【正文】 學(xué)基本理論可知，直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性方程式為: （21）Φ—?jiǎng)?lì)磁磁通；由上式可見，直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方案可有以下三種。電樞回路串電阻R，起動(dòng)電流為： （22）為了保持起動(dòng)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(diǎn)：(1)R=0時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于固有機(jī)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?gòu)摹盎佟毕抡{(diào)。(2)串電阻調(diào)速時(shí)，如果負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩的，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于不同的轉(zhuǎn)速，和時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電樞電流是不變的。(3)串電阻調(diào)速時(shí)，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(shí)，電機(jī)工作于一組機(jī)械特性上，各條特性經(jīng)過相同的理想空載點(diǎn)，而斜率不同。R越大，斜率越大，特性越軟，電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性差。圖22弱磁調(diào)速特性曲線弱磁調(diào)速的特點(diǎn)：(1)勵(lì)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(shí)現(xiàn)“基速”上調(diào)的無級(jí)調(diào)速。(2)弱磁調(diào)速由于受到換相能力和機(jī)械強(qiáng)度的限制，轉(zhuǎn)速不能過高。特殊電機(jī)設(shè)計(jì)可達(dá)34的。(3)電機(jī)拖動(dòng)恒功率負(fù)載時(shí)，為常數(shù)；弱磁調(diào)速時(shí)，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩滿足： （23） （24）電機(jī)的電磁功率為: （25）如果電機(jī)拖動(dòng)恒功率負(fù)載，即： （26）弱磁調(diào)速雖然能實(shí)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(shí)才采用。圖23調(diào)壓調(diào)速特性曲線調(diào)壓調(diào)速的特點(diǎn)：(1)改變電樞電壓，可得到一簇與固有機(jī)械特性平行且低于固有機(jī)械特性的人為機(jī)械特性。(2)降低電源電壓，電動(dòng)機(jī)的機(jī)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(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性要好得多。對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，對(duì)不同轉(zhuǎn)速，電樞電流不變。直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的要求有：(1)調(diào)速。(2)快速、穩(wěn)定的運(yùn)行。不因各種可能的外來干擾而產(chǎn)生過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。(3)快速性。盡快地加、減速，縮短起、制動(dòng)時(shí)間。 性能指標(biāo)：直流電機(jī)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(dòng)機(jī)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(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可以采用實(shí)際負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速來計(jì)算。在設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，通常視為電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速。2靜差率S：當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載變到額定負(fù)載所對(duì)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(gè)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(shí)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(dòng)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(shí)間過度過程時(shí)間——調(diào)節(jié)時(shí)間2抗繞性能指標(biāo)：系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，突加一定數(shù)值的擾動(dòng)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(dòng)態(tài)變化量。穩(wěn)態(tài)誤差：恢復(fù)時(shí)間：從階躍擾動(dòng)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(jìn)人某個(gè)規(guī)定的基準(zhǔn)值）的177。5％或177。2％范圍之內(nèi)所需的時(shí)間，定義為恢復(fù)時(shí)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(jì)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(gè)開關(guān)周期內(nèi)電容充放電引起的紋波ripple(t)很小，相對(duì)于電容上輸出的直流電壓有： （212） 電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，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(gè)周期內(nèi)電容充電電荷高于放電電荷時(shí)，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(shí)電壓維持不變；反之，如果一個(gè)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(shí)，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(shí)的一個(gè)普遍規(guī)律。(4)開關(guān)S導(dǎo)通而主回路導(dǎo)通時(shí)，電感電流增加，電感儲(chǔ)能；而當(dāng)開關(guān)關(guān)斷二反向回路導(dǎo)通時(shí)，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(gè)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(gè)平均感應(yīng)電勢(shì)，此電勢(shì)將減小電感電流的上升速度并同時(shí)降低電感電流的下降速度，最終將導(dǎo)致一個(gè)周期內(nèi)電感電流平均增量為零；一個(gè)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(yùn)行時(shí)的又一個(gè)普遍規(guī)律。