第4章 4.2 PWM可逆调速系统
可逆直流PWM调速系统
引言自从全控型电力电子器件问世以后就出现了采用脉冲宽度调制（PWM）的高频开关控制方式形成的脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即直流PWM调速系统。
直流电动机的PWM调速原理，为了获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑调速，这种调速系统就称为直流脉宽调速系统。
脉宽调制的基本原理，脉宽调制（Pulse Width Modulation），是利用电力电子开关器件的导通与关断，将直流电压变成连续的直流脉冲序列，并通过控制脉冲的宽度或周期达到变压的目的。
所采用的电力电子器件都为全控型器件，如电力晶体管（GTR）、功率MOSFET、IGBT等。
通常PWM变换器是用定频调宽来达到调压的目的 PWM 变换器调压与晶闸管相控调压相比有许多优点，如需要的滤波装置很小甚至只利用电枢电感已经足够，不需要外加滤波装置；电动机的损耗和发热较小、动态响应快、开关频率高、控制线路简单等。
PWM的占空比决定输出到直流电机的平均电压. PWM不是调节电流的.PWM的意思是脉宽调节,也就是调节方波高电平和低电平的时间比,一个20%占空比波形,会有20%的高电平时间和80%的低电平时间，而一个60%占空比的波形则具有60%的高电平时间和40%的低电平时间,占空比越大,高电平时间越长,则输出的脉冲幅度越高,即电压越高.如果占空比为0%,那么高电平时间为0,则没有电压输出.如果占空比为100%,那么输出全部电压. 所以通过调节占空比,可以实现调节输出电压的目的,而且输出电压可以无级连续调节. PWM信号是一个矩形的方波，他的脉冲宽度可以任意改变，改变其脉冲宽度控制控制回路输出电压高低或者做功时间的长短，实现无级调速。
1 系统概述1.1 系统构成本系统主要有信号发生电路、PWM 速度控制电路、电机驱动电路等几部分组成。
pwm调速系统工作原理
pwm调速系统工作原理PWM调速系统工作原理一、引言PWM调速系统是一种常见的电子调速方式，广泛应用于各种电机驱动系统中。
本文将详细介绍PWM调速系统的工作原理，并逐步解释其工作过程。
二、PWM调速系统的基本原理PWM全称为脉宽调制（Pulse Width Modulation），是一种通过改变电源输入信号的脉冲宽度来实现调速的方法。
它利用开启和关闭开关设备的不同时间比例，来达到通过控制平均输出电压的目的。
三、PWM调速系统的组成部分PWM调速系统主要由以下几个组成部分构成：1. 控制信号产生器：用于产生调速的控制信号。
常见的控制信号可以是脉冲信号或直流电压信号。
2. 比较器：将控制信号与参考信号进行比较，并输出PWM信号。
3. 开关驱动器：根据PWM信号的变化，控制开关管件的开启和关闭，实现电源输入信号的调制。
4. 输出滤波电路：用于对调制后的电源输入信号进行滤波，以得到平均输出电压。
四、PWM调速系统的工作过程下面将逐步解释PWM调速系统的工作过程：1. 控制信号产生器产生调速的控制信号。
2. 控制信号与参考信号经过比较器进行比较。
3. 比较器输出PWM信号。
4. 开关驱动器根据PWM信号的变化，控制开关管件的开启和关闭。
4.1 当PWM信号为高电平时，开关管件关闭，电源输入信号通路断开。
4.2 当PWM信号为低电平时，开关管件开启，电源输入信号通路连接。
5. 开关管件的开启和关闭导致电源输入信号的周期性变化，同时也导致输出电压的周期性变化。
6. 输出滤波电路对周期性变化的输出电压进行滤波，以得到平均输出电压。
五、PWM调速系统的优势PWM调速系统具有以下几个优势：1. 调速范围广：通过改变PWM信号的脉冲宽度，可以实现广泛的调速范围。
2. 控制精度高：PWM调速系统可以根据需要调整脉冲宽度，从而精确控制输出电压。
3. 效率高：PWM调速系统采用开关管件进行调制，具有能量损耗小、效率高的特点。
直流电机PWM可逆调速系统设计
直流电机PWM可逆调速系统设计旋转电机的形式主要有三种：直流电机、异步电机、同步电机。
其中，直流电机由于具有较为完善的启动性能和宽广平滑的调速特性在生产和生活的各个领域得到广泛的应用。
本文对直流电机的调速方法进行了分析，重点对PWM控制的直流电机调速系统进行了设计。
标签：直流电机；PWM；调速0 引言直流电机是形成最早的一种电机形式，广泛应用于交运、航天、自动化等各种领域中。
