【文章內(nèi)容簡介】 圍在外圍的速度反饋環(huán)來說相當于一種擾動作用。但是只要速度調(diào)節(jié)器ASR的放大系數(shù)足夠大且沒有飽和，電流負反饋的擾動作用就會受到抑制。也就是說，當速度調(diào)節(jié)器ASR不飽和時，電流負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。一旦ASR飽和，轉速環(huán)失去作用，僅電流環(huán)在起作用，這時系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)。從動態(tài)響應過程上看，突加給定電壓時，轉速負反饋還來不及反應出來，轉速調(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)器使電機很快啟動。之后，雖然轉速反饋電壓增大，但由于ASR的積分作用，只要轉速反饋電壓小于速度給定電壓，ASR輸出就維持在限幅值上，直到轉速產(chǎn)生超調(diào)。因此在啟動過程中，相當于速度環(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，保證電機恒最大電流（轉矩）下啟動，直到轉速超調(diào)后速度環(huán)才開始真正發(fā)揮作用。由此看來，這樣組成的雙閉環(huán)系統(tǒng)，在突加給定的過渡過程中表現(xiàn)為一個恒值電流調(diào)速系統(tǒng)，在穩(wěn)態(tài)和接近穩(wěn)態(tài)運行中又表現(xiàn)為無靜差調(diào)速系統(tǒng)。既發(fā)揮了轉速和電流兩個調(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、動態(tài)品質(zhì)。直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速方式有多種，但由于PWM調(diào)速方式較其他方式有很多的優(yōu)點（見本文緒論），本方案采用的是脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式的一種正弦脈沖寬度調(diào)制（SPWM）。在下章將對脈沖寬度調(diào)制進行介紹。第4章 脈沖寬度調(diào)制 PWM控制技術的基本原理PWM脈寬調(diào)制，是靠改變脈沖寬度來控制輸出電壓，通過改變周期來控制其輸出頻率。而輸出頻率的變化可通過改變此脈沖的調(diào)制周期來實現(xiàn)。這樣，使調(diào)壓和調(diào)頻兩個作用配合一致，且于中間直流環(huán)節(jié)無關，因而加快了調(diào)節(jié)速度，改善了動態(tài)性能。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)側的功率因數(shù)大大改善。利用PWM逆變器能夠抑制或消除低次諧波。加上使用自關斷器件，開關頻率大幅度提高，輸出波形可以非常接近正弦波。 PWM基本原理——脈寬調(diào)制（PWM）?？刂品绞骄褪菍δ孀冸娐烽_關器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是在輸出波形的半個周期中產(chǎn)生多個脈沖，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。按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率。 在采樣控制理論中有一個重要的結論，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。沖量既指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同。是指該環(huán)節(jié)的輸出響應波形基本相同。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。根據(jù)上面理論我們就可以用不同寬度的矩形波來代替正弦波，通過對矩形波的控制來模擬輸出不同頻率的正弦波。 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個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖的幅值按正弦規(guī)律變化。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，使矩形脈沖的中點和相應正弦等分的中點重合，且使矩形脈沖和相應正弦部分面積（即沖量）相等，就得到一組脈沖序列，這就是PWM波形。，各脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化的。