pwm運動控制課程設計報告

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　速度對任何一個運動體來說都是一個至關重要的物理量，如何快速方便地進行速度調節(jié)是我們一直需要探索的問題。這份課程設計采用的是直流PWM調速雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，該調速系統(tǒng)是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應載荷的變化來調制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保

2、持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。 　　</p><p>　　PWM控制技術以其控制簡單，靈活和動態(tài)響應好的優(yōu)點而成為電力電子技術最廣泛應用的控制方式，也是人們研究的熱點。由于當今科學技術的發(fā)展已經沒有了學科之間的界限，結合現(xiàn)代控制理論思想或實現(xiàn)無諧振軟開關技成為PWM控制技術發(fā)展的主要方向之一。這份課程設計對于PWM設計的各個方面進行了簡要闡述，并進行了Proteus仿真以

3、及Matlab中的Simulink仿真，去的了較好的結果。 </p><p>　　關鍵詞：PWM調速；Proteus仿真；Matlab ；雙閉環(huán) </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論3</b></p><p>　　2 設計總要求

4、4</p><p>　　2.1設計已知參數(shù)4</p><p>　　2.2設計具體要求4</p><p>　　3 控制電路設計4</p><p>　　3.1直流調速系統(tǒng)控制方案的選擇4</p><p>　　3.2 電流環(huán)設計5</p><p>　　3.2.1 電流調節(jié)器的設計6&l

5、t;/p><p>　　3.3 轉速調節(jié)器7</p><p>　　4 主電路設計8</p><p>　　4.1 PWM調速系統(tǒng)主電路形式選擇8</p><p>　　4.1.1T型PWM變換器電路8</p><p>　　4.1.2H型PWM變換器電路9</p><p>　　4.2 PWM

6、調速系統(tǒng)開關電路形式選擇13</p><p>　　4.3 H型雙極性逆變器的驅動分析14</p><p>　　5頻率電壓轉換設計17</p><p>　　6脈沖分配及功率放大電路設計17</p><p>　　7PI調節(jié)器設計18</p><p>　　8三角波發(fā)生器設計19</p>&l

7、t;p>　　9Matlab仿真結果20</p><p>　　10 設計總結21</p><p><b>　　參考文獻23</b></p><p><b>　　1緒論</b></p><p>　　轉速是機械運動里面的一個至關重要的物理量，如何更好更快捷方便的調節(jié)速度是人們長期以來一直探索

8、的重要方向。與交流調速系統(tǒng)相比，由于直流調速系統(tǒng)的調速精度高，調速范圍廣，變流裝置控制簡單，長期以來在調速傳動中占統(tǒng)治地位。在要求調速性能較高的場合，一般都采用直流電氣傳動。目前，通過對電動機的控制，將電能轉換為機械能進而控制工作機械按給定的運動規(guī)律運行且使之滿足特定要求的新型電氣傳動自動化技術已廣泛應用于國民經濟的各個領域。</p><p>　　近幾十年來，直流電機傳動經歷了重大的變革。首先實現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q

9、代，以晶閘管整流裝置取代了習用已久的直流發(fā)電機電動機組及水銀整流裝置使直流電氣傳動完成了一次大的躍進。同時，控制電路已經實現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術的應用，使直流調速系統(tǒng)的性能指標大幅提高，應用范圍不斷擴大。直流調速技術不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標準化，在可逆脈寬調速、高精度的電氣傳動領域中仍然難以替代。由于直流電氣傳動技術的研究和應用已達到比較成熟的地步，應用相當普遍，尤其是全數(shù)字直流系統(tǒng)的出現(xiàn)，更提高

10、了直流調速系統(tǒng)的精度及可靠性。</p><p><b>　　2 設計總要求</b></p><p><b>　　2.1設計已知參數(shù)</b></p><p>　　本次課程設計所使用的電機為他勵式直流伺服電動機，其電機參數(shù)為： ， ， ， ， Ω，L=0.0085H。系統(tǒng)運動部分飛輪轉矩相應的機電時間常數(shù) ，測速發(fā)電機的反饋

