毕业论文——可逆直流脉宽调速系统设计

1、毕业设计报告（论文）报告（论文）题目：可逆直流脉宽调速 系统设计 作者所在系部： 电子工程系 作者所在专业： 自动化 作者所在班级： 作 者 姓 名 ： 作 者 学 号 ： 指导教师姓名： 完 成 时 间 ： 20 年 月 日 北华航天工业学院教务处制北华航天工业学院北华航天工业学院毕业设计（论文）任务书（理工类）毕业设计（论文）任务书（理工类）学生姓名： 专 业： 自动化 班 级： 学 号： 指导教师： 赵秀芬 职 称： 副教授 完成时间： 毕业设计（论文）题目：可逆直流脉宽调速系统设计纵向课题（ ）理论研究（）教师科研课 题横向课题（）应用研究（）教师自拟课题（）应用设计（）题目来源学生自

2、拟课题（）题目类型其 他（）注：请直接在所属项目括号内打“”总体设计要求及技术要点：根据电动机的具体参数与需要设计系统的指标的要求，实现电动机可以进行可逆运行，在确定调速系统地主电路与控制电路后，通过运用工程设计法完成对电流、转速调节器的设计，完成系统的设计。 1、所要控制的制备：直流电动机；2、所需的实验数据：电动机的额定电压、电流、电磁时间常数、机电时间常数、PWM 装置的开关频率与放大倍数；3、按照设计指标设计两个调节器，之后观察调速系统的性能并且对调速系统进行仿真。工作环境及技术条件：计算机一台，Matlab 软件，NMCL-型电机电力电子及电气传动教学实验台。工作内容及最终成果：1、

3、直流电机调速的方法比较及选择。2、调速系统反馈环的选择。3、PWM 变换器的选择。4、控制电路的设计及 SG3525 芯片的介绍。5、电流环和转速环的设计。6、实验进行验证双环脉宽调速系统的调速性能。7、用 Matlab 软件的 Simulink 工具进行动态系统的仿真。8、获得良好的调速性能。时间进度安排：1、第七学期第 6 周第 15 周，查阅资料，完成开题报告、文献综述、外文文献翻译。2、第七学期第 16 周第 17 周，开题报告审阅、答辩。3、第八学期第 1 周第 4 周，查阅相关资料，并分析可逆直流脉宽调速系统工作原理与各个状态。4、第八学期第 5 周第 7 周，对确定的电路进行软件

4、仿真，确定相关参数。5、第八学期第 8 周第 11 周，完成对参数的测试和用 MATLAB 中的 Simulink 工具箱来进行辅助设计，构建被控制系统的动态模型。6、第八学期第 12 周第 15 周，测试调速系统性能并进行完善，完成毕业设计论文。指导教师签字： 年 月 日教研室主任意见：教研室主任签字： 年 月 日北华航天工业学院本科生毕业设计（论文）原创性及知识产权声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 可逆直流脉宽调速系统设计是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本设计（论

5、文）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。因本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。本毕业设计（论文）成果归北华航天工业学院所有。本人遵循北华航天工业学院有关毕业设计（论文）的相关规定，提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本。本人同意北华航天工业学院有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以营利为目的的前提下，可以公布非涉密毕业设计（论文）的部分或全部内容。特此声明毕业设计（论文）作者： 指导教师： 年 月 日 年 月 日摘 要近年来随着 PWM 技术的不断发展，其在直流调速系统中的应

6、用逐渐地多了起来。本论文的研究工作便是以脉宽调速系统的设计展开的，并且分析调速方案，与调节器的设计，然后提出能够实现可逆运行的脉宽调速系统的设计方案。本文在详细分析双闭环调速系统的基础上，着重研究了采用脉宽调制的控制方式来实现对电动机的转速控制。首先对主电路的设计进行分析，由于不同形式的主电路具有不同的调速性能，因为我们需要的是能够实现可逆运行调速系统，最终确定采用 H 型的主电路形式。然后设计控制电路，由于采用 SG3525 芯片，使得调速系统在设计的过程中变得简单。随后，通过应用工程设计法，对调速系统中的两个调节器完成了相关设计。最后通过 MATLAB 软件的 Simulink 工具进行了

7、仿真，所得的起动制动过程的波形与理论上的是一致的，获得了令人满意的调速性能，并且改变相关参数完成对调速系统地完善。关键词 PWM 直流调速系统 SG3525 工程设计法 Simulink AbstractIn recent years, with the continuous development PWM technology, its application in the DC speed control system gradually over again. Research work of this paper is to design PWM speed control syste

8、m is carried out, and the program analyzes the governor, with the regulator design, and then made to achieve a reversible operation PWM speed control system design.Based on a detailed analysis of the double-loop speed control system, focusing on the use of pulse width modulation control method to ac

9、hieve the motor speed control. First, the design of the main circuit for analysis, due to the different forms of the primary circuit has a different speed performance, because we need to be able to achieve a reversible operation speed control system, and ultimately determine the use of the main circ

10、uit in the form of H-type. And then design a control circuit, the use SG3525 chip, making it easy speed control system in the design process. Then, through the application of engineering design method, the speed control system of the two regulators to complete the relevant design. Finally, by the Si

11、mulink tools of MATLAB for simulation, the resulting waveform start braking process is consistent with the theory, get a satisfactory speed performance, and change the parameters to complete the speed control system to improve.Key words PWM DC speed regulating system SG3525 The engineering design me

