第三章 直流电动机调速系统的微机控制课件

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1、《电气传动数字控制系统》——第三章直流电动机调速系统的数字控制第三章直流电动机调速系统的数字控制直流电动机电枢的PWM调压调速原理直流电动机的不可逆PWM系统直流电动机可逆PWM系统基于PWM控制的小功率位置伺服系统直流电机的优点：是最早出现的电机，也是最早实现调速的电机，控制方法也在不断的改进中，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制的方法成为主流。直流电动机电枢的PWM调压调速原理直流电动机的转速控制方法可分为两类:对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法。其中励磁控制法在低速时受磁极饱和的

2、限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。现在，大多数应用场合都使用电枢控制法。本章我们要介绍的就是在励磁恒定不变的情况下，如何通过调节电枢电压来实现调速。直流电动机电枢的PWM调压调速原理绝大多数直流电动机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。下图为利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形。4图3-1PWM调速控制原理和电压波形图直流电动机电枢的PWM调压

3、调速原理利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的原理图和输入／输出电压波形如图3-1所示。在图(a)中，当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Us。t1时间后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。t2时间后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图3-1(b)所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均值U0为:——占空比；。直流电动机电枢的PWM调压调速原理占空比表示了在一个周期里，开关管导通

4、的时间与周期的比值的变化范围为，由上式可知，当电源电压不变的情况下，电枢的端电压的平均值取决于占空比的大小，改变值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。——占空比；。直流电动机电枢的PWM调压调速原理7在PWM调速时，占空比是一个重要参数。以下3种方法都可以改变占空比的值。(1)定宽调频法这种方法是保持t1不变，只改变t2，这样使周期T(或频率)也随之改变。(2)调宽调频法这种方法是保持t2不变，而改变t1，这样使周期T(或频率)也随之改变。(3)定频调宽法这种方法是使周期T(或频率)保持不变，

5、而同时改变t1，和t2。直流电动机电枢的PWM调压调速原理常用方法1)分立电子元件组成的PWM信号发生器这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PWM信号电路。它是最早期的方式，现在已被淘汰了。2)软件模拟法利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现PWM波输出。这种方法要占用CPU大量时间，使单片机无法进行其他工作，因此也逐渐被淘汰。3)专用PWM集成电路从PWM控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯片。4)单片机的PWM口新一代的单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。单片机通

6、过初始化设置，使其能自动地发出PWM脉冲波。只有在改变占空比时才进行干预。8PWM控制信号的产生方法常用方法9根据直流电动机的转矩(电流)与转速的关系，可以用左图来表示电动机运行的状态。从图3-2中可以看出，第1象限是电动机正转运行状态，第3象限是电动机反转状，第2和第4象限分别是电动机正转和反转时制动运行状态。电动机能在几个象限上工作与控制方式和电路结构有关。如果电动机在4象限上都能运行，则说明电动机的控制系统功能较强。图3-2电动机4个象限运行直流电动机4个象限运行直流电动机的不可逆PWM系统直流电动机PWM控制系统有可

7、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。单极性驱动是指在一个PWM周期里，作用在电枢两端的脉冲电压是单一极性的;双极性驱动则是指在一个PWM周期里，作用在电枢两端的脉冲电压是正负交替的。1011无制动的不可逆PWM系统图3-1(a)就是一个无制动的不可逆PWM系统。它的特点是结构非常简单。由于这种结构中电动机的电枢电流不能反向流动，因此它不能工作在制动状态，也就是它不能在第2、4象限工作，只能在第1或第3象限进行单象限

8、工作。图3-112无制动的不可逆PWM系统图3-1(a)所示的不可逆PWM系统中，电枢电流的波形如图3-3所示，它在每个PWM周期中是由两段指数曲线组成的。在PWM周期的。0～t1区间，V1导通，电枢绕组与电源接通，电流按指数规律上升，同时，因电流增加而向电枢绕组电感蓄能；在PWM周期的t