根據(jù)自動(dòng)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(jìn)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(cè)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(cè)速反饋輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各環(huán)節(jié)單獨(dú)的放大系數(shù)的乘積。電動(dòng)機(jī) 放大系數(shù)為： （216）只考慮擾動(dòng)作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)：圖27 =0時(shí) （217）如果斷開反饋回路，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性為： （218）而閉環(huán)時(shí)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(shí)： （221）閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)在于它的自動(dòng)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(bǔ)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(jī)械特性的關(guān)系本章主要介紹了直流電機(jī)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(jiǎn)要說了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和調(diào)速指標(biāo)；同時(shí)，介紹了直流電機(jī)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(jì)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(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)，即通過對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)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(shí)，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(duì)不同窄脈沖時(shí)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(jí)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(gè)正弦半波，正弦半波N等分，看成N個(gè)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(diǎn)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(jìn)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(chǎng)合。PWM逆變電路也可分為電壓型和電流型兩種，目前實(shí)用的幾乎都是電壓型。(1)計(jì)算法和調(diào)制法1計(jì)算法根據(jù)正弦波頻率、幅值和半周期脈沖數(shù)，準(zhǔn)確計(jì)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(diǎn)：繁瑣，當(dāng)輸出正弦波的頻率、幅值或相位變化時(shí)，結(jié)果都要變化。2調(diào)制法以輸出波形作調(diào)制信號(hào)，進(jìn)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(diǎn)水平寬度和高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱；與任一平緩變化的調(diào)制信號(hào)波相交，在交點(diǎn)控制器件通斷，就得到寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖，符合PWM的要求。調(diào)制信號(hào)波為正弦波時(shí)，得到的就是SPWM波；調(diào)制信號(hào)不是正弦波，而是其他所需波形時(shí)，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(duì)調(diào)制法進(jìn)行說明：設(shè)負(fù)載為阻感負(fù)載，工作時(shí)和通斷互補(bǔ)，和通斷也互補(bǔ)?？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(shí)，等于，關(guān)斷時(shí)，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(shí)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)啵徒惶嫱〝?，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(diǎn)時(shí)刻控制IGBT的通斷。正半周，保持通，保持?jǐn)?，?dāng)時(shí)使通，斷，當(dāng)時(shí)使斷，通。負(fù)半周，保持?jǐn)啵３滞?，?dāng)時(shí)使通，斷，當(dāng)時(shí)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(shí)，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(gè)值是比較低的，其原因是正弦調(diào)制信號(hào)的幅值不能超過三角波幅值。實(shí)際電路工作時(shí)，考慮到功率器件的開通和關(guān)斷都需要時(shí)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(jiǎn)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(duì)兩種常用形式的PWM變換器做一下簡(jiǎn)單的介紹和分析。(1)不可逆PWM變換器：分為無制動(dòng)作用和有制動(dòng)作用兩種。如圖35所示為無制動(dòng)作用的簡(jiǎn)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(shí)為電動(dòng)機(jī)電樞回路提供釋放電儲(chǔ)能的續(xù)流回路。圖35 簡(jiǎn)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(dòng)。在一個(gè)開關(guān)周期T內(nèi)，當(dāng)時(shí)，為正，VT飽和導(dǎo)通，電源電壓通過VT加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端；當(dāng)時(shí)，為負(fù)，VT截止，電樞失去電源，經(jīng)二極管VD續(xù)流。電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。 圖35(b)繪出了穩(wěn)態(tài)時(shí)電動(dòng)機(jī)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(dòng)，其平均值等于負(fù)載電流: （32）（——負(fù)載轉(zhuǎn)矩， ——直流電動(dòng)機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩電流比）。由于VT在一個(gè)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(dòng)機(jī)電樞回路的總電阻和總電感；E——電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)。 圖36(a)所示為具有制動(dòng)作用的不可逆PWM變換電路。該電路設(shè)置了兩個(gè)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(gè)象限中運(yùn)行。VT1和VT2的基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓大小相等，極性相反，即。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)