12、thod Simulink目 录第 1 章 绪论 .11.1 课题背景及国内外研究概况.11.2 本课题国内、外研究应用情况.11.3 研究双闭环直流调速系统的目的和意义.21.4 课题的建立以及本文完成的主要工作.2第 2 章 直流调速系统的方案设计 .32.1 现行方案的讨论与比较.32.2 PWM 控制系统的优点 .42.3 选择 IGBT 作为开关器件的理由.52.4 采用转速电流双闭环的理由.5第 3 章 双闭环调速系统的分析与设计 .73.1 转速控制的要求和调速指标.73.2 调速系统的两个基本矛盾.73.3 调速系统的双闭环调节原理.83.4 双闭环调速系统的起动过程分析.93

13、.5 可逆直流脉宽调速系统的总体介绍.113.6 主电路结构设计.143.6.1 PWM 变换器介绍 .143.6.2 泵升电压限制电路 .183.7 主电路相关参数.193.7.1 IGBT 的相关参数 .193.7.2 泵升电路的相关参数 .203.8 控制电路设计.203.8.1 PWM 控制器 .203.8.2 SG3525 芯片的特点 .21第 4 章 调节器的设计与参数计算 .224.1 电流调节器的设计.224.1.1 电流环的近似处理 .224.1.2 电流环的数据计算 .234.2 转速调节器的设计.254.2.1 电流环的等效闭环传递函数的处理 .254.2.2 转速环的近

14、似处理 .264.2.3 转速环的数据计算 .27第 5 章 双闭环直流脉宽调速系统的 MATLAB 仿真 .305.1 电流环 Simulink 仿真.305.2 转速环 Simulink 仿真.315.3 可逆直流脉宽调速系统的 Simulink 仿真.32第 6 章 结论 .35致 谢 .36参考文献 .37可逆直流脉宽调速系统设计第 1 章 绪论1.1 课题背景及国内外研究概况在现今的各行各业中，很多生产车间中或者现场实地场合下都会使用电动机，并且如果不使用电动机是无法生产的，例如发电厂，地下勘探，制造民用或军用器械的企业等。这些产业中的用来制造产品的机器的原动机一般都是直流电机。那么

15、如果能让电动机按照人们的需要运行，并且还可以改变电动机在实际工作时的特性，这样能为改变国民经济的不断增长带来巨大的好处。 从二十世纪三十年代到九十年代，如果要想在运动控制系统中实现电动机的高性能运行，那么直流电动机必然是最佳选择，因为由定子同转子所产生的磁场是没有相互联系的与此同时它们在方向上正交，这样一来要控制直流电动机的运行就会相对容易方便，而且其在起动时的所表现出的机械特性也是不错的，制动和调速性能也能满足人们的需求。虽然在这几年来交流电动机和其他电动机越来越多的被人们使用，有的电动机的性能甚至超过了直流电动机，然而到今天为止在一些调速系统中直流电动机仍然占有一席之地，例如位置随动控制系

16、统，需要经常改变转速的调速系统等。不仅是由于它具有很好的线性特性，而且还具有相当好的控制性能以及较高的效率等优点。用直流电动机来调速依旧是当前比较可靠而且精度最高的调速途径。在这次毕业设计中的主要内容就是利用之前所学的自动控制理论和运动控制系统中的工程设计法来对直流调速系统进行相应的设计，包括主电路和控制电路的选择，和对调节器的设计，并且通过设置调节器的不同参数来控制调速系统的运行性能，在设计调节器时需要满足系统的各项指标，而且需要对在设计过程中进行的近似进行检验。使用NMCL-型电机电力电子和电气传动教学实验台进行调试，之后再通过 MATLAB7.0 软件中的 Simulink 工具对设计的

17、系统进行电流环、转速环以及整个电气电路的仿真以此来校正系统使其能够满足我们的控制要求。1.2 本课题国内、外研究应用情况近 30 年来，电力拖动自动控制系统获得了迅猛的提高。但技术革新是永无止尽的，电力电子技术一直在向前发展，那么所生产的元件的性能也都更加优良，使得使用直流电动机的调速系统能够实现良好的调速性能提供了硬件上的支持，新的电力电子器件正向着高压，更大的功率，高频化和智能化的目标改革。一些经过技术改良的电动机中使用了智能功率模块（IPM） ，那么在使用了这种直流电动机的调速系统的运行特性将会更加优越，而且它的体积也在不断地变小。在过去直流电动机的直流电源是应用晶闸管来整流的，用这种方

18、法在经济性和可靠性上具有一定的好处，然而它的控制方式不是很简单，并且要求散热性能要比较好。由于电力电子技术的不断更新，应用更加方便的全控型的电力电子器件件获得了相当广泛的使用。因为 IGBT 在使用中不仅可以控制它的导通而且也可以完全控制的关断，它的特性相对比较好，用全控型器件 IGBT 作为主电路的开关所构成的直流脉宽调速控制系统在直流传动中的应用越来越受到人们的青睐。1.3 研究双闭环直流调速系统的目的和意义转速、电流双闭环直流调速系统的调速性能令人满意，并且在众多领域中被应用，这是因为转速、电流双闭环直流调速系统的静态调速性能和动态性能都是比较良好的。双环调速系统的两个环节分别对调速系统