11、系數(shù)λ=0.01178V.min/r，電流反饋系數(shù) ，</p><p><b>　　2.2設計具體要求</b></p><p>　　利用MATLAB仿真環(huán)境進行控制方案仿真設計，仿真后系統(tǒng)性能指標為：</p><p>　　單位階躍響應的超調量小于27%；</p><p>　　單位階躍響應的調整時間小于0.06s；<

12、/p><p>　　閉環(huán)帶寬不小于16Hz</p><p><b>　　3控制電路設計</b></p><p>　　3.1直流調速系統(tǒng)控制方案的選擇</p><p>　　1方案一、單閉環(huán)控制系統(tǒng)結構框圖</p><p>　　2方案二、雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)結構框圖</p><p>　

13、　由系統(tǒng)結構框圖知，方案二中采用雙閉環(huán)轉速電流調節(jié)方法，相比較于單閉環(huán)系統(tǒng)多了一個電流檢測反饋，雖然相對成本較高，但保證了系統(tǒng)的可靠性能，保證了對生產工藝的要求的滿足，既保證了穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn)定，同時也兼顧了啟動時啟動電流的動態(tài)過程。在啟動過程的主要階段，只有電流負反饋，沒有轉速負反饋，不讓電流負反饋發(fā)揮主要作用，既能控制轉速，實現(xiàn)轉速無靜差調節(jié)，又能控制電流使系統(tǒng)在充分利用電機過載能力的條件下獲得最佳過渡過程，很好的滿足了生產需求。&l

14、t;/p><p><b>　　3.2 電流環(huán)設計</b></p><p>　　電流調節(jié)器使電流緊緊跟隨其給定電壓（即外環(huán)調節(jié)器的輸出量）變化。對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。在轉速動態(tài)過程中，保證獲得電機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。由于電流檢測中常常含有交流分量，為使其不影響調節(jié)器的輸入，需加低通濾波。</p><p>　　圖3-1 系統(tǒng)實

15、際動態(tài)原理框圖</p><p>　　在圖3-3虛線框內的電流環(huán)中，反電動勢與電流反饋的作用相互交叉，這將給設計工作帶來麻煩。實際中，對電流環(huán)來說，反電動勢是一個變化比較慢的擾動，在電流的瞬變過程中，可以認為反電動勢基本不變。</p><p>　　如果把給定濾波和反饋濾波兩個環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內，同時把給定信號改為，則電流環(huán)便等效成單位負反饋系統(tǒng)，如圖3—3b所示，從這里可以看出兩個濾波時間

16、常數(shù)取值相同的方便之處。</p><p>　　3.2.1 電流調節(jié)器的設計</p><p>　　電流環(huán)的控制對象由電樞回路組成的大慣性環(huán)節(jié)與晶閘管整流裝置、觸發(fā)器、電流互感器以及反饋濾波等一些小慣性環(huán)節(jié)組成。電流環(huán)可以校正成典型I型系統(tǒng)，可以校正成典型II型系統(tǒng)，校正成哪種系統(tǒng)，取決于具體系統(tǒng)的要求。</p><p>　　由于電路環(huán)的重要作用是保持電樞電流在動態(tài)過程

17、中不超過允許值，因而在突加給定時，不希望有超調，或者超調越小越好。從這個觀點來說，應該把電流環(huán)校正成典型I型系統(tǒng)。但典型I型系統(tǒng)在電磁慣性時間常數(shù)較大時，抗擾性能較差，恢復時間較長?？紤]到電流環(huán)還對電網(wǎng)電壓波動有及時的調節(jié)功能，因此，為了調高其抗繞性能，又希望把電流環(huán)校正成典型的II型系統(tǒng)。在一般情況下，當控制系統(tǒng)的兩個時間常數(shù)之T1T∑i≤10比時，典型的II型系統(tǒng)的恢復時間還是可以接受的，因此。一般按典型I型系統(tǒng)設計電流環(huán)。此外，為