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。對于正弦的負半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。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，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電壓的幅值。 根據(jù)上述原理，在給出了正弦波頻率，幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，PWM波形各脈沖的寬度和間隔就可以準確計算出來。按照計算結果控制電路中各開關器件的通斷，就可以得到所需要的PWM波形。PWM是對脈沖的寬度進行調(diào)制。如果脈沖的寬度是按正弦規(guī)律變化(進行調(diào)制)的，則稱為SPWM。 PWM逆變電路及其控制方法PWM控制技術在逆變電路中的應用十分廣泛，目前中小功率的逆變電路幾乎都采用了PWM控制技術。逆變電路是PWM控制技術最為重要的場合。逆變電路可分為電壓型和電流型兩種。目前實際應用的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。 計算法和調(diào)制法根據(jù)PWM控制的基本原理,如果給出了逆變電路的正弦波輸出頻率、幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù),PWM波形中各脈沖的寬度和間隔就可以準確計算出來。按照計算結果控制逆變電路中各開關器件的通斷,就可以得到所需要的PWM波形,這種方法稱之為計算法?？梢钥闯?計算法是很繁瑣的,當需要輸出的正弦波的頻率、幅值或相位變化時,結果都要變化。與計算法相對應的是調(diào)制法,即把希望輸出的波形作為調(diào)制信號,把接受調(diào)制的信號作為載波,通過信號波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波或鋸齒波作為載波,其中等腰三角波應用最多。因為等腰三角波上任一點的水平寬度和高度成線性關系且左右對稱,當他與任何一個平緩變化的調(diào)制信號波相交時,如果在交點時刻對電路中開關器件的通斷進行控制,就可以得到寬度正比于信號波幅值的脈沖,這正好符合PWM控制的要求。在調(diào)制信號波為正弦波時,所得到的就是SPWM波形,這種情況應用最廣。當調(diào)制信號不是正弦波,而是其他所需要的波形時,也能得到與之等效的PWM波。下面以具體電路介紹調(diào)制法。 單相橋式PWM逆變電路。設負載為阻感負載，工作時和的通斷狀態(tài)互補，和的通斷狀態(tài)也互補，具體的控制規(guī)律如下：在輸出電壓的正半周，讓保持通態(tài)，保持斷態(tài)，和交替通斷。由于負載電流比電壓滯后，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。在負載電流為正的區(qū)間，和導通時，負載電壓等于直流電壓；關斷時，負載電流通過和續(xù)流，=0。在負載電流為負的區(qū)間，仍為和導通時，因為負，故實際上從和流過，仍有=；關斷，開通后，從和續(xù)流，=0。這樣，總可以得到和零兩種電平。同樣，在的負半周，讓保持通態(tài)，保持斷態(tài)，和交替通斷，負載電壓可以得到和零兩種電平。 單極性PWM控制方式波形。調(diào)制信號為正弦波，載波在的正半周為正極性的三角波，在的負半周為負極性的三角波。在和的交點時刻控制IGBT的通斷。在的正半周，保持通態(tài)，保持斷態(tài)，當時使導通，關斷，=；當時使關斷，導通，=0。在的負半周，保持斷態(tài)，保持通態(tài)，當時使導通，關斷，=；當時使關斷，導通，=0。這樣，就得到了SPWM波形。圖中的虛線表示中的基波分量。像這種在的半個周期內(nèi)三角波載波只在正極性或負極性一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的PWM波形也只在單個極性范圍變化的控制方式稱為單極性PWM控制方式。 雙極性PWM控制方式波形和單極性PWM控制方式相對應的是雙極性控制方式。采用雙極性方式時，在的半個周期內(nèi)，三角波載波不再是單極性的，而是有正有負，所得的PWM波也是有正有負。在的一個周期內(nèi)，輸出的PWM波只有177。兩種電平，而不像單極性控制時還有零電平。仍然在調(diào)制信號和載波信號的交點時刻控制各開關器件的通斷。在和的正負半周，對各開關器件的控制規(guī)律相同。即當時，給和以導通信號，給和以關斷信號，這時如0，則和通，如0，則和通，不管哪種情況都是輸出電壓=。當時，給以和導通信號，給以和關斷信號，這時0，則和通，如0，則和通，不管哪種情況都是=。 