19、起着不同的作用，因此我们需要很好的掌握转速电流双环系统的控制方法，因为它对我们具有非同一般的指导作用。第一，应熟悉两个环节的作用并且知道将其校正为几型系统；第二，在对电机的传递函数进行分解后，然后在设计调节器时需要考虑电动机起动时要求及整个系统对外来的扰动的抵抗能力，并且通过观察起动时的曲线来分析在起动过程中的状态；第三，通过在课堂上所学的工程设计法与自动控制原理中系统校正的方法结合，就可以知道用双环调速的好处，而且这样设计只需按照规定的步骤进行计算，具体操作起来比较容易，理解起来更加深刻；第四，通过工程设计法对 ACR 和 ASR 进行相关设计，完成参数计算。之前已经掌握了双闭环调速系统的相

20、关知识，我已经熟悉了该调速系统的在起动、加减速、停车以及反向运行过程中的特点，正是由于对双闭环调速系统的相关性能的了解，因此可以知道它的不足的地方，经过不断地改善所设计的系统中不能满足要求的地方，这样就可以使系统的性能得以提高，因此也可以适用于各种领域，而且电动机的使用效率也可以得到提高。1.4 课题的建立以及本文完成的主要工作本文主要包括以下内容：1直流双闭环调速系统的工作原理及数学模型。2双闭环直流调速的工程设计。3借助 MATLAB 软件的 Simulink 工具对设计的系统进行仿真和校正。第 2 章 直流调速系统的方案设计2.1 现行方案的讨论与比较直流电动机的调速方法有三种：1调节电

21、枢两端的电压 U。在通常的情况下，我们能够减小供给电动机的电压，很少增大其供电电压，这是受电动机的性能所限，那么它的速度就不会从小往大调，一般都是转矩不变的调速方式。这种方法适合于规定在相对大小要求来实现无极调速的系统，响应起来比较快，可是这样要求可调的直流源要有较大的容量。2改变电动机主磁通的 。虽然调节电动机的励磁磁通能够完成无极连续的调速，但是我们的调节方式只能是降低磁通（即弱磁调速） ，这样电机的转速不能从额定转速往下调，属恒功率调速方式。Ia变化时的时间常数比 If在调节时的时间常数相对小得多，用这种方式进行调速，动作的速度不是很快，然而要求的直流电源的容量也就不大。3改变电枢回路电

22、阻的 R。可以把电阻串联在电枢回路的外面，通过调节电阻的大小来调速，这样多需要的设备不复杂，实际控制起来比较方便。可是串电阻只可以是有极的并且不平滑的调速，电机的机械特性就会变软；若我们不给电动机设定相应的阻碍，来让其运行那么这种方式对调速没任何帮助，且增加了系统能量损失。如果调速系统对运行性能要求不是很高，可以采用第一种方法进行调速。若采用弱磁调速的方法，那么系统的调速范围就比较小，一般是在调压调速的同时采用弱磁调速，使得转速在高于额定转速的不是很大的范围内进行加速。如果只要求控制系统能够在一定的范围内实现无极调速，那么采用改变电压大小的方法相对而言是最适合的。所以，直流电动拖动的系统一般都

23、是应用调压调速的方式。要想调节电枢电压，那么需要给直流电动机的供电电源的大小可以调节，能够调节大小的直流电源经常使用的有如下三类：1旋转变流机组。把直流电动机和交流电动机结合起来构成的机组，用来获得可调的直流电压。2静止可控整流器。这种整流器一般有汞弧整流器和晶闸管整流器件两种，获得可调的直流电压。3直流斩波器或脉宽调制变换器。先用二极管对交流电进行整流，然后把我们所得的脉动直流电来给电动机供电，只要控制全控型开关管在一个周期内的打开时间，那么其输出端的电压也就也可改变。相对来说第一类的弊端比较多，汞弧整流器或者类似的半控型控制器的性能则比前者优越一些。通常我们将后者称为离子拖动系统。离子拖动

24、的方法没有旋转变流机组那么多的弊端，并且使得响应的时间也变短，然而因为汞弧整流器生产成本比较高，而且它的体积依然很大，维护起来比较费事，特别是水银一旦漏出，不仅环境会遭到污染，而且严重危害身体健康。如今，用晶闸管作为开关器件进行整流来获得直流电源的方法在当今依然占据了大部分。可是，晶闸管整流器同样有它的缺点，主要体现在如下的几个方面：1由于晶闸管的自身特点决定了它是一种单向导通的元件，因此流过晶闸管的电流是不会变成向另一个方向的，那么如果想要使转速能够实现正反转其实是比较复杂的。2当晶闸管两端的电压或者流过它的电流亦或这两个值的变化率较大时对晶闸管器件的影响都比较大，这里面有一个指标超过允许值

25、都将有可能在较短的短时间内损坏元件，所有一定要有稳定的保护装置同达到标准的散热装置作保证，同时保证元件的要有充足的裕量在挑选器件时也是必须要考虑的，使晶闸管在工作的过程中更加稳定。3晶闸管整流的工作曲线特性在系统中是一个滞后环节，那么，晶闸管可控制整流器可以当做是直流电源的感性负载，吸收滞后的无功电流，这使得它的功率因数较低，尤其在深度调速的情况，这种条件下系统的转速相对较小，半控器件的控制角特别大，造成整体的品质因数偏低，而且电路中有很大的高次谐波，电网电压波形因此会有变化，影响四周的需要供电的器械。与此同时，如果用这种方法来获得直流电源所占的比例相对大时， “电力公害”将会产生。为了防止这

