直流双极型可逆PWM系统的实现
摘要：综合运用了PI控制器，PWM控制器等 现代 工业 控制常用的控制部件及相关设计方法。主要介绍了直流电动机PWM控制系统原理，设计了调速系统，分析了直流脉宽调速系统的机械特性，最后建立了PWM控制与变换器的数学模型。
关键词：调速；直流电动机；PWM控制；PI控制器1 直流电动机PWM控制系统
1.1直流电动机PWM控制系统原理。PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。它通过分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
直流电动机PWM控制系统有可逆和不可逆系统之分。可逆系统是指电动机可以正反两个方向旋转；不可逆系统是指电动机只能单方向旋转。对于可逆系统，又可分为单极性驱动和双极性驱动两种方式[1]。这里只研究双极性驱动。
1.2 H型双极性可逆PWM驱动系统控制原理。“H”型是双极性驱动电
路的一种，也称为桥式电路。如图1所示。其电路是由四个开关管和四个续流二极管组成，单电源供电。四个开关管分为两组，V1和V4为一组，V2和V3为另一组。同一组的开关管同步导通或关断，不同组的开关管的导通与关断正好相反。
在每个PWM周期里，当控制信号Vi1高电平时，开关管V1和V4导通，
此时Vi2为低电平，因此V2和V3截止。电枢绕组承受从A到B的正向电压；当控制信号Vi1为低电平时，开关管V1和V4截止，此时Vi2为高电平，因此V2和V3导通，电枢绕组承受从B到A的反向电压，这就是所谓的“双极”。由于在一个PWM周期里电枢电压经历了正反两次变化，因此其平均电压
U0可以用下式决定：
U0=（■-■）US=（2■-1）US=（2a-1）US（1）
可见，双极性可逆PWM驱动时，电枢绕组所承受的平均电压取决于占空
比α大小。当α=0时，U0=-US，电动机反转，且转速最大；当α=1时，U0=US，
电动机正转，转速最大；当 时，α=1/2时U0=0，电动机不转，但电枢绕组中仍然有交变电流流动，使电动机产生高频振荡，这种振荡有利于克服电动机负载的静摩擦，提高动态性能。2 调速系统的设计
对于一个控制系统而言，最关键的是控制器的设计，控制器设计的好坏关系到控制系统性能的优劣。控制器要求实时性强，通用性强，具有较强的智能，在满足性能指标的前提下应尽可能的简单。
PI控制器相当于在系统中增加了一个位于原点的开环极点，同时也增
加了一个位于S左半平面的开环零点。位于原点的极点可以提高系统的型别，以消除或提高系统的稳态误差，改善系统的稳态性能。而增加的负实零点则用来提高系统的阻尼度，缓和PI控制器极点对系统稳定性产生的不利影响。只要积分时间常数Ti足够大，PI控制器对系统稳定性的不利影响可大为减弱。在控制系统中，PI控制器主要用于改善控制系统的稳态性能[2]。闭环调速系统的转速和电流调节器都采用PI调节器。采用PI调节器的
自动控制系统。
从传递函数看，自动调节系统为：■=WP1（S）=KP■=KP+■（2）
U1可分成比例部分U1P，和积分部分U1I，其中，比例部分与偏差成正
比积分部分同偏差的积分有关，把两部分加起来，就是调节器的输出信号U1。当偏差信号ε是阶跃信号时，比例部分会突然加大，而积分部分则按线
性增长，经过一定时间后，U1输出达到限幅值。而实际系统中，偏差信号ε只是一开始突跳，随着输出信号USC的增长，偏差信号ε便逐渐降低，U1是否能够升到限幅值，就要看U1的增长和ε的衰减哪一方更快。如果调节对象的时间常数远大于调节器的时间常数，则ε下降较慢，由于调节器的积分作用，尽管在下降，U1仍继续增长，在ε衰减到零以前U1还来得及升到限幅值[3]。如果调节对象的时间常数较小，则ε衰减较快，当积分量还来不及把U1抬高到限幅值以前，ε已经衰减到零，U1也就不能再增长，这时积分器不会饱和。
在动态过程中，PI调节器输出电压U1是否饱和对系统的输出波形很有影响。若
U1一旦饱和，只有ε变负，即USC＞Usr时，才有可能使它退出饱和，因此 必然超凋。
3 直流脉宽调速系统的机械特性
由于采用了脉宽调制，严格地说，即使在稳态情况下，脉宽调速系统的
转矩和转速也都是脉动的[4]。所谓稳态，是指电动机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，机械特性是平均转速与平均转矩（电流）的关系。中国论文联盟http://
采用不同形式的PWM变换器，系统的机械特性也不一样。对于双极式控制的可逆电路，电流的方向是可逆的，无论是重载还是轻载，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单。US=Rid+L■+E（0≤t
n=E/Ce，而电枢电感压降L■的平均值在稳态时应为零。4 PWM控制与变换器的数学模型
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。
按照对PWM变换器工作原理和波形的分析，当控制电压UC改变时，PWM变换器输出平均电压Ud按线形 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[5]。因此，PWM控制与变换器（简称PWM装置）也可以看成是一个滞后环节，其传递函数可以写成WS（S）=■=Kse-TSS（5）
式中 KS——PWM装置的放大系数；TS——PWM装置的延迟时间，TS≤T。由于PWM装置的数学模型与晶闸管装置一致，在控制系统中的作用也一
样，因此WS（S），KS和KS都采用同样的符号。
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WS（S）≈■（6）
但须注意，此式是近似的传递函数，实际上PWM变换器不是一个线形环节，而是具有继电特性的非线形环节。继电控制系统在一定条件下会产生自激振荡，这是采用线形控制理论的传递函数不能分析出来的。如果在实际系统中遇到这类问题，简单的解决办法是改变调节器或控制器的结构和参数，如果这样做不能奏效，可以在系统某一处施加高频的周期信号，人为地造成高频强制振荡，抑制系统中的自激振荡。参考 文献
[1]许晓峰.电机及拖动[M].第1版.北京：高等 教育 出版社，2004.[2]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].第3版.北京：机械 工业 出版社，2003.[3]王晓明.电动机的单片机控制[M].第1版.北京：北京航空航天大学出版社，
2002.
[4]李锡雄.脉宽调制技术[M].第1版.武汉：华中理工大学出版社，2000.[5]吴守箴.电气传动的脉宽调制控制技术[M].第1版.北京：机械工业出版社，2002.题目宋二号
关键词 宋小四
“摘要”字样 黑体小三号
摘要正文 宋小四
正文用宋体小四号
