直流PWMM可逆調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

1、摘要基礎(chǔ)課程設(shè)計(論文)直流PWM-M可逆調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與仿真專 業(yè)：電氣工程及其自動化指導(dǎo)教師：劉雨楠小組成員：陳慧婷( 20114073166 ) 石文強( 20114073113 ) 劉志鵬( 20114073134 ) 張華國( 20114073151 )信息技術(shù)學(xué)院電氣工程系2014 年 10 月 20 日摘要當(dāng)今，自動化控制系統(tǒng)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，而直流調(diào)速控制作為電氣傳動的主流在現(xiàn)代化生產(chǎn)中起著主要作用。本文主要研究直流調(diào)速系統(tǒng)，它主要由三部分組成，包括控制部分、功率部分、直流電動機。 長期以來，直流電動機因其具有調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速比較靈活、方法簡單、易于大范圍內(nèi) 平滑調(diào)

2、速、控制性能好等特點，一直在傳動領(lǐng)域占有統(tǒng)治地位。微機技術(shù)的快 速發(fā)展，在控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文對基于微機控制的雙閉環(huán)可逆直流 PWM調(diào)速系統(tǒng)進行了較深入的研究，從直流調(diào)速系統(tǒng)原理出發(fā)，逐步建立了 雙閉環(huán)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，用微機硬件和軟件發(fā)展的最新成果， 探討一個將微機和電力拖動控制相結(jié)合的新的控制方法，研究工作在對控制對象全面回顧的基礎(chǔ)上， 重點對控制部分展開研究，它包括對實現(xiàn)控制所需要的硬件和軟件的探討，控制策略和控制算法的探討等內(nèi)容。在硬件方面充分利用微機外設(shè)接口豐富，運算速度快的特點，采取軟件和硬件相結(jié)合的措施，實現(xiàn) 對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制。論文分析了系統(tǒng)工作

3、原理和提高調(diào)速性能的方法，研究了 IGBT模塊應(yīng)用中驅(qū)動、吸收、保護控制等關(guān)鍵技術(shù)在微機控制方面，討論了數(shù)字觸發(fā)、數(shù)字測速、數(shù)字PWM調(diào)制器、雙極式 H型PWM變換電路、轉(zhuǎn)速與電流控制器的原理,并給出了軟、硬件實現(xiàn)方案。關(guān)鍵詞：直流可逆調(diào)速 數(shù)字觸發(fā)PWM數(shù)字控制器I 目錄目錄摘要 I1引言 11.1問題的提出 11.2 PWM控制的現(xiàn)狀和分類 22微機控制雙閉環(huán)可逆直流 PWM調(diào)速系統(tǒng)原理設(shè)計 42.1穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 42.3雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能 52.4可逆PWM變換器工作原理 92.5 PWM控制電路 123系統(tǒng)的仿真 153.1建立仿真模型 153.2 PWMFF環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

4、仿真結(jié)果 173.3 PWM雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果 19總結(jié) 21參考文獻 22ii 1 引言1.1 問題的提出為什么我們要研究一種由計算機系統(tǒng)控制的 PWM 直流控制系統(tǒng)？要回 答這個問題， 首先我們應(yīng)該系統(tǒng)的論述一下電動機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程及 現(xiàn)狀。電動機按電源供應(yīng)方式來分， 可以分為兩大類， 即直流電動機和交流電動 機。兩類電動機在調(diào)速方面存在著很大差異。直流電動機具有良好的起、制動 性，適宜在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速， 在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領(lǐng)域 得到了廣泛應(yīng)用。即便如此，直流電動機也存在著固有的很多缺點，制約了其 應(yīng)用 由于直流電動機使用直流電源， 它的碳刷和滑環(huán)都要經(jīng)常

