【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 由交流 圖 35b 為穩(wěn)態(tài)時(shí)電樞端電壓 au 、電樞平均電壓 aU 和電樞電流 ai 的波形?？梢?，穩(wěn)態(tài)電流 ai 是 制動(dòng)不可逆 PWM變換器 圖 36a 所示為具有制動(dòng)狀態(tài)的不可逆 PWM 變換器。它由兩個(gè)功率晶體管 1V 、 2V和兩個(gè)二極管 1VD 、 2VD 組成。 1V 是起調(diào)制作用的主控管， 2V 是輔助管。來自脈寬調(diào)制電路的兩個(gè)極性相反的脈沖電壓 1bu 、 2bu 分別作用到 1V 、 2V 的基極。控制電路工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)的電壓、電能耗制動(dòng)作用。因此，在制動(dòng)狀態(tài)中， 2V 和 1VD 輪流導(dǎo)通，而 1V 始終是關(guān)斷的，此時(shí)的電壓和電流波形示于圖 36c。 a b c d a 電路原理圖 b 電動(dòng)狀態(tài)電壓和電流波形 c 制動(dòng)狀態(tài)電壓和電流波形 d 電動(dòng)和制動(dòng)交替狀態(tài)電流波形 圖 36 制動(dòng)不可逆 PWM 變換器及其波形 有一種特殊情況，即輕載電動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)平均電流較小，以 致在關(guān)斷后經(jīng)續(xù)流時(shí)，還沒有到達(dá)周期 T ，電流已經(jīng)衰減到零，此時(shí)，因而兩端電壓也降為零，便提前導(dǎo)通了，使電流方向變動(dòng)，產(chǎn)生局部時(shí)間的制動(dòng)作用。輕載電動(dòng)狀態(tài)，一個(gè)周期分成四個(gè)階段： 出波形見圖 36d。綜上所述，具有制動(dòng)回路的不可逆 PWM 變換器的電樞電流始終是連續(xù)的。 H 型雙極式 PWM 變換器 圖 37 為 H 型雙極式 PWM 變換器，它由四個(gè)大功率晶體管和四個(gè)續(xù)流二極管組成。四個(gè)大功率管分為兩組， 1V 和 4V 為 一組， 2V 和 3V 為另一組。在基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)1bu = 4bu ， 2bu = 3bu = 1bu 的作用下，同一組中的兩個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通或同時(shí)關(guān)斷，兩組晶體管之 因此， PWM 變換器 共 23 頁 第 15 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ a 電路原理圖 b 電壓電流波形 圖 37 H 型雙極式 PWM 變換器及其波形 雙極式控制可逆 PWM （ 3）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)； （ 4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá) 1:20210左右； （ 5）低速時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利保證器件的可靠導(dǎo)通。 第四章 PWM 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) PWMM 直流調(diào)速系統(tǒng)的控制電路 電力晶體管構(gòu)成的 PWM 變換器是調(diào)速系統(tǒng)的主電路，是對(duì)已有的 PWM 波形的電壓信號(hào)進(jìn)行功率 放大，并不改變信號(hào)的 PWM 波性質(zhì)。而 PWM 電壓波形的產(chǎn)生、分配則是 P 制器 UPW、調(diào)制波發(fā)生器 GM、邏輯延時(shí)環(huán)節(jié) DLD 和電力晶體管的基極驅(qū)動(dòng)器GD。 圖 41 雙閉環(huán)控制的脈寬調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 1．鋸齒 ； 3）多諧振蕩器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的脈寬調(diào)制器； 4）數(shù)字式脈寬調(diào)制體管還未完全關(guān)斷，如果此時(shí)另一個(gè)晶體管已經(jīng)導(dǎo)通，則將造成上下兩管直通，從而使電源短路。為了避免發(fā)生這種情況，應(yīng)設(shè)置一個(gè)邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)，保證在對(duì)一個(gè)管子發(fā)出關(guān)閉脈沖后，延時(shí)一段時(shí)間再發(fā)出對(duì)另一個(gè)管子的開通脈沖，避免兩個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通。 3．限流保護(hù)環(huán)節(jié)（ＦＡ） 在邏輯延時(shí)環(huán)沖信號(hào)進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動(dòng)主電路的電力晶體管，每個(gè)晶體管應(yīng) 共 23 頁 第 16 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 有獨(dú)立的基極驅(qū)動(dòng)電路。為了確保晶體管在開通時(shí)能迅速達(dá) 。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的選擇 主電路供電方案選擇 圖 42 同時(shí)對(duì)感性負(fù)載的無功功率起儲(chǔ)能緩沖作用。 圖 42 直流電源設(shè)計(jì)原理圖 圖 43 三相橋式不控整流電路原理圖 對(duì)于 PWM 變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當(dāng)電機(jī)制動(dòng)時(shí)吸收運(yùn)行系統(tǒng)動(dòng)能的作 ，可以采用圖 44 中的鎮(zhèn)流電阻 Rb 來消耗掉 部分動(dòng)能。分流電路靠開關(guān)器件 VTb在泵升電壓達(dá)到允許數(shù)值時(shí)接通。 本設(shè)計(jì)由于采用 MATLAB/Simulink 仿真平臺(tái)進(jìn)行電路仿真， MATLAB 模型庫中的電力系統(tǒng)模型庫 (Power System Blockset)里提供了直流、交流電源模塊，因此在仿真電路設(shè)計(jì)中，可直接用直流電源代替三相不控整流直流電源。 圖 44 泵升電壓限制電路原理圖 主電路形式的選擇 共 23 頁 第 17 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 脈寬調(diào) 變換器，構(gòu)成 可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。 H 橋雙極式可逆變換器的原理圖見圖 45，其輸出波形如圖 46 所示。 圖 45 雙極式可逆變換器的控制原理圖 圖 46 可逆雙極式變換器工作各參數(shù)波形 調(diào)速時(shí)， ? 的可調(diào)范圍為 0~1， –1? +1。 當(dāng) ? 時(shí)， ? 為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)； 當(dāng) ? 時(shí)， ? 為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)； 當(dāng) ? = 圖 47 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖 控制電路方案的選擇 為了使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能，本次設(shè)計(jì)的調(diào)速系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制方案， 系統(tǒng)的靜特性很硬，基本上無靜差，啟動(dòng)時(shí)間短，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快； 系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)； 應(yīng)用廣泛（在自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)中）。 