26、样的问题产生，需要应用对应的无功补偿装置同时需要滤波和采取高次谐波的抑制措施。4用晶闸管构成的桥式电路输出脉动直流电压，脉冲数受到交流电源相数的制约。而且主电路中所带的负载如果阻感性不是很大，那么在回路中的电流不会总是保持连续的状态，于是系统的运行特性将会出现两种截然相反的状态，电流如果连续那么其机械特性相对硬一些，一般还是线性的；断续段的机械特性却比较软，同时也呈现出明显的非线性。因为有以上的这些因素，那么采用脉宽调制的变换器来调节电枢电压的直流调速系统是个不错的选择。2.2 PWM 控制系统的优点脉宽控制系统中用单片集成的脉宽控制器 SG3525 作为控制器。SG3525 不仅具有良好的特

27、性，而且通用性较好，能满足多种应用要求。因为它简单，可靠和易于使用，大大简化了设计和调试，因此被广泛应用。PWM 调速系统的众多优点体现在以下的方面 ：1PWM 调速系统主电路线路简单，需用的功率器件少。2开关频率高，电流实现连续更加方便，谐波少，相对小的损耗和发热。3在低速工作的时候特性依然令人满意，速度稳定时的精度较高，速度的控制范围较大，可以有 1：10000 的范围。4如果电动机响应速度较快，那么用这种方式进行控制，无论是从时时控制的角度还是自身抵抗外来扰动的角度来考虑，都是最佳的选择。5功率开关器件在导通与关断两种状态之间切换，导通时的损耗比较小，如果开关频率比较合适时，开关的损耗也

28、不是很大，所以装置效率就很好。 6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。 变频调速由于具有良好的调速性能，因而很快被许多场合采用，现如今已经成为了一种很受人们欢迎的调速方法，而且在一些中小容量且要求动态高性较高的系统中基本上能够完全取代别的调速方式。从这我们可以看出，变频调速这种方式很值得我们去深入的学习。变频调速方法的种类中，采用 PWM 调制去控制电机的转速的方法尤其被人们熟知，这也是我选择可逆直流脉宽调速这个题目的一个因素。2.3 选择 IGBT 作为开关器件的理由IGBT 的优点：1IGBT 的开关速度高，开关损耗小。2如果电压是同样的大小且电流也是额定的，那么 IGB

29、T 的安全工作区同 GTR的安全工作区相比比较大，并且受脉冲电流的冲击能力也较好。3IGBT 的导通后在其上的电压小于 VDMOSFET 的的导通后在其上的电压，尤其表现在电流相对大一些的范围。4IGBT 的输入阻抗较高，它的输入特征与电力 MOSFET 差不多。5同 GTR 和电力 MOSFET 进行比较，IGBT 的耐压能力和通流能力依然能够进行相对的升高，并且能保证高开关频率的特性。在 PWM 变换器的许多工作的途径中，H 型的 PWM 变换器是最多的。这样的电路具有电动机可以在四象限运行、回路电流能够保持连续、没有摩擦死区、转速较低时平稳性依然良好等优点。这次的毕业设计采用 H 型 P

30、WM 直流控制器为作为系统的主电路。相应的电路设计通过对主控电路以及调节器的设计进行展开。2.4 采用转速电流双闭环的理由和开环的系统进行比较，闭环的系统具备很多的优点。在闭环的控制系统中，如果因为扰动量的出现而使被控量偏离了给定量情况，这有可能是系统的负载扰动或者电压源所造成的扰动，系统都会马上进行动作来消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。正是因为闭环系统的输出量能够按照给定量去输出，且能够消除误差的益处，所以选择闭环系统以保证系统的稳定运行。反馈量只有速度信号的单闭环控制系统，当应用比例积分型的调节器时，能够实现系统在稳速时没有误差。可是假如

31、需要控制系统有较高的动态特性，例如需要电动机起动的过程中要求有较高的电磁转矩以缩短起动时间，或者增加负载时速度的降落要很小等，这时单闭环的速度控制系统就不能满足我们的要求了。其中的原因是，在单环系统中所控制的电枢电流并不能进行直接控制，因此起动时的电枢电流不是很大，这就会使得起动时间相对较长。此外，单闭环调速系统对外界的扰动的抵抗能力较差，如果电网的电压有波动，只有等到转速升高或者降低之后，转速调节器才会起作用，这样一来系统的动态误差就会很大。如果对调速系统的运行性能有较高的需求，那么应从两个方面进行考虑：一个是电动机在起动和制动的过程中要足够的快；另一个是外界的负载扰动以及电网电压的波动可以

32、被很快的抑制。经过对系统进行研究，我们知道只有在直流电动机能够以一定的且是最大的电磁转矩输出时，也就是电枢电流时最大时进行起动，电动机才能够迅速的起动，只要保证电枢电流在电机允许的过载范围内保持最大值不变，转速以匀加速运动迅速升到给定值所确定的值，而后回路中电流会在较短的时间内降低到负载所需要的电流值的大小。若是希望对电网电压的波动能够及时动作，那么电枢电流就需要做相应的调节。鉴于上述在控制时都用到了电枢回路的电流值，因此我们同样将电枢电流作为反馈量进行控制，构成转速、电流双闭环调速系统。第 3 章 双闭环调速系统的分析与设计3.1 转速控制的要求和调速指标调速系统对转速和电枢电流的要求可以用