早期的直流电机控制系统由各种非线性电子电路组成，结构复杂、功能单一，限制了其应用。
随着电力电子技术的发展和进步，脉冲宽度调制技术（Pulse-Width Modulation，简称PWM）逐渐成熟，在很大程度上带动了直流电机的发展。
PWM的主要原理是通过控制半导体器件的通断来产生一系列幅度相同、宽度不等的矩形波，根据等面积定则可以通过控制这些矩形波的宽度来模拟各种形式的信号，即PWM通过控制半导体器件的通断时间来控制输出电压的幅值和频率。
随着电子技术、信息技术和控制技术的发展，采用芯片对直流电机的速度进行调节逐渐得到应用。
芯片在直流电机调速系统中的主要作用是产生PWM调制信号，还具有一定的其他控制功能。
单片机以其占地面积小、能耗低、价格便宜、使用简便而成为直流电机调速系统的第一选择。
1 直流电机的调速方法根据直流电机的基本工作原理，其转速主要由三个条件决定：端电压U、主磁通Φ和电枢回路内阻R，根据这三个条件可以将直流电机的调速方法分为三种。
（1）改变端电压U调速。
直流电机的转速与其端电压U正相关，调节端电压U的高低可以连续得调节转速的快慢，在调节的过程中，电机的转矩近似保持恒定。
采用这种方式，可以获得比较快的响应速度和比较平滑的速度特性，但是需要装置额外的可调电源，价格较高。
（2）改变主磁通Φ调速。
通过调节励磁电流If的大小可以方便得控制电机主磁通Φ的高低，进而改变直流电机的转速。
在调节的过程中，直流电机的电磁功率近似保持恒定。
第四章 可逆直流调速系统
直流平均环流。而系统中的脉动环流，由环流电抗
器 LC1 ～ LC 4 限制。
（2）制动过程分析
双闭环可逆调速系统起动过程与双闭环不可 逆调速系统的起动过程相同。当一组变流装置处 于整流状态时，另一组处于待逆变状态，这并不 影响整流组和电动机的工作状态。但可逆系统的 制动过程却与不可逆系统有显著的区别。整个制 动过程可根据电流方向的不同分成两个主要阶段： 本桥逆变阶段和他桥制动阶段。
环流可以分为静态环流及动态环流两大类。 当可逆线路在一定的控制角下稳定工作时，所出 现的环流称为静态环流，静态环流又可分为直流 平均环流和瞬时脉动环流。只在系统处于过渡过 程中，由于晶闸管触发相位发生突然改变时出现 的环流，叫做动态环流。
下面将进一步讨论静态环流问题，在此基础
上引出几种典型的可逆调速系统。
图4-6 交叉反馈可控环流系统 图4-4自然环流系统原理图
当转速给定
U
* n
0 时，
ASR和ACR的输出均为零。
此时1ALR的给定信号只有 U cf，并且1ALR的比例系
数为+1，故其输出 uct1 为正值。触发器GTF输出触发 脉冲出现在小于90位置，正组VF处于整流状态；
2ALR的给定信号只有 U cr ，由于其比例系数为1， 故输出uct2 亦为正值，触发器GTR输出触发脉冲也出 现在小于90位置，反组VR也处于整流状态。如果系
1. 直流平均环流的处理
由于两组晶闸管变流装置输出直流平均电压 不相等引起的环流称为直流平均环流。如果正组 VF及反组VR同时处于整流状态，就将形成所谓的 直流平均环流，这种环流通过VF及VR将电源两相 直接短路，会造成设备损坏。
数字化PWM可逆直流调速系统设计软件设计
数字化PWM可逆直流调速系统设计Digital PWM Reversible Dc Speed Control System Design摘要直流电机具有良好的启动性能和调速特性，它的特点是启动转矩大，能在宽广的范围内平滑、经济地调速，转速控制容易，调速后效率很高。
本文设计的直流电机调速系统，主要由51单片机、电源、H桥驱动电路、LED液晶显示器、霍尔测速电路以及独立按键组成的电子产品。
电源采用78系列芯片实现+5V、+15V对电机的调速采用PWM波方式，PWM是脉冲宽度调制，通过51单片机改变占空比实现。
通过独立按键实现对电机的启停、调速、转向的人工控制，LCD实现对测量数据（速度）的显示。
电机转速利用霍尔传感器检测输出方波，通过51单片机对1秒内的方波脉冲个数进行计数，计算出电机的速度，实现了直流电机的反馈控制。