18、了按典型系統(tǒng)設計電流環(huán)，需要對電流環(huán)進行必要地工程近似和等效處理。</p><p>　　圖3-3電樞電流的PI型電轉速調節(jié)器</p><p><b>　　3.3 轉速調節(jié)器</b></p><p>　　把電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)接入轉速環(huán)后，由于需要實現(xiàn)轉速無靜差，而且在后面已經有一個積分環(huán)節(jié)，因此轉速環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)應共有兩個積分環(huán)節(jié)，所以應該設計成典

19、型Ⅱ型系統(tǒng)，這樣的系統(tǒng)同時也能滿足動態(tài)抗擾性能好的要求。由此可見，ASR也應該采用PI調節(jié)。</p><p>　　圖3-4速度調節(jié)的PI型電流調節(jié)器</p><p>　　結合其他組員計算所得的各主要參數(shù) 飛輪轉矩相應的機電時間常數(shù) </p><p>　　測速發(fā)電機的反饋系數(shù) λ=0.01178V.min/r，</p><p>　　

20、電流反饋系數(shù) ki = 0.132V/A;</p><p>　　電樞回路電磁時間常數(shù) Ta=0.017S</p><p>　　得到在Simulink環(huán)境下的仿真框圖如下：</p><p>　　圖3-5具有直流電動機結構模型的雙環(huán)直流調速系統(tǒng)結構圖</p><p><b>　　4 主電路設計</b></p>

21、<p>　　4.1 PWM調速系統(tǒng)主電路形式選擇</p><p>　　鑒于以上分析，本設計這里所采用的是技術性能較好、經常采用的雙極性雙極式脈寬放大器的電路如圖4-5所示。</p><p>　　H橋級聯(lián)型多電平變換器采用多個功率單元串聯(lián)的方法來實現(xiàn)高壓輸出，其輸出多采用多電平移相式PWM控制方式，以實現(xiàn)較低的輸出電壓諧波，較小的dv/dt和共模電壓及較小的轉矩脈動。為實現(xiàn)高壓，只

22、需簡單的增加單元數(shù)即可，該種實現(xiàn)方式的技術難度小。每個功率單元都是分離的直流電源，之間是彼此獨立的，對一個單元的控制不會影響其他單元。H橋級聯(lián)型逆變器與單橋逆變器的實現(xiàn)方式主要區(qū)別在于PWM的控制方式上，本文對H橋級聯(lián)型逆變器的PWM控制方式進行探討。</p><p>　　脈寬調制器的作用是：用脈沖寬度調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定寬度可變的脈沖電壓序列，從而平均輸出電壓的大小，以調節(jié)電機轉速。這

23、時電動機M兩端電壓的極性隨開關器件驅動電壓的極性變化而變化。其電路電流流向如圖，其用VT1,VT2,VT3,VT4只能利用大功率可控開關管的特性來控制導通與截止。四只開關管分兩組，VT1和VT4為一組，VT2和VT3為一組。同一組中的兩只開關管同時導通，同時截止，且兩組開關管之間可以交替的導通和截止。</p><p>　　圖4-5 H形雙極式逆變器電路原理圖</p><p>　　4.2 P

24、WM調速系統(tǒng)開關電路形式選擇</p><p>　　在主電路開關電路選擇過程中，考慮過大功率雙極性晶體管（GTR）、場效應管（MOSFET）等，但GTR的主要缺點是：開通關閉時間長、開關功耗大、工作頻率低、熱穩(wěn)定性差、容易損壞。MOSFET的主要缺點是：管子導通時通態(tài)壓降比較大、管子功率損耗大。于是，最終選用使用三極管來控制電路。三極管的特性是：當三極管的基極電壓Ub>Uc時，三極管此時屬于短路導通；當基極電