33、稳态性能和动态性能作为指标来衡量。在设计时我们需要考虑调速系统地各项指标是否满足我们的需求。那么，我们就需要对调速系统地性能指标有熟悉的认知，这样对后期调节器的设计很有帮助。调速系统的性能指标有如下的几个方面。其中，调速范围和静差率是系统在稳定工作时的参考指标，跟随性能和抗扰性能是动态的参考指标。调速范围 D 电动机带额定负载运行时的最高速度与最低速度的比值，即静差率 s 静差率是在理想的空载情况下，负载变化到额定负载时，此时电动机的转速所降低的部分，同理想空载转速进行相除所得到的数，计算方法如下静差率经常用来分析一个系统在调节转速时是否平滑稳定。跟随性能指标 此指标用来反映系统的输出量跟随给

34、定输入信号的变化趋势。跟随性能指标一般从以下几个方面进行考虑：调节时间 ts，上升时间 tr，超调量 。抗扰性能指标 它主要反映了外界的扰动对控制系统造成的影响的程度，我们可以从两个方面来进行衡量：一个是动态降落大小 Cmax%，一个是恢复时间tv。3.2 调速系统的两个基本矛盾当我们拥有在设计中所需要的的各种数据后，通过分析可知在设计的过程中其实上述的两项指标是相互制约的，即1动态稳定性与静态准确性对系统放大倍数的要求互相矛盾；2起动快速性与防止电流的冲击对电机电流的要求互相矛盾。在闭环的调速系统中如果我们将速度信号进行反馈构成单闭环的控制系统，而且应用比例积分型的调节器，那么转速可以实现无

35、静差，那么第一个问题就不存在了。然而，一般情况下我们不可能只要求转速实现无静差，我们也希望电动机在起动或者停车的过程中能够以较快的加速度加速或者减速，我们同样也希望在负载在突然增加时，电机的转速降落能够较小，那么如果只采用速度反馈构成的单闭环控制系统是不能达到我们的需求的。分析单环控制系统我们不难看出如果要求电枢电流和电磁转矩能够在动态过程中受我们的控制这是不可能的。因此，无法解决第二个基本矛盾。一般情况下电动机会允许电枢电流于其额定的电流值，那么如果电动机在起动或制动的过程中如果能以电流的过载值进行升速或者降速，那么电机的转速将会在很短的时间内达到和给定值所对应的值，一旦转速稳定了，那么电枢

36、电流就会迅速的减小，以达到能够和相应的负载所匹配，此时调速系统工作在稳定状态下。如果在单环系统中要想实现对电流进行控制，那我们可以采取的措施可以在电路中加入一个电流截止负反馈以此来控制电流的大小，然而中其中依然存在问题，那就是唯有当回路电流大于临界电流时，它才起作用，而且电流截止负反馈是通过限定电流过大防止损坏电机的原理工作的，而且通过这种方式进行控制所得到的电流波形并不是我们所希望的。如果在只有转速环构成的系统中添加电流截止负反馈，那么它在起动过程中的情况如图 3-1 所示。左侧的图是在实际的情况下的电流和转速波形，右侧的图是在起动时我们所希望的情况。图 3-1 调速系统启动过程的电流波形和

37、转速波形然而如果在电机起动时只要电流的负反馈，同时它的输入端又不会和转速环在同一个调节器上进行叠加，并且一旦转速在达到稳定值后，电流负反馈就失去作用，从而又唯有转速环进行工作，那么双闭环转速电流调速系统就应用而生了。3.3 调速系统的双闭环调节原理如果希望转速负反馈和电流负反馈单独进行工作，那么调速系统中将需要有两个调节，单独用来控制电动机的转速和电枢回路中的电流大小，两个调节器应该是串联在一起的。电流调节器需要放在转速调节器的后面，转速调节器的大小决定了后者输出值的大小，脉宽控制器的触发装置是靠电流调节器去控制的。从它的布局上我们可以看出，内部的环节为电流调节器，外侧的环节是转速调节器，我们

38、所说的双闭环控制系统就是这个样子的。因为我们希望调速系统的动态特性和静特性都能满足要求，所以在双环系统中的转速调节器和电流调节器是比例积分型的调节器，分析知电流调节器能够输出的最大值是由转速调节器所确定的最大输出值即限幅值 Unmax来控制的；脉宽控制器能够输出的最大值是由电流调节器所确定的最大输出值即限幅值 Uimax来控制的，如图 3-2 所示。转速、电流调节器都是具有限幅功能的 PI 型调节器，那么在调速系统中的状态只会有两种，即饱和与不饱和。饱和时输出达到限幅值；调节器没有饱和时，限幅值不起作用，此特性对研究双闭环调速系统是十分重要的。如果一个调节器达到饱和状态，那么它所输出的值就不在

39、变化，即使它的输入发生了改变，它的输出量依然是限幅值，此时这个环节相当于是开环，要想使这一环重新起作用只能是让它退出饱和而重新构成闭环。当调节器处于不饱和状态，由于调节器中具有积分环节，因此，在调速系统处于稳定的时候偏差信号总是等于零。Un*Un-WASR(s)WACR(s)Ui*Ui-UctUd01/1 sTRl1 STKssId-IdlsTRmnCe1 图 3-2 双闭环调速系统的原理框图3.4 双闭环调速系统的起动过程分析如果在起动时要求电枢电流和电机转速是按照我们所希望的波形进行工作的，那么双闭环调速系统是能够满足我们需求的。因为电动机在起动的过程里会出现不饱和到饱和的工作状态，根据这

