【正文】 刷電動(dòng)機(jī)因其電樞繞組驅(qū)動(dòng)電流形狀的不同而分為兩種類：一種是方波永磁同步電動(dòng)機(jī)，其電樞驅(qū)動(dòng)電流為方波(梯形波)，通常被稱為無刷直流電機(jī)(Brushless DC MotorBLDCM)；另一種是正弦波永磁同步電動(dòng)機(jī)，其電樞驅(qū)動(dòng)電流為正弦波，常稱為無刷同步電機(jī)，與PMSM相比，BLDCM具有明顯的優(yōu)越性，反饋裝置更簡(jiǎn)單，功率密度更高，輸出轉(zhuǎn)矩更大，控制結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，使電機(jī)和逆變器各自的潛力得到充分的發(fā)揮。特別是在微特電機(jī)領(lǐng)域，在小功率，高轉(zhuǎn)速的調(diào)速領(lǐng)域，如航空航天、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等精密傳動(dòng)領(lǐng)域，無刷直流電機(jī)都占據(jù)著主要位置。隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域，以及新型的電力電子功率元器件的不斷出現(xiàn)，使采用全控型的開關(guān)功率元件進(jìn)行脈寬調(diào)制（pulse width modulation，簡(jiǎn)稱PWM）控制方式已成為絕對(duì)主流。 脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)的概述除了能通過改變輸出電壓脈沖的幅值對(duì)輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制外，功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)動(dòng)作還可以有另外兩種可能的基本控制模式：脈沖寬度調(diào)制和脈沖頻率調(diào)制。由于脈沖寬度調(diào)制的分析、控制和實(shí)現(xiàn)都較脈沖頻率調(diào)制簡(jiǎn)單，因此應(yīng)用更廣泛，被絕大多數(shù)逆變器所采用。經(jīng)過三十多年的發(fā)展，PWM技術(shù)日益成熟并被廣泛應(yīng)用于各種逆變裝置中。目前，國(guó)際、國(guó)內(nèi)的學(xué)術(shù)界和工程界仍在不斷地探索和創(chuàng)新中，足見該領(lǐng)域的研究和發(fā)展方興未艾。計(jì)算機(jī)技術(shù)和大規(guī)模集成電路的飛速進(jìn)步，極大地簡(jiǎn)化了實(shí)施SPWM及矢量控制等復(fù)雜技術(shù)的方法，增強(qiáng)和擴(kuò)展了變頻器的功能，使變頻調(diào)速技術(shù)迅猛地發(fā)展起來。PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最為廣泛，對(duì)逆變電路的影響也最為深刻?？梢哉fPWM控制技術(shù)正是賴于在逆變電路中的應(yīng)用，才發(fā)展得如此成熟，才確定了它在電力電子技術(shù)中的地位。并根據(jù)仿真結(jié)果得到電機(jī)的電流，電壓，轉(zhuǎn)速等波形圖。并觀測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)特性以及有關(guān)參數(shù)變化的影響。在理論分析和仿真研究的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)，觀測(cè)不同調(diào)制方式與有關(guān)參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)性能的影響，作比較研究。具體內(nèi)容安排如下：第一章扼要介紹了該課題背景、主要任務(wù)和內(nèi)容；第二章主要對(duì)總體方案進(jìn)行論述；第三章介紹了閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其工作原理；第四章介紹了脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制技術(shù)的原理、采樣方法等等；第五章主要是具體軟件模擬仿真與硬件連接，包括在Matlab環(huán)境下對(duì)采用正弦脈沖寬度調(diào)制（SPWM）的感應(yīng)電機(jī)閉環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真。第2章 總體設(shè)計(jì)方案 概述DSP作為控制系統(tǒng)的主要組成部分，它們強(qiáng)大的功能和使用的方便以及編程的簡(jiǎn)單，使得它們?cè)诂F(xiàn)代控制技術(shù)中廣泛應(yīng)用。并總結(jié)出SPWM調(diào)速技術(shù)對(duì)直流電機(jī)調(diào)速的特點(diǎn)。它是控制部分、驅(qū)動(dòng)部分、檢測(cè)部分和主電路部分組成。第一個(gè)任務(wù)是在Matlab環(huán)境下，進(jìn)行采用正弦脈沖寬度調(diào)制（SPWM）的感應(yīng)電機(jī)開環(huán)變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真。Matlab語言集成度高，使用方便，輸入簡(jiǎn)潔，運(yùn)算高效，內(nèi)容豐富，并且很容易由用戶自行擴(kuò)展，并有控制系統(tǒng)、信號(hào)處理、圖像處理、系統(tǒng)辨識(shí)、模糊集合、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)及小波分析等20余個(gè)工具箱，Matlab由于強(qiáng)大的功能，在歐美等國(guó)家的一些大學(xué)里，Matlab已經(jīng)成為諸如數(shù)字信號(hào)處理、自動(dòng)控制理論等課程的主要工具軟件。 基于DSP變頻調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖第3章 直流調(diào)速系統(tǒng)按照傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)的類型來分，電氣傳動(dòng)有直流傳動(dòng)與交流傳動(dòng)兩大類。直流調(diào)速系統(tǒng)的分類：VM閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)）；可逆直流調(diào)速系統(tǒng)；無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)等等。