5、更換， 這樣 的拆換工作是費時費力費財?shù)?，無疑會加重使用者的負擔(dān)。因此，人們希望簡 單可靠低廉的交流電動機也能像直流電動機那樣調(diào)速。定子調(diào)速、變極調(diào)速、 滑差調(diào)速和轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和串極調(diào)速等調(diào)速方法應(yīng)運而生， 同時， 由于技術(shù) 的成熟，滑差電動機、繞線式電動機、同步式交流電機等隨即出現(xiàn)，帶來了電 機史上的一次飛躍。 但是，這些電動機的調(diào)速性能仍然不能與直流電動機相比。 直到 20世紀 80 年代，變頻調(diào)速的出現(xiàn)才解決了直流電機調(diào)速性能好卻費時費 力的缺點。那么又是什么促成了變頻調(diào)速的產(chǎn)生呢？電力電子技術(shù)、 微電子技術(shù)和信息技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展， 直接推動了變頻調(diào) 速系統(tǒng)的產(chǎn)生。由于變頻調(diào)速具有其他

6、調(diào)速方式所不具有的幾大特點：1) PWM 調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡單，需用的功率器件少2) 開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較小3) 低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍廣，可達到1: 10000 左右4) 如果可以與快速響應(yīng)的電動機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動 態(tài)抗擾能力強5) 功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時，開 關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高6) 直流電源采用不可控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高 變頻調(diào)速很快為廣大電動機用戶所接受，成為了一種最受歡迎的調(diào)速方 法，在一些中小容量的動態(tài)高性能系統(tǒng)中更是已經(jīng)完全取代了其他調(diào)速方式。 由此可見，變頻調(diào)

7、速是非常值得自動化工作者去研究的。在變頻調(diào)速方式中， PWM 調(diào)速方式尤為大家所重視，這是我們選取它作為研究對象的重要原因。而在眾多 PWM 變換器實現(xiàn)方法中， 又以 H 型 PWM 變換器更為多見。這 種電路具備電流連續(xù)、 電動機四象限運行、 無摩擦死區(qū)、 低速平穩(wěn)性好等優(yōu)點。 因此，本次設(shè)計以 H 型 PWM 直流控制器為主要研究對象。要研究 PWM 調(diào)速方法，不能不提到微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)和微機控 制技術(shù)，沒有這些技術(shù)的支持，我們就只能還是在走前人的老路，被模擬、人 工控制的思維所禁錮。 在電動機轉(zhuǎn)速控制領(lǐng)域， 如果不能有效的引用這些技術(shù)， 我們很難有所突破，發(fā)現(xiàn)問題，進而有所進步。

8、微機控制技術(shù)的發(fā)展也就是計算機控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程。 它的發(fā)展大體可 以分為三個階段： 第一個階段是 1965 年后的實驗階段， 自從 1952 年計算機被 應(yīng)用于生產(chǎn)過程中后， 它應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域并創(chuàng)造巨大價值的潛力立刻為世人所 注意，進而被大面積研究試用起來。 1959 年，美國得克薩斯州的一家煉油廠 成功建成了世界上第一個計算機控制系統(tǒng)，標志著這項技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)開始。 第二個階段是 1965 年到 1972 年間的實用階段。 在這段時間里， 計算機控制系 統(tǒng)開始從單項工程試驗中邁向?qū)嵱?，并且得到了系統(tǒng)的完善。在這一時期，計 算機集中控制得到認可。在高度集中控制時，若計算機出現(xiàn)故障，將對整個生

9、 產(chǎn)產(chǎn)生嚴重影響。為了應(yīng)對這種負面影響，人們采取了多機并用的方案，促進 了計算機控制系統(tǒng)的進一步發(fā)展。第三個階段是從 1972 年至今，在這個階段 才真正出現(xiàn)了微機的概念，以它為核心，衍生出了很多計算機控制系統(tǒng)，如操 作指導(dǎo)控制系統(tǒng)、 直接數(shù)字控制系統(tǒng)、 監(jiān)督計算機控制系統(tǒng)以及分布式控制系 統(tǒng)，而隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，計算機控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)小物起大用的效果， 既不占空間，又可以同時處理很多生產(chǎn)問題，省時省力，計算機控制技術(shù)走向 了成熟。而隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，計算機控制系統(tǒng)開始向網(wǎng)絡(luò)化變遷，相信 會有更大的發(fā)展空間。電力電子技術(shù)作為電源技術(shù)產(chǎn)業(yè)的支柱性領(lǐng)域， 也已經(jīng)經(jīng)過了漫長的發(fā)展 歷程。這些