25、壓Ub<0時，三極管處于截止狀態(tài)，此時三極管屬于短路截止。</p><p>　　圖4-6 三極管電路</p><p>　　下圖是采用1N949二極管和NPN管作為開關器件的proteus布線圖如圖4-7所示：</p><p>　　圖4-7 1N949二極管和NPN管作為開關器件的proteus布線圖</p><p>　　4.3 H型雙極

26、性逆變器的驅動分析</p><p>　　圖4-8 H形雙極式逆變器的驅動電壓波形</p><p>　　分析圖4-5、圖4-8可知，當電源電壓Us大于電動機的反電動勢（如反抗轉矩負載）時，在0≤t<Ton期間，Ub1和Ub4為正，開關管VT1和VT4導通，Ub2和Ub3為負時，VT2和VT3截止。電樞電流Ia沿回路一（經VT1和VT4）從A流向點B，電動機工作在電動狀態(tài)。</p

27、><p>　　他們的關系是：。在一個開關周期內，當時，晶體管、飽和導通而、截止，這時。當時，、截止，但、不能立即導通，電樞電流經、續(xù)流，這時。在一個周期內正負相間，這是雙極式PWM變換器的特征，其電壓、電流波形如圖4-8所示。電動機的正反轉體現(xiàn)在驅動電壓正、負脈沖的寬窄上。當正脈沖較寬時，，則的平均值為正，電動機正轉，當正脈沖較窄時，則反轉；如果正負脈沖相等，，平均輸出電壓為零，則電動機停止。</p>

28、<p>　　雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為</p><p>　　如果定義占空比，電壓系數(shù)</p><p>　　則在雙極式可逆變換器中</p><p>　　調速時，的可調范圍為0～1相應的。當時，為正，電動機正轉；當時，為負，電動機反轉；當時，，電動機停止。但電動機停止時電樞電壓并不等于零，而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個

29、交變電流的平均值等于零，不產生平均轉矩，徒然增大電動機的損耗這是雙極式控制的缺點。但它也有好處，在電動機停止時仍然有高頻微震電流，從而消除了正、反向時靜摩擦死區(qū)。</p><p>　　H形雙極式逆變器電路在proteus下的實現(xiàn)如下圖：</p><p>　　圖4-9 H形雙極式逆變器電路在proteus下的仿真</p><p><b>　　頻率電壓轉換設

30、計</b></p><p>　　本次設計中LM331用作FVC的電路原理框圖如下圖5-1所示：</p><p>　　圖5-1 LM331用作FVC的電路原理框圖</p><p>　　得到的仿真結果Fi和V0的關系：</p><p>　　由上面的分析可以看出來當C10取5000pF，Plused (High) Voltage=5，F(xiàn)

31、i=200的時候可以得到最佳的仿真情況。</p><p>　　頻率一電壓(F/V)轉換器的作用是將輸入信號頻率的變化轉換為輸出電壓的變化,即電路的輸出電壓與輸入信號的頻率成正比。F/V轉換器有著廣泛的應用,如用在電力系統(tǒng)的自動頻率控制,通風系統(tǒng)解調后高頻信號載波頻率的測量,頻率表、壓控振蕩器中的控制。</p><p>　　脈沖分配及功率放大電路設計</p><p>

32、　　脈沖分配器主要采用數(shù)字電路形式，對輸入端接收到的脈沖信號根據(jù)實際所需分配成幾路信號輸出，從而實現(xiàn)不同的控制效果。功率放大電路的作用是把近制信號放大，使之能驅動大功率開關管。利用三極管的電流控制作用或場效應管的電壓控制作用將電源的功率轉換為按照輸入信號變化的電流。設計中的控制電壓轉化為脈沖之后經過脈沖分配和功率放大才能控制電機這部分控制電路如下圖6-1所示：</p><p>　　圖6-1 脈沖分配與功率放大電路