40、项特点在起动时会经过三个历程，也就是电流增加过程；恒流升速阶段；转速调节阶段。分析双环系统的起动过程，我们可以看出恒流升速在这个过程中占了很大一部分，于是双环系统在电机起动时，电流值保持为所允许的值实现转速处于快速加速的状态，这主要是使用限幅的功能，即饱和非线性的特性，以实现相对最好的控制。采用比例积分型的调节器必然会出现另一个现象，即在双环系统中起动电机转速必然会出现超调。其起动过程波形如图 3-3 所示。图 3-3 双闭环调速系统起动时的转速和电流波形从图 3-3 知，可以看出共有三个阶段存在：第一个阶段是电流上升阶段。设定给定信号为 Un*，在起动时两个调节器开始动作起作用，其中增加的量

41、有电枢电压、电枢电流和电流调节器的给定电压，等到电枢电流大于负载所需的电流值时，电动机就有转速了。因为电动机具有惯性，速度在增加时不是特别迅速，那么给定电压与转速的反馈信号做差的结果会很大，这使得速度调节器会有一个很大的输入，因而它的输出不再是线性的而是限幅值，强迫电流 Id迅速上升。等到电枢电流和电动机所允许的最大电流一样大时，电流调节器的输入端的给定电压为其给定电压的最大值，ACR 中的积分作用使得电枢电流不在增加，此时意味着可以进入下一个阶段了。转速调节器在本段时间内从不饱和的状态进入饱和，但是通常情况下，电流调节器是达不到饱和的，这样内环才会有对调速系统进行调节。第二个阶段是恒流升速阶

42、段。恒流升速阶段是以电流增长到电机允许的最大电流值为起点，以转速增长到我们所需要的值为终点，这一阶段占起动总时间的大部分。这个过程中转速调节器一直都处于饱和状态，外环和开环系统很类似，在这个过程里电流调节器的输入端的电压一直为 Uim*，而且电枢电流也为一定值，于是电动机的转速做匀加速运动，缩短了了系统的起动时间。第三个阶段是转速调节阶段。此阶段是以电动机的转速升速到我们所给定的值大小为起点，电机转速反馈到输入端的电压和给定值大小相等，那么它们做差后的结果即为零，然而由于我们所使用的是比例积分型的调节器那么转速调节器的输出值依然是我们所设置的限幅值的大小，这必然使得电枢电流维持为最大电流，那么

43、转速将会一直的增加，直到出现了超调。一旦出现超调，必然导致转速调节器退出饱和的状态，这是因为它的输入已经由正值变成了负值，那么它的输出值将不再是 Uim*，所以电流调节器的输出值将会由限幅值开始减小，这样一来，电路中电流值也将要减小。然而电枢电流的值依然比负载电流值大，那么这个过程里，速度还会保持不断地增加。如果电枢电流减小到和负载电流一样大的时候电池转矩也就和负载转矩一样大了，此时转速的加速度为零，那么电机转速将达到最大值。从这个时间点为起点由于负载的作用转速不断的减小，同时电枢电流会有低于负载电流的阶段，直到达到系统稳定。综上所述，双闭环调速系统有如下三个特点：1调节器出现饱和状态不是线性

44、的：因为在整个起动过程中转速调节器会出现饱和并且还会回到不饱和的状态，那么调速系统就分成非线性状态和线性状态。当转速调节器饱和的时候，外环相当于断开的状态，双环系统呈现出电流单环的控制作用，只有转速调节器处于非饱和时，两个调节器才能构成双闭环调速系统，并且转速在达到稳态时是零误差的，其中内环相当于是一个跟随系统，其跟随量是系统中的电流。不一样的状态下，会呈现出不一样的特性。2转速出现大于额定转速的情况：因为转速调节器设定了限幅值，所以在转速大于给定值所对应的转速时，ASR 必然会再次回到不饱和的状况。根据比例积分型调节器的工作情况，一旦 ASR 出现超调，系统的输入量的差值小于零，这样转速调节

45、器重新回到不饱和的状态。所以在转速电流双环系统中的转速在起动过程中一定会出现超调。3相对时间满足要求：分析起动波形我们可以看出，第二个阶段在整个起动过程中的时间最长。在这个过程中电流值是电动机的最大值，并且一直是不变的，这样是可以将电机以最大限度的利用起来，于是起动的整个时间相对来说比较短。在此过程中，要保证总的起动时间满足我们的要求，这个阶段是很重要的，它受最大电流的限制，实现这样的控制是最好的。3.5 可逆直流脉宽调速系统的总体介绍PWM 调速系统是采用如图 3-4 的结构构成的，其中主电路的 PWM 变换器是用IGBT 组成桥式电路，双极型的 PWM 变换器是用四只 IGBT 作为开关器

46、件，并且每个管子上都并联上一个二极管，通过改变触发脉冲的占空比的大小，那么加在电动机两端的电压就会出现正负的不同。PWM 电路的控制电路使用集成的芯片 SG3525，同时还需在电路中加入延时导通环节，即 SG3525 与隔离与驱动之间的部分。测速发电机 TG 同轴连接到电动机上，测速发电机所测得速度通过速度变换器 FBS 后的转速反馈电压送到转速调节器的输入端同我们所给定的电压进行作差，来控制转速调节器输出端的大小。为了方便我们进行研究电路，为此在主电路中的外面串联一个电阻（图中的 R2） ，这样一来我们用示波器来观察 R2 两端电压情况，以此我们也就可以知道在主电路中的电流的情况；第二，可以