10、技術(shù)如果都能被應(yīng)用到 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的控制當(dāng)中，勢必會使得調(diào) 速系統(tǒng)的性能有一個很大的提升。在調(diào)速技術(shù)走到這個類似瓶頸地步的今天， 這種嘗試無疑是一種很有潛力的設(shè)想。至于系統(tǒng)應(yīng)該如何構(gòu)成， 系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果會如何， 這些都是很需要探 討的問題，那么，這個研究就是很必要的了，也是我寫這篇論文闡述探討結(jié)果 的理由。1.2 PWM 控制的現(xiàn)狀和分類目前， 高頻電壓領(lǐng)域的具體發(fā)展狀況基本情況是這樣的。目前已經(jīng)提到并得到應(yīng)用的 PWM 控制方案就不下于數(shù)十種，尤其是微處理器應(yīng)用于 PWM 技 術(shù)數(shù)字化后，花樣是不斷翻新，從最初追求電壓波形的正弦，到電流波形的正 弦，再到磁通的正弦；從效率最優(yōu)，轉(zhuǎn)矩脈

11、動最少，再到消除噪音等， PWM 控制技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了一個不斷創(chuàng)新和不斷完善的過程。 目前仍有新的方案不 斷提出，這說明該項技術(shù)的研究方興未艾。不少方法已經(jīng)趨向于成熟，并有許 多已經(jīng)在實際中得到應(yīng)用。PWM控制技術(shù)一般可分為三大類， 即正弦PWM、優(yōu)化PWM及隨機PWM , 從實現(xiàn)方法上來看，大致有模擬式和數(shù)字式兩種，而數(shù)字式中又包括硬件、軟 件或查表等幾種實現(xiàn)方式，從控制特性來看主要可分為兩種：開環(huán)式（電壓或 磁通控制型）和閉環(huán)式（電流或磁控型） 。隨著計算機畢業(yè)設(shè)計技術(shù)的不斷進步，數(shù)字化 PWM 已逐步取代模擬式 PWM ，成為電力電子裝置共用的核心技術(shù)。交流電機調(diào)速性能的不斷提高在 很大

12、程度上是由于 PWM 技術(shù)的不斷進步。目前廣泛應(yīng)用的是在規(guī)則采樣 PWM 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的準優(yōu)化 PWM 法，即三次諧波疊加法和電壓空間矢 量 PWM 法，這兩種方法具有計算簡單、實時控制容易的特點。- 3 -2微機控制雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)原理設(shè)計2.1穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性為了分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，繪出了它的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-1所示。分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的PI調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征。一般存在兩種狀況：飽和：輸出達到限幅值；不飽和：輸出未達到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時， 輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和

13、輸出間的關(guān)系，相當(dāng)于使 調(diào)節(jié)環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時，PI作用使輸入偏差電壓 U在穩(wěn)態(tài)時總是為零。-5 -和由第一關(guān)系式可得:U* Ui Id(2-2)U；no(2-3)圖2-1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。因此，對于 靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。（一）速調(diào)節(jié)器不飽和這時，兩個調(diào)節(jié)器都不飽和，穩(wěn)態(tài)時，它們的輸入偏差電壓都是零。因此(2-1)U； Un n從而得到圖2-1靜特性的|no AL段。*與此同時，由于 ASR不飽和，回V卩花 從上述第二個關(guān)系式可知：耐V花訂。這就是說，no A|段靜特性打=0 （理想空載狀態(tài)）一直延續(xù)

14、 到Id Idm |。而甬一般都是大于額定電流 帀|的，這就是靜特性的運行段。 （二）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和這時，asr輸出達到限幅值um，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系 統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個電流無靜差的單閉環(huán)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時*U .Id A Idm（ 2-4）式中，最大電流 匕m是設(shè)計者選定的，取決于電機的容許過載能力和拖動 系統(tǒng)允許的最大加度（2 2）所描述的靜特性是圖2-2的A-B段。這樣的下垂特性只適合于 *岡的情況。因為如果|n no|，則|Un U；|，ASR將退出飽和 狀態(tài)圖2-2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負載電流小于時也m表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時,轉(zhuǎn)負反