关键词：直流电机调速；H桥驱动电路；lCD显示器；51单片机ABSTRACTDC motor has a good startup performance and speed characteristics, it is characterized by starting torque, maximum torque, in a wide range of smooth, economical speed, speed, easy control, speed control after the high efficiency. This design of DC motor speed control system, mainly by the microcontroller 51, power supply, H-bridge driver circuits, LED liquid crystal display, the Hall velocity and independent key component circuits of electronic products. Power supply with 78 series chip +5 V, +15 V for motor speed control using PWM wave mode, PWM is a pulse width modulation, duty cycle by changing the MCU 51. Achieved through independent buttons start and stop the motor, speed control, turning the manual control, LED realize the measurement data (speed) of the display. Motor speed using Hall sensor output square wave, by 51 seconds to 1 microcontroller square wave pulses are counted to calculate the speed of the motor to achieve a DC motor feedback control.Keywords：D C motor speed control；H bridge driver circuit；LCD display目录摘要 (I)ABSTRACT ............................................................................................................... I I 第一章绪论.. (1)1.1选题背景与意义 (1)1.2设计任务和要求 (2)1.4 设计目的与意义 (3)第二章系统的硬件选择及设计 (4)2.1 单片机的选择 (4)2.2模拟数字转换芯片 (5)2.3 数字模拟转换芯片 (7)2.4 显示器 (10)第三章系统的软件设计 (12)3.1系统初始化模块 (12)3.2数据采样 (12)3.3主程序 (14)第四章仿真图4.1 全图 (17)第五章心得体会 (19)参考文献 (20)附录 (21)第一章绪论1.1选题背景与意义现代工业的电力拖动一般都要求局部或全部的自动化，因此必然要与各种控制元件组成的自动控制系统联系起来，而电力拖动则可视为自动化电力拖动系统的简称。
第四章-直流可逆调速系统PPT课件
1。正反转切换 ：
KMF触点闭合时， 电枢电压极性是A（+）、B（ − ），电动机正转
KMR触点闭合时，电枢电压极性是A （ − ） 、B（+），电动机反转
2。特点 ：
优点 ： 简单、经济。 缺点 ： 有噪音、切换慢。 3。应用场合 ：
不需要频繁切换、对切换快速性要求. 不高的生产机械。
3
一、电枢反接可逆线路
不同类型的环流，产生的机制不同，抑制方法也不一样。
.
16
§4.2.2 环流类型及其抑制措施
一．环流的种类
直流平均环流
静态环流 瞬时脉动环流
动态环流
•静态环流 ：系统稳定工作时，所出现的环流叫做静态环流。
•直流平均环流：由于两组晶闸管装置之间存在正向的直流电压差而产 生的环流，称为直流平均环流。
•瞬时脉动环流： 由于两组晶闸管装置输出电压的瞬时值不相等而产 生的环流，称为瞬时脉动环流。
•动态环流： 当系统由一种工作状态过渡到另一种工作状态时才出现
的环流，叫做动态环流 。
.
(不做分析)
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2．直流平均环流的抑制措施 (1)产生原因：两组晶闸管装置之间存在正向的直流电压差。
若Udf与Udr始终大小相等，方向 也相同，则可消除偏差，即
Udf Udr
U drU d0m axcos r
.
