器的传递函数为： （4.1）其中为pi调节器比例部分的放大系数。 为微分项中的超前时间常数， 为积分时间常数。由（3.19

52、）和（3.20）可知， ，根据反馈直流调速系统的稳定条件可知： （4.2）取，原始闭环传递函数为： （4.3）利用经验整定公式可得pi调节器的传递函数。4.3 仿真结果分析由上文可知，原始闭环系统属于单环控制系统，其原理是将输出量转速的值转化为电压的形式反馈给系统，从而使得系统能够进行相应的调整。其在simulink里面的转速环等效结构图为：图4.2 simulink里面的转速环等效结构图 仿真后，得其仿真波形，如下图所示：图4.3 系统阶跃响应图取初始值为500r/min,最终值为1500r/min。调节pi控制器的参数，当比例系数kp=0.04,积分时间常数ti=1.05时，系统达到稳定状态。由仿真波形可知，此时上升时间为1.04s，峰值时间为1.05s,波峰值为1571.25r/min，达到稳定时为1500r/min。最大超调量为6.7%，系统具有良好的稳定性。5 硬件设计5.1 直流调速