15、饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負載電流達吐后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流的自動保護。這就是 采用了兩個pi調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比 帶電流至負反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。然而實際上運算放大器的開環(huán)放大系數(shù)并不是無窮大，靜特性的兩段實際上都略有很小的靜差。2.3雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能動態(tài)數(shù)學(xué)模型:考慮到雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)可繪出雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-3所示。圖中|Wasrs和Wasc s |分別表示轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出 電流反饋，電機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中必須把電流輛顯露出來。圖2-3雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動

16、態(tài)結(jié)構(gòu)圖起動過程分析：設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近于理想的起動過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要首先探討它的起動過程。雙閉環(huán)調(diào)速系突加給定電壓 U由靜止狀態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程如圖2-4所示。由于在起動過程碩速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段，整個過渡過程也就分成三段，在圖中分別以I II、II I-7 -圖2-4雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)起動時轉(zhuǎn)速和電流波形冋后，通過兩個調(diào)節(jié)器 電動機開始轉(zhuǎn)動。由于電ASR的輸入偏差電壓Un U； Un數(shù)值較大，其輸出很快達到限幅值當(dāng)1 d1 dm時，Ui Um，電流調(diào)節(jié)器的作用使Um，強迫電流 時迅速上升。 |不

17、在迅速增長，標志著這一階第I階段0冋是電流上升的階段。突加給定電壓 的控制作用，使、Ud0、冋上升，當(dāng)|ld ldi|后, 慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會很快，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器段的結(jié)束。在這一階段中，ASR由不飽和很快達到飽和，而 ACR 一般應(yīng)該不 飽和以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。第ii階段匚是恒流升速階段。從電流升到咀開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值 血（即靜特性上的Ri）為止，屬于恒流升速階段，是起動過程的主要階段。 在這個階段中，asR 一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于是開環(huán)。系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒 值電流給定Um作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流冋恒定（電流可能超 也可能不超調(diào)，取決于電流調(diào)節(jié)環(huán)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)），因而

18、拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長（圖2-4）。與此同時，電動機的反電動勢E也按線性增長。對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，這個反電動勢是一個線性漸增的擾動量，為了克服 這個擾動，U#和匹也必須基本上按線性增長，才能保持冊恒定。由于電流調(diào)節(jié)器ACR呢PI調(diào)節(jié)器，要使它的輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓必Un U； Un |須維持一定的恒值，也就是說，冋應(yīng)略低于 R。此外還應(yīng)指出，為了保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動過程中電流調(diào)節(jié)器是不飽和的。第Ill階段忖以后是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這階段開始時，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達到給定 值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓相平衡，輸入偏差為零，但其輸出卻由于積 分作用還維持在限幅值”鳥，所

19、以電機仍在最大電流下加速，必然會使轉(zhuǎn)速超 調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后， ASR輸入端出現(xiàn)負的偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，其 輸出電壓即ACR的給定電壓 f立即從限幅值降下來，主電流也因耐而下降。但是，由于 囘仍大于負載電流 芮，在一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速任繼續(xù)上升。到|5 時，轉(zhuǎn)矩 忙 T 則|d；/dt 0|，轉(zhuǎn)速n到達峰值 也時）。此后。電動機才開始在 負載的阻力下減速，與此相應(yīng)，電流血也出現(xiàn)一段小于 冋的過程，直到穩(wěn)定。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR與ACR都不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在外環(huán)，ASR處于主導(dǎo)地位，而 ACR的作用則是力圖使 對盡快地跟 隨ASR的輸出量，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個電