19
3．瞬时脉动环流的抑制措施
(1)瞬时脉动环流的产生
在 配合控制条件下， Udf Udr ，因而没有直流平均环流， 但这只是对输出电压的平均值而言的，整流电压 U 和d f 逆变电压 U d r
的瞬时值是不相等的，二者之间仍存在瞬时电压差，从而产生瞬时 脉动环流。
(2)瞬时脉动环流的抑制---在主回路上串入环流电抗器
PWM-M可逆调速系统设计
摘要直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
近年来，虽然高性能交流调速技术发展很快，但是直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，应用前景相当广阔；而且从控制规律的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础。
掌握直流拖动控制系统的基本规律和控制方法具有非常大的必要性。
根据生产机械要求，电力拖动控制系统有调速系统、伺服系统、张力控制系统、多电动机同步控制系统等多种类型。
而各系统往往都是通过转速来实现的，本文研究直流调速系统，是电力拖动控制系统中的基础和及其重要的部分。
针对双闭环可逆直流PWM调速系统进行了较深入的研究，从直流调整系统原理出发，逐步建立了闭环直流PWM调整系统的模型。
关键词：直流电动机直流调速系统双闭环 PWM调速PWM-M可逆调速系统设计1 直流电动机的调速方法介绍直流电动机的调速方法有三种：（1）改变电枢电阻（R）调速。
（2）改变电枢电压（U）调速。
（3）改变主磁通（ ）调速。
前两种调速方法主要适用于恒转矩负载，后一种调速方法适用于恒功率负载。
串电阻调速为有级调速，调速平滑性比较差，机械特性斜率增大，速度稳定性比较差，受静差率的限制，调速范围比较小。
改变电枢电压调速为无级调速，机械特性斜率不变，速度稳定性好，调速范围比较大。
改变主磁通调速，控制方便，能量损耗比较小，调速平滑，但受最高转速限制，调速范围不大。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以改变电枢电压调速方式为最好。
因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主要调节方式。
2 PWM控制系统的优点自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制的控制方式，形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统。
PWM系统在很多方面有较大的优越性：（1）主电路线路非常简单，需要用到的功率器件比较少。
第四章V-M可逆调速系统
第四章V-M可逆调速系统
励磁反接可逆供电方式
V+
Id
-M-
-
VF + Id
-
- VR
-Id +
晶闸管反并联励磁反接可逆线路
第四章V-M可逆调速系统
励磁反接的特点
优点：供电装置功率小。 由于励磁功率仅占电动机额定功率的
（3）两组晶闸管装置反并联可逆线路
较大功率的可逆直流调速系统多采用 晶闸管-电动机系统。由于晶闸管的单向 导电性，需要可逆运行时经常采用两组 晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路， 如下图所示。
第四章V-M可逆调速系统
两组晶闸管装置反并联可逆供电方式
a) 电路结构
VF +
Id
-M-
-
- VR
-Id
归纳起来，可将可逆线路正反转时晶 闸管装置和电机的工作状态列于表4-1中。
第四章V-M可逆调速系统
表4-1 V-M系统反并联可逆线路的工作状态
V-M系统的工作状态 正向运行 正向制动 反向运行 反向制动
电枢端电压极性 电枢电流极性 电机旋转方向 电机运行状态
晶闸管工作的组别 和状态
机械特性所在象限
然而当电机采用电力电子装置供电时， 由于电力电子器件的单向导电性，问题 就变得复杂起来了，需要专用的可逆电 力电子装置和自动控制系统。
第四章V-M可逆调速系统
4.1.1 单片微机控制的PWM可逆直流调速系统
中、小功率的可逆直流调速系统多采 用由电力电子功率开关器件组成的桥式可 逆PWM变换器，如本书第 1.3.1 节中第 2 小节所述。第1.3.4 节图1-22 绘出了 PWM 可逆调速系统的主电路，其中功率开关器 件采用 IGBT ，在小容量系统中则可用将 IGBT、续流二极管、驱动电路以及过流、 欠压保护等封装在一起的智能功率模块— IPM。
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4.2 PWM可逆调速系统
PWM系统与V-M单 ② 开关频率高,电流容易连续,谐波少,电机损耗和发热都小. ③ 低速性能好,稳速精度高,因而调速范围宽. ④ 快速响应性能好,动态抗扰能力强.装置效率高. ⑤ 直流电源采用不控三相整流时,电网功率因数高.
调制波发生器
脉宽调制器
驱动器
逻辑延时
限流保护
1 脉宽调制器 (1) 脉宽调制器 脉宽调制器是控制电路的核心,它将输入直流信号转换成与之成比 例的方波信号,以便于对晶体管进行控制.
(2) 电路结构 调制波信号 运算放大器工作在 开环状态，当输入 电压极性改变时， 输出电压就在正、 负饱和值之间变化， 这样就完成了把连 续电压变成脉冲电 压的转换作用。
※延时仍可采用与非门接R,C来实现,设置逻辑延时后输出脉冲信 号波形如下:
★ 延时时间t1d要大于晶体管的存储时间.