下面介紹該直流調(diào)速系統(tǒng)： 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及特性對(duì)于要加入轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)閉環(huán)的調(diào)速系統(tǒng)，為了在起動(dòng)過程中只有電流負(fù)反饋起作用以保證最大允許恒定電流，不應(yīng)讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時(shí)加到一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸入端；到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后希望能使轉(zhuǎn)速恒定，靜差盡可能小，應(yīng)只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)控制器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串聯(lián)連接。轉(zhuǎn)速控制器的輸出就是相應(yīng)的電流參考信號(hào)，該信號(hào)與實(shí)際的電動(dòng)機(jī)相流信號(hào)比較，得到的誤差值作為電流控制器(ACR)的輸入。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，是內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，叫做外環(huán)。二者之間實(shí)行嵌套聯(lián)接，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉調(diào)速系統(tǒng)。電流控制器的主要作用：(1)使電流跟隨轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)后的給定值變化；(2)對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用；(3)啟動(dòng)時(shí)保證獲得允許的最大電流；(4)當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全保護(hù)作用。調(diào)節(jié)器的輸出歸納為兩個(gè)特征：而當(dāng)調(diào)節(jié)器輸出飽和輸出達(dá)到限幅值時(shí)，輸入量的變化不再影響輸出；當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和、輸出未達(dá)到限幅值時(shí)，比例積分作用使穩(wěn)態(tài)輸入偏差電壓總是為零。由于ASR和ACR均采用PI調(diào)節(jié)器，因此它們的輸入偏差電壓都是零，即() ()可見，穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上轉(zhuǎn)速n是給定電壓決定的，給定電流是由負(fù)載電流決定的，而控制電壓的大小則同時(shí) 和，或n和。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。這時(shí)，電流ACR只起輔助作用，系統(tǒng)的靜特性從=0（理想空載狀態(tài)）一直延續(xù)到B點(diǎn)，=，即穩(wěn)態(tài)特性的運(yùn)行段~A段。此時(shí)ASR失去了調(diào)節(jié)作用，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響，從而轉(zhuǎn)速外環(huán)呈現(xiàn)開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)在固定的最大給定電流（ASR的限幅值）作用下，依靠電流環(huán)對(duì)電流繼續(xù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，系統(tǒng)由恒轉(zhuǎn)速變?yōu)楹汶娏髡{(diào)節(jié)，成為一個(gè)電流無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)，從而獲得了極好的下垂特性。從靜特性上看，轉(zhuǎn)速環(huán)要求電流迅速地跟隨轉(zhuǎn)速變化，而電流環(huán)則力圖保持電流不變，這種性能有使靜特性變軟的趨勢(shì)，但它對(duì)于包在外面的速度反饋來說相當(dāng)于一種擾動(dòng)作用。即當(dāng)速度調(diào)節(jié)器ASR不飽和時(shí)，電流負(fù)反饋使靜特性可能產(chǎn)生的速降完全被ASR的積分作用消除。ASR的傳遞函數(shù)為()ACR的傳遞函數(shù)為：()式中，分別是ASR和ACR的穩(wěn)態(tài)放大系數(shù)；，分別是ASR和ACR的超前時(shí)間常數(shù)。為了減緩?fù)患咏o定時(shí)的沖擊，圖中還應(yīng)該在給定環(huán)節(jié)中增加一個(gè)具有相同時(shí)間常數(shù)的給定積分器。在起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和3個(gè)階段,整個(gè)過渡過程也就分成了3段，在圖中分別標(biāo)以I、II、III。隨著ASR的飽和與不飽和，整個(gè)系處于完全不同的兩種狀態(tài)，在不同的情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)，因此我們只能采用分段線性化的方法來分析，而不能簡(jiǎn)單地用線性控制理論來分析整個(gè)起動(dòng)過程，也不能簡(jiǎn)單地用線性控制理論來籠統(tǒng)地設(shè)計(jì)這樣的控制系統(tǒng)。在設(shè)備允許條件下實(shí)現(xiàn)最短的時(shí)間的控制稱作“時(shí)間最優(yōu)控制”，對(duì)于電力拖動(dòng)系統(tǒng)，在電動(dòng)機(jī)允許過載能力限制下的恒流起動(dòng)，這就是時(shí)間最優(yōu)控制。采用飽和非線性控制的方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制是一種很有實(shí)用價(jià)值的控制策略，在各種多環(huán)控制系統(tǒng)中普遍地得到應(yīng)用。因?yàn)檗D(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用的是PI 調(diào)節(jié)器時(shí)，因此必然存在轉(zhuǎn)速超調(diào)。 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜動(dòng)態(tài)品質(zhì)評(píng)價(jià)從靜特性上看，電流負(fù)反饋雖有使靜特性變軟的趨勢(shì)，但它對(duì)于包圍在外圍的速度反饋環(huán)來說相當(dāng)于一種擾動(dòng)作用。