20、流隨動子系統(tǒng)動態(tài)性能和兩個調(diào)節(jié)器的作用：（一）動態(tài)跟隨性能如上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在起動和升速過程中，能夠在電流受電機過載能力約束的條件下，表現(xiàn)出很快的動態(tài)跟隨性能。在減速過程中，由于主電路 電流的不可逆性，跟隨性能變差。對于電流內(nèi)環(huán)來說，在設(shè)計調(diào)節(jié)器時應(yīng)該強 調(diào)有良好的跟隨性能。（二）動態(tài)抗擾性能1 抗負載擾動-# -由圖2-8動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，負載擾動作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn) 速調(diào)節(jié)器來產(chǎn)生抗擾作用。因此，在突加（減）負載時，必然會引起動態(tài)速降（升）。為了減少動態(tài)速降（升），必須在設(shè)計 ASR時，要求系統(tǒng)具有較好的 抗擾性能指標。對于 ACR的設(shè)計來說，只要電流環(huán)具有良好的跟隨性能就

21、可 以了。2電網(wǎng)電壓擾動和負載擾動在系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中作用的位置不同，系統(tǒng)對它的動態(tài)抗擾效果也不一 樣。例如圖2-8 a的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，電網(wǎng)電壓擾動Ud和負載電流擾動Idi都作用在被負反饋包圍的前向通道上，僅靜特性而言，窯統(tǒng)對它們的抗擾效果是一樣的。但是從動態(tài)性能上看，由于擾動作用的位置不同，還存在著及時調(diào)節(jié) 上的差別。負載擾動 乂作用在被調(diào)量n的前面。它的變化經(jīng)積分后就可被轉(zhuǎn) 速檢測出來，從而在調(diào)節(jié)器 ASR上得到反映。電網(wǎng)電壓擾動的作用點離被調(diào) 量更遠，它的波形先要受到電磁慣性的阻撓后影響到電樞電流，再經(jīng)過機電慣性的滯后才能反映到轉(zhuǎn)速上來，等到轉(zhuǎn)速反饋產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，已經(jīng)嫌晚。在雙 閉環(huán)調(diào)速

22、系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)（圖 2-5 b），這個問題便大有好轉(zhuǎn)。由 于電網(wǎng)電壓擾動被包圍在電流環(huán)之內(nèi)，當(dāng)電壓波動時，可以通過電流反饋得到及時的調(diào)節(jié)，不必等到影響到轉(zhuǎn)速后，才在系統(tǒng)中起作用。因此，在雙閉環(huán)調(diào) 速系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的動態(tài)速降會比單閉環(huán)系統(tǒng)中小得多。土 MJaa)a）單閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)b）雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)2.4可逆PWM變換器工作原理可逆變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式有 H型、T型等多種類型，現(xiàn)在選用常用 的H型變換器，它是由4個電力晶體管和 4個續(xù)流二極管組成的橋式電路。 H 型變換器在控制方式上分為雙極式、單極式和受限式三種。本設(shè)計選用雙極式H型PWM變換器。50ns.基圖3

23、-1繪出了雙極式 H型PWM變換器的電路原理圖。 4個IGBT選用德 國西門康公司生產(chǎn)型號為 SKM 50GB123D，二極管選用 MOTOROLA 公司生 產(chǎn)的超快恢復(fù)功率二極管，型號為MUR200 40CT,反向恢復(fù)時間小于VT2和VT3截止。這是，+ |Us加在電樞AB兩端,|Uab=Us 1流通。tn三t 時，和變負，VT1和函截止；極驅(qū)動電壓分為兩組。 VT1和VT4同時導(dǎo)通和關(guān)斷，其驅(qū)動電壓 U巴和 和網(wǎng)同時動作，其驅(qū)動電壓 應(yīng)2=U叢二匚。它們的波形如圖 3 11所示。 在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0t向時，貳和|Ub4為正，晶體管 g和VT4飽和導(dǎo)通； 而Ub2和Ub3為負， 電樞電流

24、id沿回路變正，但 冋、并不能立即導(dǎo)通，因為在電樞電感釋放儲能的作用下， di沿回路2經(jīng)和、VDsl續(xù)流,叵、叵上的壓降使IVTJ、VT3極承受反壓， 這時，咗=1礦UAB在一個周期內(nèi)正負相間，這是雙極式PWM變換器的特征。-9 -由于電壓Uab的正、負變化，使電流波形存在兩種情況，如圖2-6中的血和idj。M相當(dāng)于電動機負載較重的情況，這是平均負載電流大，在連續(xù)階段 電流仍維持正方向，電機始終工作在第一象限的電動狀態(tài)。囲相當(dāng)于負載很輕的情況，平均電流小，在續(xù)流階段電流很快衰減到零，于是pVT和V3極兩端失去反壓，在負的電源電壓（-也）和電樞反電動勢的合成作用下導(dǎo)通氏 樞電流反向，沿回路 3流

