【正文】 學(xué)基本理論可知，直流電動機轉(zhuǎn)速特性方程式為: （21）Φ—勵磁磁通；由上式可見，直流電動機調(diào)速方案可有以下三種。電樞回路串電阻R，起動電流為： （22）為了保持起動過程的平穩(wěn)性，希望串入電阻平滑調(diào)節(jié)，一般采用分段切除的方法。圖21調(diào)阻調(diào)速特性曲線電樞串電阻調(diào)速的特點：(1)R=0時，電動機運行于固有機械特性的“基速”上，隨著串入電阻的增加，轉(zhuǎn)速降低——串電阻調(diào)速從“基速”下調(diào)。(2)串電阻調(diào)速時，如果負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩的，電動機運行于不同的轉(zhuǎn)速，和時，電動機的電樞電流是不變的。(3)串電阻調(diào)速時，由于R上流過很大的電樞電流，R上將有較大的損耗，轉(zhuǎn)速越低，損耗越大。(4)串電阻調(diào)速時，電機工作于一組機械特性上，各條特性經(jīng)過相同的理想空載點，而斜率不同。R越大，斜率越大，特性越軟，電機在低速運行時穩(wěn)定性差。圖22弱磁調(diào)速特性曲線弱磁調(diào)速的特點：(1)勵磁回路所串的調(diào)節(jié)電阻的損耗很小，可借助于連續(xù)調(diào)節(jié)值，實現(xiàn)“基速”上調(diào)的無級調(diào)速。(2)弱磁調(diào)速由于受到換相能力和機械強度的限制，轉(zhuǎn)速不能過高。特殊電機設(shè)計可達(dá)34的。(3)電機拖動恒功率負(fù)載時，為常數(shù)；弱磁調(diào)速時，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩滿足： （23） （24）電機的電磁功率為: （25）如果電機拖動恒功率負(fù)載，即： （26）弱磁調(diào)速雖然能實現(xiàn)平滑調(diào)速，但其調(diào)速范圍太小，特性較軟，因而只是在額定轉(zhuǎn)速以下作小范圍升速時才采用。圖23調(diào)壓調(diào)速特性曲線調(diào)壓調(diào)速的特點：(1)改變電樞電壓，可得到一簇與固有機械特性平行且低于固有機械特性的人為機械特性。(2)降低電源電壓，電動機的機械特性斜率不變，即硬度不變。與串電阻調(diào)速相比較，降低電源電壓調(diào)速在低速范圍運行時，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性要好得多。對于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，對不同轉(zhuǎn)速，電樞電流不變。直流電機調(diào)速系統(tǒng)的要求有：(1)調(diào)速。(2)快速、穩(wěn)定的運行。不因各種可能的外來干擾而產(chǎn)生過大的轉(zhuǎn)速波動。(3)快速性。盡快地加、減速，縮短起、制動時間。 性能指標(biāo)：直流電機調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)有：(1)靜態(tài)指標(biāo)：1調(diào)速范圍D在額定負(fù)載條件下電動機能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比稱為調(diào)速范圍，用字母D表示，即： （27）對于少數(shù)負(fù)載很輕的機械，例如精密磨床，也可以采用實際負(fù)載時的轉(zhuǎn)速來計算。在設(shè)計調(diào)速系統(tǒng)時，通常視為電動機的額定轉(zhuǎn)速。2靜差率S：當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負(fù)載由理想空載變到額定負(fù)載所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱為靜差率S，即： (28)是一個衡量特性的硬度的指標(biāo)。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)，主要是指最低轉(zhuǎn)速時的靜差率，如下式所示： (29)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中D、S和的關(guān)系： (210)(2)動態(tài)指標(biāo):1跟隨性能指標(biāo)（單位階躍響應(yīng)）:穩(wěn)定性——超調(diào)量 （211）快速性——上升時間過度過程時間——調(diào)節(jié)時間2抗繞性能指標(biāo)：系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，突加一定數(shù)值的擾動后所引起的輸出量的最大變化，用原穩(wěn)態(tài)值輸出的百分?jǐn)?shù)表示，叫做最大動態(tài)變化量。穩(wěn)態(tài)誤差：恢復(fù)時間：從階躍擾動作用開始，到輸出量基本上恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，與新穩(wěn)態(tài)值誤差（或進人某個規(guī)定的基準(zhǔn)值）的177。5％或177。2％范圍之內(nèi)所需的時間，定義為恢復(fù)時間。 buck電路基本結(jié)構(gòu)圖24buck電路原理圖 buck電路基本規(guī)律 Buck電路的基本規(guī)律是：(1)從電路可以看出，電感L和電容C組成低通濾波器，此濾波器設(shè)計的原則是使的直流分量可以通過，而抑制的諧波分量通過；電容上輸出電壓就是的直流分量再附加微小紋波ripple(t)。 (2)電路工作頻率很高，一個開關(guān)周期內(nèi)電容充放電引起的紋波ripple(t)很小，相對于電容上輸出的直流電壓有： （212） 電路穩(wěn)態(tài)工作時，輸出電容上電壓由微小的紋波和較大的直流分量組成，宏觀上可以看作是恒定直流，這就是開關(guān)電路穩(wěn)態(tài)分析中的小紋波近似原理。