47、限制电路的电流的大小，有一点的保护作用。一旦其两端的电压比我们事先确定的值大了，那么电路中具有过流保护的环节就会起作用，是的 IGBT的触发脉冲被封锁，这样一来开关管便不会被损坏，实际上这个电阻就是我们在前面所说的电流截止的作用。图 3-4 直流脉宽调速系统电路图在整个脉宽调速系统中我们所用的直流源是用四只二极管整流所得到的脉动直流电，通常如果接入的是 220V 的 AC 电源，那么将会被整成在 300V 左右的 DC 电源，同时我们还会在直流源的后面串入一个电阻用来保护主电路不会因突然的过大电流而被损坏，即 R1 电阻，电容 C1 的作用是使所得到的直流电平滑一些，电流调节器的反馈电压是这样

48、得到的，即分别在开关管 2 和 4 的源极下面连接一个电阻，那么其上面的电压信号就可以用来送到电流的反馈端，同 Uim*进行比较。因为 SG3525 中有振荡器所以需要外接电阻和电容才能完成它的功能，在图中即Rd、C2和 C3，我们只需要改动它们的值即可在 SG3525 内部得到不同频率的锯齿波。PWM 波形是这样产生的，前面的振荡器制造一定频率的锯齿波，我们把它用来载波，以 Ut来表示它的大小，而用来调制的信号需要由个电压进行叠加，即通过滑动变阻器RP 两端的电压 Ur和通过转速调节器所输出的电压 Ug，一般情况下所产生 PWM 波需要先有一个原始的占空比，它的确定是通过调节电阻 RP 来实

49、现的，但是另一个信号 Ug相对而言能够是大于零也能小于零，这样一来 PWM 变换器的可以获得不同值并且正负不受限制的电压，如果调速系统是开环的，就可以将给定电压直接加到后一个信号的位置，在闭环系统中的转速调节器和电流调节器一般为模拟的调节器，当然数字式的调节器的性能更加的优越。为了熟悉两个调节器的一般设计过程，因此我们选用的调节器时模拟式的，转速调节器的输入为所设置的电压值，电流调节器决定 Ug的大小。SG3525 内部具有比较单元，由振荡器产生的信号和需要调制的信号在此单元中进行比较，如果 Ut比 Ur大，那么芯片输出的 PWM 波将会有一个从低电平向高电平的跳变；如果 Ut比 Ur小，那么

50、芯片输出的 PWM 波将会有一个从高电平向低电平的跳变。在 SG3525 外围接有锁存器，这是因为如果不这样做，可能会导致输出的 PWM 波相对比较窄。而锁存器能够一直保持高电平，直到有下降沿到来的时候，它才清除之前的信号，并且锁存之后的比较结果。主电路中，每一个桥臂上的两个 IGBT 是并联在所整流得到的直流电源上的，并且它们是交替的导通与关断，那么需要设定相应的导通延时时间，这是因为开关管并不能瞬间的关断。在关断的过程中，每个需要关断的 IGBT 在还没有彻底的关断时，导通同一峭壁上的另一个 IGBT，将会导致两个 IGBT 形成通路，那么直流电源就会被短路。为了防止出现这样的状态，在电路

51、中设计了一个具有延时功能的 RC 电路。确保需要导通的 IGBT 在需要关断的 IGBT 的脉冲被停止 5 微秒后才开通。可调节的 PWM 波是通过SG3525 的 13 引脚输出的，并且其占空比为 0.10.9，通过延时电路的移相作用，这样两个脉冲的相位相差 180，并且它们的死区时间是 5 微秒，然后再通过光耦的隔离作用，来控制相应的 IGBT 导通与关断，这里开关管 1、4 的驱动信号一样，另一组 IGBT 的驱动信号是一样的。双环调速系统中，内环是通过 ACR 及检测反馈电流的部分组成的，外环的组成有ASR 及检测反馈转速的部分。为了实现转速没有静差，ASR 和 ACR 我们都采用 P

52、I 调节器。这样，电动机的转速能自动保持运行在一个给定的速度。因为在电路中有内环的调节，所以电动机在起动的时候允许给定值能够突然增加，而且如果电网电压有波动，那么内环会快速进行动作来抑制这个扰动。如果需要电机反向运行，仅仅改变给定电压，使它的极性反向就可以了，而且这样做也不会出现短路的事故。因为如果电动所带的负载有所改变，那么转速也会有相应上下起伏，如果负载变大，那么转速必然要降低，然后转速经过速度变换器的传递，使得输入端的反馈值减小，从而使电流调节器的输入与输出同时减小，那么 Ug和 Ur叠加后的结果会变小，这使得SG3525 所输出的 PWM 波的占空比变大，那么与正转或者反转相对应的 I

53、GBT 的导通时间就会延长，电枢电压 Ud增大，从而转速又会有所增加。与此相反，如果负载减小，那么转速必然要增加，然后转速经过速度变换器的传递，使得输入端的反馈值变大，从而使电流调节器的输入与输出同时增大，那么 Ug和 Ur叠加后的结果会变大，这使得SG3525 所输出的 PWM 波的占空比变小，那么与正转或者反转相对应的 IGBT 的导通时间就会缩短，电枢电压 Ud增大，从而转速又会有所下降。这就是为什么虽然所带的负载又增加或者减小的情况，但是电动机依然能够保持在我们所给定的电压值所确定的转速而保持一定的原因。 从上面的分析我们知道，可逆直流脉宽调速系统采用转速电流双闭环的形式能够实现我们队

