直流电机pwm控制系统设计

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1、0前言在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用，无论在工业农业生产、交通运输、国防航空航天、医疗卫生、商务与办公设备，还是在日常生活中的家用电器，都在大量地使用着各式各样的电动机。据资料统计，现在有的90%以上的动力源来自于电动机，电动机与人们的生活息息相关，密不可分。随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机控制向更复杂的控制发展。直流电动机具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广,过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转,能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。直流调速技术不断发展，走向成

2、熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流电机的数字控制是直流电动机控制的发展趋势，用单片机的数字控制的发展趋势,用单片机进行控制是实现电动机数字控制的最常用的手段。由于电网相控变流器供电的直流电机调速系统能够引起电网波形畸变、降低电网功率因数，除此之外，该系统还有体积大、价格高、电压电流脉动频率低、有噪声等缺点。而采用直流电动机的PWM调速控制系统可以克服电网相控调速系统的上述诸多缺点。电动机的控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、电动控制技术、微机应用技术的最新发展成果。正是这些技术的进步使电机控制

3、技术在近20多年内发生了翻天覆地的变化，其中电动机的控制部分已由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制，形成数字和模拟的混合控制系统和纯数字控制的应用，并曾向全数字化控制方向快速发展。电动机的驱动部分所用的功率器件经历了几次更新换代，目前开关速度更快、控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动控制方法能够得到实现，脉宽调制控制方法（PWM和SPWM）,变频技术在直流调速和交流调速中获得广泛的应用。最近几年来，由于直流电机的优秀性能，在众多场合得以应用，所以直流电机的调速方法的研究也逐渐热化。现在研究方面有

4、很多，例如240KVA时间分割PWM直流调速；采用一种以大功率IGBT模块作主功率开关器件,采用SG3525集成PWM控制器为核心控制器,EXB841作为驱动模块的高效集成化的直流调速系统；基于ARM的PWM直流调速；全数字化双闭环可逆直流PWM调速；新型PWM直流调速及DC／DC电源技术；基于单片机（PICAVR）的直流PWM电机控制以及和永磁伺服直流电机配套的PWM调速系统等等各种直流调速装置系统。随着微电子技术和计算机技术的发展及单片机的广泛应用，使调速装置向集成化、小型化和智能化方向发展。直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反

5、向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率，可以实现复杂的控制，控制灵活性和适应性好，无零点漂移，控制精密高，可提供人

6、机界面，多机联网工作。采用智能功率电路驱动比传统的分立功率器件组成的驱动体积小，功能强；减少了电路元器件数量，提高了系统的可靠性；控制电路哈尔功率电路集成在一起，使监控更容易实现；集成化使电路的连线减少，减少了布线电容和电感以及信号传输的延时，增加了系统抗干扰的能力；集成化使系统成本大大降低。1调速原理介绍本章简单的介绍了直流电机的调速原理以及调速的各种性能指标，重点介绍了PWM直流调速的原理、电流调节器和速度调节器的工程设计方法以及数字调节器的实现方法。1.1直流电动机的调速方法按励磁方式的不同，直流电机可分为他励、并励、串励和复励电机四种。图1-1所示为直流电动机的物理模型。

7、定子励磁绕组通过直流电流If时产生励磁磁势Ff和主磁通。电枢绕组通过电枢电流Ia，则产生电枢反应磁势Fa。由于直流屯机的电刷在几何中线AB上，因此励磁磁势Ff与电枢反应磁势Fa正交。通常直流电机在其主磁极上加有补偿绕组，电枢反应磁势对主磁通没有影响。直流电机电枢绕组中的电流I。与定子主磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，电枢因而转动.直流电机的电磁转矩的大小常用下式表示:（1-1）式中，Te--电动机的电磁转矩，单位为N·m；--励磁磁通，单位为Wb；Ia--电枢电流，单位为A；