(3)一個周期內(nèi)電容充電電荷高于放電電荷時，電容電壓升高，導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷減小、放電電荷增加，使電容電壓上升速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達(dá)到充放電平衡，此時電壓維持不變；反之，如果一個周期內(nèi)放電電荷高于充電電荷，將導(dǎo)致后面周期內(nèi)充電電荷增加、放電電荷減小，使電容電壓下降速度減慢，這種過程的延續(xù)直至達(dá)到充放電平衡，最終維持電壓不變。這種過程是電容上電壓調(diào)整的過渡過程，在電路穩(wěn)態(tài)工作時，電路達(dá)到穩(wěn)定平衡，電容上充放電也達(dá)到平衡，這是電路穩(wěn)態(tài)工作時的一個普遍規(guī)律。(4)開關(guān)S導(dǎo)通而主回路導(dǎo)通時，電感電流增加，電感儲能；而當(dāng)開關(guān)關(guān)斷二反向回路導(dǎo)通時，電感電流減小，電感釋能。假定電流增加量大于電流減小量，則一個開關(guān)周期內(nèi)電感為： （213）磁鏈增量為： （214）此增量將產(chǎn)生一個平均感應(yīng)電勢，此電勢將減小電感電流的上升速度并同時降低電感電流的下降速度，最終將導(dǎo)致一個周期內(nèi)電感電流平均增量為零；一個開關(guān)周期內(nèi)電感上磁鏈增量小于零的狀況也一樣。 這也是電力電子電路穩(wěn)態(tài)運行時的又一個普遍規(guī)律。根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進行控制的系統(tǒng)。圖25 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖 （215）它相當(dāng)于在測速反饋電位器輸出端把反饋回路斷開后，從放大器輸入起直到測速反饋輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各環(huán)節(jié)單獨的放大系數(shù)的乘積。電動機 放大系數(shù)為： （216）只考慮擾動作用時的閉環(huán)系統(tǒng)：圖27 =0時 （217）如果斷開反饋回路，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機械特性為： （218）而閉環(huán)時的靜特性可寫成： （219）其中和分別表示開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速，和分別表示開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。 （220）按理想空載轉(zhuǎn)速相同的情況比較，則 = 時： （221）閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質(zhì)在于它的自動調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓，以補償電樞回路電阻壓降。圖28 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機械特性的關(guān)系本章主要介紹了直流電機調(diào)速系統(tǒng)的分類與幾種調(diào)速方法，并在此基礎(chǔ)上簡要說了直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計要求和調(diào)速指標(biāo)；同時，介紹了直流電機調(diào)速系統(tǒng)中常用的幾種閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，為后面的仿真設(shè)計打下理論基礎(chǔ)。第3章 基于斬波技術(shù)的直流調(diào)速系統(tǒng)PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)，即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要的波形（含形狀和幅值）。 PWM控制技術(shù) PWM控制的基本原理PWM控制的理論基礎(chǔ)：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。沖量是指窄脈沖的面積；效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同，低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。圖31 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖面積等效原理：分別將如圖31所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)（RL電路）上，如圖32a所示。其輸出電流對不同窄脈沖時的響應(yīng)波形如圖32b所示。從波形可以看出，在的上升段，的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各響應(yīng)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng)也是周期性的。用傅里葉級數(shù)分解后將可看出，各在低頻段的特性將非常接近，僅在高頻段有所不同。圖32 沖量相同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波，正弦半波N等分，看成N個相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。SPWM波形——脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形。要等效不同輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。等幅PWM波和不等幅PWM波：由直流電源產(chǎn)生的PWM波通常是等幅PWM波；輸入電源是交流，得到不等幅PWM波。