進(jìn)一步改善系統(tǒng)的調(diào)速性能， 大大提高系統(tǒng) 故稱雙閉環(huán)）。其中一個(gè)是由電流調(diào)節(jié)器 ACR 和電流檢測(cè) —反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成的電流環(huán)，另一個(gè)是由速度調(diào) 作用。只要轉(zhuǎn)速環(huán)的開環(huán)放大倍數(shù)足夠大，最后仍能靠 ASR 的積分作 用，消除轉(zhuǎn)速偏差。 圖 48 PWM 可逆直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的 MATLAB仿真 引言 控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真是一門涉及到控制理論、計(jì)算數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合性 共 23 頁 第 18 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 新型學(xué)科，它是以控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為工具，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的一種方法。系統(tǒng)仿真就是用模型（即物理模型或數(shù)學(xué)模型）代替實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究，而計(jì)算機(jī)仿真使用 MATLAB 的 Simulink工具箱對(duì)其進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究。 雙閉環(huán)控制的脈寬調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型 雙閉環(huán)控制的脈寬調(diào)速系統(tǒng)原理 框圖如圖 41 所示，圖 49 是采用面向雙閉環(huán)控制脈寬調(diào)速系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖構(gòu)作的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。 圖 49 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真模型圖 1．主電路建模和參數(shù)設(shè)置： 由圖 49 可見，主電路由直流電源、 IGBT 逆變器橋、直流電動(dòng)機(jī)等部分組成。 直流 受 PWM 信 device”選擇為“ MOSFET/Diodes”即可。 圖 410 “ Universal Bridge”對(duì)話框參數(shù)設(shè)置 圖 411 直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)置 直流電動(dòng)機(jī)的建模和參數(shù)設(shè)置：首先從電機(jī)系統(tǒng)模塊中選取“ DC Machine”模塊，電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁 環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR、電流調(diào)節(jié)器 ACR，速度、電流反饋環(huán)節(jié)、 PWM 信號(hào)發(fā)生器等。其中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器各封裝在子模塊中，里面包含 PI 調(diào)節(jié)， 共 23 頁 第 19 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 限幅值等。 1）給定電壓環(huán)節(jié) nU? ：改變給定電壓即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n ，從 sources 模塊組中選取兩個(gè)模塊“ constant”，可先設(shè)定其一參數(shù)為 10，另一參數(shù)設(shè)為 10，作為給定環(huán)節(jié)，可正負(fù)切換給定值，使電動(dòng)機(jī)能夠正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。 2）轉(zhuǎn) 11()P I p pisW S K KK S s???? ? ? （ 41） 式中： pK 比例系數(shù)， iK 積分系數(shù)， piKK?? 考 通過分析，轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器 的各參數(shù)如圖所示。其中 ASR、 ACR 的限幅值均設(shè)定為 [10,10]。 a 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR b 電流調(diào)節(jié)器 ACR 圖 412 轉(zhuǎn)速、電流 PI 調(diào)節(jié)器的各參數(shù)設(shè)定 3）轉(zhuǎn)速、電流反饋環(huán)節(jié)： 在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，轉(zhuǎn)速 n 是由給定電壓 nU? 決定的，設(shè)定轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) ? 為 ，由式 *n n 0U U n n??? ? ?，可首先估算出經(jīng)放大后的轉(zhuǎn)速 n 的值， 通過 示。 系統(tǒng)的仿真、仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析 當(dāng)建 eT 及 勵(lì)磁電流 fi 的波形曲線。 圖 413 調(diào)速系統(tǒng) 勵(lì)磁電流 fi 的波形 圖 414 起動(dòng)時(shí)的電流 ai 波形（正轉(zhuǎn)） 共 23 頁 第 20 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ a（正轉(zhuǎn)） b（反轉(zhuǎn)） 圖 415 脈寬調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速 n 仿真波形 a（正轉(zhuǎn)） b（反轉(zhuǎn)） 圖 416 脈寬調(diào)速系統(tǒng)電流 ai 仿真波形 a （正轉(zhuǎn)） b （反轉(zhuǎn)） 圖 417 脈寬調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩 eT 仿真波形 從仿 能突變，而 是在最短時(shí)間內(nèi)迅速達(dá)到允許的最大值。 采用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制電路，轉(zhuǎn)速 n 從零開始到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過渡，所需時(shí)間短，起到了快速起動(dòng)的作用，如圖 418 所示，到達(dá)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時(shí)間約為 1s。 圖 418 轉(zhuǎn)速 n 的過渡過程 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，當(dāng)給定電壓環(huán)節(jié) nU? 從 +10 撥向 10 時(shí)，電機(jī)便實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn) 給定值 nU? =6 及 nU? =4 時(shí)的轉(zhuǎn)速 n 波形。 a 轉(zhuǎn)速 n （ nU? =6） b 轉(zhuǎn)速 n （ nU? =4） 圖 419 改變 nU? 后的轉(zhuǎn)速 n 仿真波形