4.2.2 脉宽调速系统的控制电路 ※晶体管PWM变换器仅是把已有的PWM信号拿来使用 ,并不改变信号的性质,而由GTR构成的脉宽调速系统 还必须具备相应的控制电路,通过控制电路的调节才 能真正起到调速的作用. 双闭环脉宽调速系统的原理框图如下:
5 突加负载，试分析：PWM系统是如何进行速度的调节的？( 前提：正转，桥 式可逆PWM变换器，ab正方向）
4.2.1 脉宽调制变换器——（PWM控制原理） 1 PWM变换器
脉宽调制变换器是采用脉冲宽度调制的一种直流斩波器。 （将一种直流变成另外可调的直流） 双极式
★
可逆
2 PWM变换器的分类
单极式
不可逆
桥式可逆PWM变换器
桥式可逆PWM变换器电路
U g1 U g 4 U g 2 U g 3
（1）在该系统中会出现哪些环流？（2分） （2）为了抑制直流平均环流，你认为可以采用什么措施？给出理由。（3分） （3）为彻底消除环流，可以采用什么措施？（5分）
2 DLC如何让保证开放和封锁延时的？
3、如下图是一可逆PWM调速系统主电路：
(1) 若希望采用双极性控制方式，器件的驱动信号应该如何给？ （5分） (2) 分析在双极性控制方式下电机正转，反转，停转的工作条件，并配以相应正 转、反转、停转的输出电压Ｕab的波形。（以ab方向为正方向考虑）（7分） (3) 针对此系统解释动力润滑。（3分）
双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为
t on T t on 2t on Ud Us Us ( 1)U s T T T
占空比ρ和电压系数γ的关系为
当ρ>1/2时，γ为正，电动机正转；当ρ<1/2时， γ为负，电动机反转；当 ρ=1/2时， γ =0，电动机停止。
2 1
双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点： （1）电流一定连续； （2）可使电动机在四象限运行； （3）电动机停止时有微振电流，能消除静磨擦死区； （4）低速平稳性好，系统的调速范围大； （5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导 通。
双极式控制方式的不足之处是： 在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在 切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂 的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。
4、如下图所示为PWM可逆调速系统中的UPW环节，试分析：
（1）该环节在PWM调速系统中的作用是什么？（4分） （2）各输入信号的作用。（3分） （3）系统中，当控制电压Uc=10V时，主电路输出电压应为100V，某同学在做实验时，发 现Uc=10V，输出电压却为150V，检查硬件均没有任何问题，请你分析产生错误的原因。 （8分）
功率放大，以驱动主电路的开关器件，每个开关管应有独立的驱动器.
为了确保开关管在开通时能迅速达到饱和导通，关断时能迅速截止，必
须要选择和设计合适的驱动器.
为保证强弱电隔离,驱动电路与控制电路之间应有隔离措施,一般采用光电
耦合器来实现.
※比如：晶体管驱动电路
光耦 隔离
※比如：MOSFET专用驱动IR2110，IR2130等.
4 一种双极式PWM双闭环可逆调速系统
5 单片机控制的PWM可逆调速系统
整流器 桥式可逆变换器
PWM发生器
驱动器
重点: 掌握PWM控制电路的基本结构. 掌握PWM控制电路的基本工作原理. 了解PWM控制电路各分电路结构,及其原理. 建立对PWM调速系统的总体认识.
典型题型分析：
1、如下图所示的可逆调速系统：
在一个开关周期内， 当0≤t<ton时，UAB=US，电枢电流id沿回路 1流通；
当ton≤t<T时，驱动电压反号， id沿回路2 经二极管续流， UAB=-US 。
, UAB的平均值为正，电动机正转； T 反之则反转。 t on
2
止。
,平均输出电压为零，电动机停
T 2
t on
图4-3 双极式控制可逆PWM变换器的驱动电压、输出电压和电流波形
偏置 信号 控制 信号
(3) 输入信号介绍 调制波可以是锯齿波,可以是三角波等,这里以锯齿波为例. Uc是控制电压,其大小和极性均可变. Ub是偏置电压,一般当Uc等于0时,保证输出电压正负半周宽度相等. 放大器的输入应该是三个信号的叠加.
(4) 工作原理(波形分析)
2 驱动电路
脉宽调制器输出的脉冲信号经过信号分配和逻辑延时后，送给驱动器作