25、通，電機處于制動狀態(tài)。與此相仿，在owt治n期間，當(dāng)負載輕時，電流也有一次倒向。雙極式PWM變換器的可逆要視正、負脈沖電壓的寬窄而定。當(dāng)正脈沖較 寬時，則電樞兩端的平均電壓為正，在電動運行時電動機正轉(zhuǎn)。當(dāng)正脈沖較窄 時，平均電壓為負，電動機反轉(zhuǎn)。如果正、負脈沖寬度相等，平均電壓為零， 則電動機停止。圖2-7雙極式PWM變換器電壓和電流波形雙極式可逆PWM變換器電樞平均端電壓為:Il Jn | | T 切/2切UdUsUs (從(2-5)_=定義PWMfe壓的占空比，則以（2-6）I為負值時,2ton冋的變化范圍為卜ivpviL當(dāng)為正值時，電動機正轉(zhuǎn);電動機反轉(zhuǎn)。這個交變電流平均值為零，不產(chǎn)生平

26、均轉(zhuǎn)矩，陡然增大電機的損 耗。但它的好處是使電機帶有高頻的微振，起著所謂“動力潤滑”的作用，消 除正、反向的靜摩擦死區(qū)。雙極式PWM變換器的優(yōu)點如下:（1）電流一定是連續(xù)的；（2）可使電動機在四象限運行；（3）電機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；（4）低速時，每個晶體管的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導(dǎo) 通；（5） 低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍可達20000左右。2.5 PWM控制電路經(jīng)典的模擬控制電路主要由PWM電路、延時電路和驅(qū)動電路組成。而PWM發(fā)生電路是采用三角波發(fā)生器產(chǎn)生的三角波放大后與一路可調(diào)直流電壓（電流調(diào)節(jié)器輸出的Uct）進行比較，則電壓比較器輸出的是一系列方波信號。如果改

27、變卩訂的大小，那么方波脈沖寬度將會改變，從而達到脈寬調(diào)制的 目的。其基本電路吉構(gòu)和調(diào)制原理如圖3-3。脈寬調(diào)制信號的質(zhì)量， 對于PWM調(diào)速系統(tǒng)是十分重要的。然而它的質(zhì)量主要取決于三角波信號的質(zhì)量。如果三角波的線性度不好，那么PWM的輸出將得不到對稱的波形。這對調(diào)速系統(tǒng)來說，將大大地降低系統(tǒng)的性能，出現(xiàn)正反轉(zhuǎn)不平衡。ua4 zi N.V yi.11111L1Lt.圖2-8 PWM基本電路結(jié)構(gòu)和調(diào)制原理脈寬調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)機械特性:在穩(wěn)態(tài)情況下，脈寬調(diào)速系統(tǒng)中電動機所承受的電壓仍為脈沖電壓，因此盡管有高頻電感的平波作用，電樞電流和轉(zhuǎn)速還是脈動的。所謂穩(wěn)態(tài)，只是指 電機的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相平衡的

28、狀態(tài)，電樞電流實際上是周期變化 的，只能是算作“準穩(wěn)態(tài)”。脈寬調(diào)速系統(tǒng)在準穩(wěn)態(tài)下的機械特性是平均轉(zhuǎn)速 與平均轉(zhuǎn)矩（電流）的關(guān)系。在雙極式可逆 PWM電路中，具有反向電流通路，在同一轉(zhuǎn)向下電流可正可負，無論是重載還是輕載，電流波形都是連續(xù)的，這就使機械特性的關(guān)系式 簡單得多，對于雙極式可逆電路，其電壓方程為：0 tton(2-7)did1Us Rid1 LE dt0 t Tton (2-8)如上兩式所示，一個周期內(nèi)電樞兩端的平均電壓都是 用I d表示，平均電磁轉(zhuǎn)矩為TeavCm1 dUdUs，平均電流，而電樞回路電感電壓的平均值為零。13于是，上式平均值方程都可寫成Us Rid E RJ Cen