54、电机在起动过程中的转速和电流的要求；相对开环系统它的机械特性比较硬，和转速单闭环系统相比能够实现无静差；而且是可以电机在四象限运行的。3.6 主电路结构设计3.6.1 PWM 变换器介绍变换器介绍在主电路中应用可以改变占空比的 PWM 变换器，而 PWM 变换器又存在与只能一个方向转动之分。由于我们需要的是可逆的调速系统，所以只研究能够使电动机正反转的主电路形式。T 型和 H 型 PWM 变换器是可逆 PWM 变换器的两种主要方式，如图 3-5 是 T 型PWM 变换器的形式，如图 3-6 是 H 型 PWM 变换器的形式。T 型的 PWM 变换器只需要两个全控型器件组成一个桥臂，然后分别对并

55、联一个二极管即可，T 型电路需要的器件少，并且原理容易理解，同时这个电路本身就存在反馈。一般 T 型 PWM 变换器用在电源值小于 50V 的调速系统中；然而从其电路的形式可以看出，它要求两个电源的值要大小相等且极性相反，与此同时，开关管需要能承受双倍的电源电压值，如果所加的直流电源是一样的，那么它能够输出的电压最大值仅为 H 型的二分之一。图 3-5 T 型 PWM 变换器电路图 3-6 H 型 PWM 变换器电路在可逆的 PWM 变换器的形式中 H 型变换器是使用最普遍的，H 型的结构是用四个开关管组成两组桥臂，并且用四只二极管进行续流，从图中可以看出此电路仅用一个极性的电源就可以了，而且

56、开关管所承受的电压也不大，H 型电路中的电枢是采用浮地的接法。用不同的方法使电路中的开关器件打开和关断，我们就会获得双极式和单极式这两种形式的控制方法。1双极式可逆 PWM 变换器：图 4-3 即为双极式的 H 型脉宽控制器。四个开关管构成两个桥臂，开关管 1、2 在一个桥臂上，开关管 3、4 在另一个桥臂上。VT1 与 VT4 的控制电压是一样的，它们开通和关断是一块进行的；VT2 与 VT3 的控制电压是一样的，它们开通和关断是一块进行的。并且控制电压 Ug1Ug4Ug2Ug3，在调速系统工作的过程中，每个控制电压的周期内 VT1、VT4 和 VT2、VT3 两组开关管轮流进行工作和停止。

57、因为控制电压有正负两种极性的变化，所以将这种电路形式称为双极式变换器。因为控制电压会有正负的变化，所以调速系统中的电流也会出现相应的变化。根据负载较重和较轻的不同，其电枢电压和回路电流的情况如图 3-7 所示。图 3-7 双极式 PWM 变换器电压和电流波形（a）电动机负载较重时 （b）电动机负载较轻时如果电动机的负载较重，平均负载电流较大，在 0tton时，Ug1和 Ug4为正，VT1和 VT4 饱和导通；而 Ug2和 Ug3为负，VT2 和 VT3 截止。那么供给电动机的电压是电源电压的正值，从图中我们可以看出此时的路径只能是回路 1，所以此时的机械特性是位于第一象限。而当 tontT 时

58、，Ug1和 Ug4为负，VT1 和 VT4 截止，Ug2和 Ug3为正，由于电动机是感性的电流不会马上反向，它会通过由二极管 VD2 和 VD3 所组成的续流通路进行续流，因此在 VD2 和 VD3 两端的电压为正值，这使得 VT2 和 VT3 的因为承受反向的电压因而不会开通，此时 UAB=Us，电机通过回路 2 进行工作。其电流和电压的波形即为图 3-7 的 a 图。当电动机所带负载较轻时，电路的总的电流值也较小，在这个过程中电枢电流会在短时间内减小到零，也就是为图中的 t2时刻。而且当 t2tt3时，VT2 和 VT3 不在承受反向的电压，此时加在电枢两端的电压为- Us和之前的反电势，

59、这使得 VT2 和 VT3 开始工作，同时电流的方向也发生了给变，回路 3 为其流动的路径，电动机处于反接制动状态。而当 Ttt4时，Ug2和 Ug3为负，VT2 和 VT3 被截止，Ug1和 Ug4为正，由于电动机是感性的电流不会马上反向，它会通过由二极管 VD1 和 VD4 所组成的续流通路进行续流，因此在 VD1 和 VD4 两端的电压为正值，这使得 VT1 和 VT4 的因为承受反向的电压因而不会开通，电机通过回路 4 进行工作，此时电动机工作在制动的情况下。当t4tton时，VT1 和 VT4 开始工作，回路 1 为其流动的路径，又开始了新的一轮的循环运行，具体的电流波形如图 3-7

60、 的 b 图。电动机之所以能够正反向的转动，是因为控制电路中控制电压的占空比所造成的。如果占空比大于 50%，即 tonT/2，那么加在电动机两侧的电压的平均值就大于零，这样电动机在第一象限运行；如果占空比小于 50%，即 tonT/2，那么加在电动机两侧的电压的平均值就小于零，这样电动机在第四象限运行。如果占空比等于 50%，即tonT/2，那么加在电动机两侧的电压的平均值就等于零，这样电动机不会转动。双极式的 H 型 PWM 变换器的所输出电压的均值的计算公式如下：sonsonsondUTtUtTUtTU)12()(1现在我们将定义一个新的量 Ud/Us， 称为电压系数，那么12TtUUo