1PWM電流波：電流型逆變電路進行PWM控制，得到的就是PWM電流波。PWM波形可等效的各種波形：直流斬波電路：等效直流波形2SPWM波：等效正弦波形，還可以等效成其他所需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和SPWM控制相同，也基于等效面積原理。 PWM逆變電路及其控制方法目前中小功率的逆變電路幾乎都采用PWM技術(shù)。逆變電路是PWM控制技術(shù)最為重要的應(yīng)用場合。PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實用的幾乎都是電壓型。(1)計算法和調(diào)制法1計算法根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計算PWM波各脈沖寬度和間隔，據(jù)此控制逆變電路開關(guān)器件的通斷，就可得到所需PWM波形。缺點：繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時，結(jié)果都要變化。2調(diào)制法以輸出波形作調(diào)制信號，進行調(diào)制得到期望的PWM波。通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波。等腰三角波應(yīng)用最多，其任一點水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對稱；與任一平緩變化的調(diào)制信號波相交，在交點控制器件通斷，就得到寬度正比于信號波幅值的脈沖，符合PWM的要求。調(diào)制信號波為正弦波時，得到的就是SPWM波；調(diào)制信號不是正弦波，而是其他所需波形時，也能得到等效的PWM波。結(jié)合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對調(diào)制法進行說明：設(shè)負(fù)載為阻感負(fù)載，工作時和通斷互補，和通斷也互補?？刂埔?guī)律：正半周，通，斷，和交替通斷，負(fù)載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段為正，一段為負(fù)，負(fù)載電流為正區(qū)間，和導(dǎo)通時，等于，關(guān)斷時，負(fù)載電流通過和續(xù)流，負(fù)載電流為負(fù)區(qū)間，為負(fù)，實際上從和流過，仍有，斷，通后，從和續(xù)流，總可得到和零兩種電平。負(fù)半周，讓保持通，保持?jǐn)?，和交替通斷，可得和零兩種電平。圖33 單相橋式PWM逆變電路單極性PWM控制方式（單相橋逆變）：在和的交點時刻控制IGBT的通斷。正半周，保持通，保持?jǐn)?，?dāng)時使通，斷，當(dāng)時使斷，通。負(fù)半周，保持?jǐn)?，保持通，?dāng)時使通，斷，當(dāng)時使斷，通，虛線表示的基波分量。波形見圖34。圖34 雙極性PWM控制方式波形(2)提高直流電壓利用率和減少開關(guān)次數(shù)直流電壓利用率——逆變電路輸出交流電壓基波最大幅值和直流電壓之比。提高直流電壓利用率可提高逆變器的輸出能力；減少器件的開關(guān)次數(shù)可以降低開關(guān)損耗。正弦波調(diào)制的三相PWM逆變電路，調(diào)制度a為1時，輸出相電壓的基波幅值為/2，輸出線電壓的基波幅值為。這個值是比較低的，其原因是正弦調(diào)制信號的幅值不能超過三角波幅值。實際電路工作時，考慮到功率器件的開通和關(guān)斷都需要時間，如不采取其他措施，調(diào)制度不可能達(dá)到1。 PWM變換器脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡稱PWM變換器。PWM變換器有不可逆和可逆兩類，可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等多種電路。下面對兩種常用形式的PWM變換器做一下簡單的介紹和分析。(1)不可逆PWM變換器：分為無制動作用和有制動作用兩種。如圖35所示為無制動作用的簡單不可逆PWM變換器主電路原理圖，其開關(guān)器件采用全控型的電力電子器件。電源電壓一般由交流電網(wǎng)經(jīng)過不可控整流電路提供。電容C的作用是濾波，二極管VD在電力晶體管VT關(guān)斷時為電動機電樞回路提供釋放電儲能的續(xù)流回路。圖35 簡單的不可逆PWM變換器電路（a）原理圖 （b）電壓和電流波型電力晶體管VT的基極由頻率為、脈沖寬度可調(diào)的脈沖電壓驅(qū)動。在一個開關(guān)周期T內(nèi)，當(dāng)時，為正，VT飽和導(dǎo)通，電源電壓通過VT加到電動機電樞兩端；當(dāng)時，為負(fù)，VT截止，電樞失去電源，經(jīng)二極管VD續(xù)流。電動機電樞兩端的平均電壓為 （31）式中，——PWM電壓的占空比，又稱負(fù)載電壓系數(shù)。的變化范圍在0～1之間，改變即可以實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。 圖35(b)繪出了穩(wěn)態(tài)時電動機電樞的脈沖端電壓、平均電壓和電樞電流的波型。由圖可見，電流脈動，其平均值等于負(fù)載電流: （32）（——負(fù)載轉(zhuǎn)矩， ——直流電動機在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩電流比）。由于VT在一個周期內(nèi)具有開、關(guān)兩種狀態(tài)，電路電壓平衡方程式也分為兩階段，即在期間： （33）在期間： （34）式中，R，L——電動機電樞回路的總電阻和總電感；E——電動機反電動勢。 圖36(a)所示為具有制動作用的不可逆PWM變換電路。該電路設(shè)置了兩個電力晶體管VT1和VT2，形成兩者交替開關(guān)的電路，提供了反向電流通路。這種電路組成的PWM調(diào)速系統(tǒng)可在第I、II兩個象限中運行。VT1和VT2的基極驅(qū)動信號電壓大小相等，極性相反，即。當(dāng)電動機工作在電動狀態(tài)時，在一個周期內(nèi)