29、(2-9)則機械特性方程式為或用轉(zhuǎn)矩表示(2-10)第二象限的機械特性,UsRnCeCeTnRTc Teavn 0 TeavCmCeC mn0U S / Ce，與占空比成正比。Cen0 1 dCeUs R ,1 dCe其中理想空載轉(zhuǎn)速(2-11)圖3 4繪出了第一、它適用于帶制動作用的不可逆電路可逆電路的機械特性與此相仿，只是擴展到第三、第四象限而已n i1-_二07% p = 0.5嗎,/?-0.75p = 0.50-25Q 圖2 9脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機械特性脈寬調(diào)制器和PWM變換器的傳遞函數(shù)：13T根據(jù)其工作原理，當(dāng)控制電壓 CU改變時，PWMS換器的輸出電壓要到下 一個周期方能改變。因此，脈

30、寬調(diào)制器和PWMS換器合起來可以看成一個滯后 環(huán)節(jié)，它的延時最大不超過一個開關(guān)周期 T。貝當(dāng)整個系統(tǒng)開環(huán)頻率特性截 至頻率滿足下式時(2-12)PWM變換器(2-13)可將滯后環(huán)節(jié)近似看成一階慣性環(huán)節(jié)。因此，脈寬調(diào)制器和 的傳遞函數(shù)可近似看成k八pwmW pwm S Ts 1式中kpwmUdUc為寬調(diào)制器和PWM換器的放大系數(shù);也為PWM變換器的輸出電壓； 也為脈寬調(diào)制器的控制電壓21 -3系統(tǒng)的仿真3.1建立仿真模型(1) 打開MATLAB中的Simulink工具箱，將所需模塊拖入模型編輯窗口并 將其相連。(2) 將設(shè)計的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)輸入各個模塊，運行調(diào)試功能，如果無 誤后就可以運行系

31、統(tǒng)。(3) 運行后便可通過模擬示波器觀察波形。1. PWM發(fā)生器防真模型如圖3-1示:=:.=E=-In1LqFMN Generator;卜XDOut13.0SI心；Pu曲S&lectcr!1t1PWI圖3-1PWM發(fā)生器防真模型2. H橋PWM開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型如圖3-2所示4茍T d 5 化1泌七:如-gK口S三* T0Cl：3二 EbpVpl:-Z VI _L.-11* ix an V匚 Jr EI他他m自#號圖3-2 PWM開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型3.2 PWM開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果在如圖3-4所示的轉(zhuǎn)速給定條件下，可以得到H橋PWM開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的 電樞電流，電樞電壓，電磁轉(zhuǎn)矩，輸出轉(zhuǎn)速的

32、仿真圖。圖3-4轉(zhuǎn)速給定1(3 1圖3-5開環(huán)系統(tǒng)電樞電流仿真圖一如圖3-5所示：在T=0時，轉(zhuǎn)速給定 區(qū)=8，電樞電流lia=20，隨著轉(zhuǎn)速的 上升，電樞電流開始下降，當(dāng)* T=1時，系統(tǒng)穩(wěn)定，電樞電流 丄=6也保持一穩(wěn) 定值。當(dāng)T=2時，轉(zhuǎn)速給定=-8，電樞電流也反向達到最大，然后電樞電流 乂的變化過程和正向給定一樣。f.二20t冋圖3-6開環(huán)系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩仿真圖如圖3-6所以：因為電磁轉(zhuǎn)矩（Te和電樞電流也有關(guān)，所以它的變化過程和 電樞電流一模一樣。15U010005000-jOO-1000-15000 S1 522圖3-7開環(huán)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速仿真圖如圖3-7所示：T=0時，在轉(zhuǎn)速給定 hJ=