異步調(diào)制、同步調(diào)制和分段同步調(diào)制在PWM控制電路中，載波與調(diào)制信號頻率之比P=/稱為載波比。根據(jù)載波和信號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。（1）異步調(diào)制在調(diào)制信號頻率變化時保持載波信號頻率不變的調(diào)制方式稱為異步調(diào)制。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)變化的時候，載波比也將發(fā)生相應的連續(xù)變化，結果是每個調(diào)制波周期內(nèi)PWM輸出的脈沖中心位置將發(fā)生連續(xù)移動，脈沖的數(shù)目，也就是調(diào)制比，也不一定是整數(shù)。所以異步調(diào)制的缺點是：除非載波比恰好等于某些特殊的整數(shù)，輸出PWM脈沖的對稱性不可能得到保證。它的優(yōu)點是：由于載波頻率是固定的，在利用微處理器進行數(shù)字化控制時就會感到非常方便，軟件得以大大簡化。當調(diào)制波頻率較低時，載波比P較大，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)較多，正負半周期脈沖不對稱和半周期內(nèi)前后1/4周期脈沖不對稱產(chǎn)生的不利影響都較小，PWM波形接近正弦波。當調(diào)制波頻率增高時，載波比P減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM脈沖不對稱的影響就變大沒，有時調(diào)制波的微小變化還會產(chǎn)生PWM脈沖的跳動。這就使得輸出PWM波和正弦波的差異變大。對于三相PWM型逆變電路來說，三相輸出的對稱性也變差。因此，在采用異步調(diào)制方式時，希望采用較高的載波頻率，以使在調(diào)制波頻率較高時仍能保持較大的載波比。（2）同步調(diào)制如果在改變調(diào)制信號頻率的同時，成比例地改變載波信號的頻率，從而使得PWM脈沖的載波比P等于常數(shù)，同時在變頻時使載波信號和調(diào)制信號始終保持同步，這種調(diào)制方式被稱為同步調(diào)制。在基本同步調(diào)制方式中，調(diào)制波頻率變化時載波比P不變，調(diào)制波一個周期內(nèi)輸出的脈沖數(shù)是固定的，脈沖相位也是固定的。在三相PWM逆變電路中，通常公用一個三角波載波，且取載波比為3的整倍數(shù)，以使三相輸出波形嚴格對稱。同時，為了使一相PWM波正負半周鏡對稱，P應取奇數(shù)。當逆變電路輸出頻率很低時，同步調(diào)制時的載波頻率也很低。過低時由調(diào)制帶來的諧波不易濾除。當負載為電動機時也會帶來較大的轉矩脈動和噪聲。當逆變電路輸出頻率很高時，同步調(diào)制時的載波頻率會過高，使開關器件難以承受。為了克服上述缺點，可以采用分段同步調(diào)制的方法。（3）分段同步調(diào)制分段同步調(diào)制就是把逆變電路的輸出頻率范圍劃分成若干個頻段，在每個頻段內(nèi)都保持載波比P為恒定不變，不同頻段的P值也不同。不同頻段比，以使載波頻率不致過高，限制在功率開關器件允許的范圍內(nèi)，在輸出頻率低的頻段采用較高的載波比，以使載波頻率不致過低而對負載產(chǎn)生不利影響。各頻段的載波比取3的整數(shù)倍且為奇數(shù)為宜。頻段的劃分和載波比的改變重要考慮：一方面盡可能充分利用功率半導體開關器件的開關頻率，另一方面又要避免控制軟件過于復雜。在調(diào)制波頻率的高頻段采用較低的載波比，以使載波頻率不致太高，從而可以將功率半導體開關器件的開關頻率限制在允許的范圍以內(nèi)；在調(diào)制波頻率的低頻段采用較高的載波比，避免因載波比太低而對負載的運行產(chǎn)生不利的影響。若調(diào)制波頻率繼續(xù)降低，則干脆轉入異步模式。 直流PWM變換器的基本類型和工作原理1. 直流PWM變換器的基本類型直流PWM變換器的基本電路結構有幾種，而且它們工作于不同的狀態(tài)，本方案采用的是四象限PWM變換器。四象限PWM變換器，平均負載電壓和電流都是可逆的。2. 直流PWM變換器的工作原理按照能否給電機提供可逆運轉的電樞電壓以及電樞脈沖電壓在一個開關周期中具有單一極性還是雙極性，直流PWM變換器供電電路可以分為不可逆PWM變換器、雙極式可逆PWM變換器、單極式可逆PWM變換器等類型。因為本方案采用的是雙極性可逆PWM變換器，并運行于雙極式控制方式。下面介紹可逆PWM變換器工作運行于雙極式控制方式時的工作原理。 可逆PWM變換器電路，4個GTR按對角線分為兩組，兩組交替導通和關斷。與同時導通和關斷，驅(qū)動信號；和同時導通個關斷。，下面將一個開關周期分幾個區(qū)間加以說明。當時，為正，與飽和導通；而，與截止，這時電樞端