33、</p><p><b>　　PI調節(jié)器設計</b></p><p>　　簡單說來，PI控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：</p><p>　　1．比例環(huán)節(jié)即時成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號 ，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差。通常隨著 值的加大，閉環(huán)系統(tǒng)的超調量加大，系統(tǒng)響應速度加快，但是當 增加到一定程度，系統(tǒng)會變得不穩(wěn)定。&l

34、t;/p><p>　　2．積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分常數(shù) ， 越大，積分作用越弱，反之越強。通常在 不變的情況下， 越大，即積分作用越弱，閉環(huán)系統(tǒng)的超調量越小，系統(tǒng)的響應速度變慢。</p><p>　　電流調節(jié)器原理圖如圖7-1所示，按所用運算放大器取Ro=20k，各電阻和電容值計算如下</p><p>　　， 取2.4u

35、F</p><p><b>　　取0.04uF</b></p><p>　　按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)指標,滿足設計要求。</p><p>　　圖7-1所示的是本次課程設計所設計的PI調節(jié)器電路圖</p><p>　　圖7-1 PI調節(jié)電路</p><p><b>　　三角波發(fā)

36、生器設計</b></p><p>　　三角波發(fā)生器用于產生一定頻率的三角波UT，該三角波經加法器與輸入的指令信號UI相加，產生信號UI+UT，然后送入比較器。比較器是一個工作在開環(huán)狀態(tài)下的運算放大器，具有極高的開環(huán)增益及限幅開關特性。兩個輸入端的信號差的微弱變化，會使比較器輸出對應的開關信號。一般情況下，比較器負輸入端接地，信號UI+UT從正端輸入。當UI+UT＞0時，比較器輸出滿幅度的正電平；當UI

37、+UT＜0時，比較器輸出滿幅度的負電平。其proteus電路圖如下圖8-1所示：</p><p>　　圖8-1 三角波發(fā)生器的proteus圖</p><p>　　Matlab仿真結果</p><p>　　Matlab環(huán)境下Simulink仿真結果及伯德圖：</p><p>　　圖9-1 Simulink環(huán)境下仿真結果</p>

38、<p><b>　　圖9-2 伯德圖</b></p><p>　　根據(jù)仿真結果圖以及伯德圖可知，超調量為23%，調整時間為0.05s,閉環(huán)帶寬為100Hz，滿足超調量小于27%，調整時間小于0.06s以及閉環(huán)帶寬不小于16Hz的要求。故本設計符合要求。</p><p><b>　　10 設計總結</b></p><

39、p>　　通過該課程設計，我對運動控制系統(tǒng)這門課有了進一步的理解與認識，讓我有機會學以致用，并且查缺補漏，將老師在課堂上講述過的內容應用到具體實踐中來。使我對于抽象的知識有了具體而生動的認識，更加意識到實踐與理論的區(qū)別，在實際生產中要考慮許多外界因素，而在理論學習時則更多的是在理想環(huán)境下進行的，這是我今后從事這一領域的工作時應該特別注意的一點；其次，它教會我如何合作，向老師請教疑難，與同學探討問題，互相幫助，共同進步，聽聽不同的看法

40、有助于我們更好地掌握知識與技能，所以在這里非常感謝幫助我的老師和同學。另外，信息搜集與整合也是十分重要的，遇到疑難時首先求助于書本和網(wǎng)絡，所以，在設計期間，我在圖書館查了許多相關資料，并在網(wǎng)絡上搜索了一些有用的信息，掌握了許多課堂之外的知識，這是意外的收獲。通過這一周的課程設計，使我明白我們不僅是對前面所學知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高?？梢哉f，本次課程設計令我獲益匪淺。</p><p><b

41、>　　11總電路圖</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng).第3版.北京：機械工業(yè)出版社，2003</p><p>　　[2] 陳伯時.自動控制系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社，1981 </p><p>　　[3] 王兆安，黃俊.電力電