也就是說，當(dāng)速度調(diào)節(jié)器ASR不飽和時(shí)，電流負(fù)反饋使靜特性可能產(chǎn)生的速降完全能被ASR積分作用消除。從動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程上看，突加給定電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋還來不及反應(yīng)出來，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器便很快處于飽和狀態(tài)，輸出恒值限幅電壓，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器使電機(jī)很快啟動(dòng)。因此在啟動(dòng)過程中，相當(dāng)于速度環(huán)處于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)只在電流環(huán)的恒值調(diào)節(jié)作用下，保證電機(jī)恒最大電流（轉(zhuǎn)矩）下啟動(dòng)，直到轉(zhuǎn)速超調(diào)后速度環(huán)才開始真正發(fā)揮作用。既發(fā)揮了轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器各自的作用，又避免了在單環(huán)系統(tǒng)中兩種反饋牽制的缺陷，從而獲得了良好的靜、動(dòng)態(tài)品質(zhì)。在下章將對(duì)脈沖寬度調(diào)制進(jìn)行介紹。而輸出頻率的變化可通過改變此脈沖的調(diào)制周期來實(shí)現(xiàn)。由于輸出等幅脈沖只需恒定直流電源供電，可用不可控整流器取代相控整流器，使電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)大大改善。加上使用自關(guān)斷器件，開關(guān)頻率大幅度提高，輸出波形可以非常接近正弦波。 PWM基本原理——脈寬調(diào)制（PWM）。也就是在輸出波形的半個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次斜波諧波少。 在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。這里所說的效果基本相同。如把各輸出波形用傅里葉變換分析，則它們的低頻段特性非常接近，僅在高頻段略有差異。 例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N個(gè)彼此相連的脈沖所組成的波形。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積（即沖量）相等，就得到一組脈沖序列，這就是PWM波形。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時(shí)，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可，因此在交－直－交變頻器中，整流電路采用不可控的二極管電路即可，PWM逆變電路輸出的脈沖電壓就是直流側(cè)電壓的幅值。按照計(jì)算結(jié)果控制電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形。如果脈沖的寬度是按正弦規(guī)律變化(進(jìn)行調(diào)制)的，則稱為SPWM。逆變電路是PWM控制技術(shù)最為重要的場(chǎng)合。目前實(shí)際應(yīng)用的PWM逆變電路幾乎是電壓型電路，下面介紹電壓型的PWM逆變電路的控制方法。按照計(jì)算結(jié)果控制逆變電路中各開關(guān)器件的通斷,就可以得到所需要的PWM波形,這種方法稱之為計(jì)算法。與計(jì)算法相對(duì)應(yīng)的是調(diào)制法,即把希望輸出的波形作為調(diào)制信號(hào),把接受調(diào)制的信號(hào)作為載波,通過信號(hào)波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。因?yàn)榈妊遣ㄉ先我稽c(diǎn)的水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱,當(dāng)他與任何一個(gè)平緩變化的調(diào)制信號(hào)波相交時(shí),如果在交點(diǎn)時(shí)刻對(duì)電路中開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制,就可以得到寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖,這正好符合PWM控制的要求。當(dāng)調(diào)制信號(hào)不是正弦波,而是其他所需要的波形時(shí),也能得到與之等效的PWM波。 單相橋式PWM逆變電路。由于負(fù)載電流比電壓滯后，因此在電壓正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負(fù)。在負(fù)載電流為負(fù)的區(qū)間，仍為和導(dǎo)通時(shí)，因?yàn)樨?fù)，故實(shí)際上從和流過，仍有=；關(guān)斷，開通后，從和續(xù)流，=0。同樣，在的負(fù)半周，讓保持通態(tài)，保持?jǐn)鄳B(tài)，和交替通斷，負(fù)載電壓可以得到和零兩種電平。調(diào)制信號(hào)為正弦波，載波在的正半周為正極性的三角波，在的負(fù)半周為負(fù)極性的三角波。在的正半周，保持通態(tài)，保持?jǐn)鄳B(tài)，當(dāng)時(shí)使導(dǎo)通，關(guān)斷，=；當(dāng)時(shí)使關(guān)斷，導(dǎo)通，=0。這樣，就得到了SPWM波形。像這種在的半個(gè)周期內(nèi)三角波載波只在正極性或負(fù)極性一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的PWM波形也只在單個(gè)極性范圍變化的控制方式稱為單極性PWM控制方式。采用雙極性方式時(shí)，在的半個(gè)周期內(nèi)，三角波載波不再是單極性的，而是有正有負(fù)，所得的PWM波也是有正有負(fù)。兩種電平，而不像單極性控制時(shí)還有零電平。在和的正負(fù)半周，對(duì)各開關(guān)器件的控制規(guī)律相同。當(dāng)時(shí)，給以和導(dǎo)通信號(hào)，給以和關(guān)斷信號(hào)，這時(shí)0，則和通，如0，則和通，不管哪種情況都是=。根據(jù)載波和信號(hào)波是否同步及載波比的變化情況，PWM調(diào)制方式可分為異步調(diào)制、同步調(diào)制和分段同步調(diào)制三種。顯而易見，在異步調(diào)制方式中，由于載波頻率保持固定不變，在調(diào)制波頻率連續(xù)變化的