33、8的條件下，轉(zhuǎn)速 N=0開始加速 上升。當(dāng)T=1時，電樞電流達到穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速加速度也等于零，轉(zhuǎn)速也達到最 大N=1750,系統(tǒng)穩(wěn)定。當(dāng)T=2時，隨著轉(zhuǎn)速給定 3=-8反向，轉(zhuǎn)速開始加速下 降，并在很短的時間里下降到零。緊接著轉(zhuǎn)速開始反向加速，然后和正向起動 是一樣的過程。3.3 PWM雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果同樣在如圖5-1所示的轉(zhuǎn)速給定下。 我們可以用H橋PWM雙閉環(huán)調(diào)速系 統(tǒng)仿真模型得到閉環(huán)系統(tǒng)的電樞電流，電樞電壓，電磁轉(zhuǎn)矩，和輸出轉(zhuǎn)速的仿 真圖。圖3-8雙閉環(huán)系統(tǒng)電樞電流仿真圖如圖3-8所示：因為雙閉環(huán)系統(tǒng)有電流負反饋，所以電樞電流理論上基本保持一樣。只是在不同的轉(zhuǎn)速給定下大小和方向不同。

34、比如在轉(zhuǎn)速給定是正值時，它也是正值。反之它就是負值。圖3-9雙閉環(huán)系統(tǒng) PWM輸出波形tig圖3-10閉環(huán)系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速仿真圖-# -總結(jié)本文對電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流可逆 PWM 調(diào)速系統(tǒng)進行了較深入的研究， 從直流調(diào)速系統(tǒng)原理出發(fā)， 逐步建立了雙閉環(huán)直流可逆 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué) 模型并對電流控制器與轉(zhuǎn)速控制器的設(shè)計進行了探討， 然后在微機實現(xiàn)上討論 了數(shù)字觸發(fā)、數(shù)字測速、轉(zhuǎn)速與電流控制器的原理并給出了軟件、硬件實現(xiàn)方 案?，F(xiàn)代電機控制的發(fā)展，一方面要求提高性能、降低損耗、減少成本，另一 方面又不斷地有技術(shù)指標及其苛刻特殊應(yīng)用系統(tǒng)要求。 隨著微電子技術(shù)、 電力 電子技術(shù)和計算機技術(shù)地飛速發(fā)展，

35、 以及控制理論地完善、 仿真工具地日漸成 熟，給電機控制行業(yè)帶來了很多機遇和反展契機。 使用高性能的微機解決電機 控制器不斷增加的計算量和速度要求，使其功能強大、維修方便、適用范圍廣 又非常經(jīng)濟。雖然，在研究的過程中克服了很多困難，解決了不少問題，提出 創(chuàng)新思路，但由于研究環(huán)境的限制，本研究只是處于初級階段。它將是一個有 益而大膽的探索， 為以后的研究工作開了一個好頭， 相信將來會有很多成果出 現(xiàn)。限于篇幅，本文未涉及以下幾個方面的內(nèi)容： 1電動機負載較輕時電流斷續(xù)時可采用自適應(yīng)調(diào)節(jié)器。 2自動控制理論中的復(fù)雜推導(dǎo)。3額定轉(zhuǎn)速以上的弱磁調(diào)速系統(tǒng)。4典型系統(tǒng)的介紹。5系統(tǒng)參數(shù)、電流調(diào)節(jié)器和速度調(diào)

36、節(jié)器的定量計算。 通過對你課題的研究我有以下幾個方面的收獲： 1學(xué)習(xí)與掌握了微機的基本原理及其各種應(yīng)用，對它的各種硬件接口與 軟件方法有了較深入的認識和了解。2對開關(guān)電源的工作原理和設(shè)計方法有了較深入的了解。3對自動控制系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能及其控制有一定的認識。5掌握了不少軟件的應(yīng)用如 PROTEL、SPICE、MATLAB 、VISIO 、匯編 語言等。- 23參考文獻1 李仁定 .電機的微機控制 .北京：機械工業(yè)出版社， 19992 陳伯時 .電力拖動自動控制系統(tǒng) .北京：機械工業(yè)出版社， 20003 莫正康 .電力電子應(yīng)用技術(shù) .北京：機械工業(yè)出版社， 20014 高鵬，安濤，寇懷誠等 .

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