【導(dǎo)讀】在電氣時代的今天，電動機在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔?。流電機是最常見的一種電機，在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。研究直流電機的控制和測量方法，對提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。域比較重要的問題之一。速方法有著不同的應(yīng)用場合。閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。了未來PWM調(diào)速方法的發(fā)展前景，點出了研究PWM調(diào)速方法的意義。變頻器性能尤為突出，作為本次設(shè)計的基礎(chǔ)理論，本文將對PWM的理論進(jìn)行詳細(xì)論述。后對各個部分分別進(jìn)行論證，力圖在每個組成單元上都達(dá)到最好的系統(tǒng)性能。動態(tài)性能和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器的作用.

　　

【正文】 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。 圖 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 。 1VT 和 4VT同時導(dǎo)通和關(guān)斷，其驅(qū)動電壓 1bU 和 4bU ； 2VT 和 3VT 同時動作，其驅(qū)動電壓 2bU = 3bU 19 = 1bU? 。它們的波形如圖 所示。在一個開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng) 0≤ t ≤ ont 時， 1bU 和 4bU 為正，晶體管 1VT和 4VT 飽和導(dǎo)通；而 2bU 和 3bU 為負(fù)， 2VT 和 3VT 截止。這是，＋ SU 加在電樞 AB 兩端 , ABU = SU ,電樞電流 di 沿回路 1 流通。 ont ≤ t ≤ T時， 1bU 和 4bU 變負(fù)， 1VT 和4VT 截止； 2bU 、 3bU 變正，但 2VT 、 3VT 并不能立即導(dǎo)通，因為在電樞電感釋放儲能的作用下， id 沿回路 2 經(jīng) 2VD 、 3VD 續(xù)流， 2VD 、 3VD 上的壓降使 2VT 、 3VT ce極承受反壓，這時， ABU = sU? 。 ABU 在一個周期內(nèi)正負(fù)相間，這是雙極式 PWM 變換器 0的特征。 圖 雙極式 H型 PWM變換器電路 由于電壓 ABU 的正、負(fù)變化，使電流波形存在兩種情況，如圖 中的 1di 和 2di 。 1di相當(dāng)于電動機負(fù)載較重的情況，這是平均負(fù)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)。 2di 相當(dāng)于負(fù)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 2VT 和 3VT ce極兩端失去反壓，在負(fù)的電源電壓（－ SU ）和電樞反電動勢的合成作用下導(dǎo)通，電樞電流反向，沿回路 3 流通，電機處于制動狀態(tài)。與此相仿，在 0≤ t ≤ ont 期間，當(dāng)負(fù)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(fù)脈沖電壓的寬窄而定。當(dāng)正脈沖較寬時，ont 2T ，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， ont 2T ，平均電壓為負(fù)，電動機反轉(zhuǎn)。如果正、負(fù)脈沖寬度相等， ont =2T ，平均電壓為零，則電動機停止。 20 圖 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： 2( 1 )o n o n o nd s s St T t tU U U UT T T?? ? ? ? （ 3— 15） 以 ? = dsUU 定義 PWM 電壓的占空比，則 ? =2 1ontT ? （ 3— 16） ρ的變化范圍為 1? ≤ρ≤ 1。當(dāng)ρ為正值時，電動機正轉(zhuǎn)；ρ為負(fù)值時，電動機反轉(zhuǎn)；ρ＝ 0時，電動機停止。在ρ＝ 0 時雖然電機不動，電樞兩端的瞬 時電和瞬時電流都不是零，而是交變的。這個交變電流平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(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(dá) 20200 左右。 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 21 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uk） 進(jìn)行比較，則電壓比較器輸出的是一系列方波信號。如果改變 uk 的大小 , 那么方波脈沖寬度將會改變 , 從而達(dá)到脈寬調(diào)制的目的。其基本電路結(jié)構(gòu)和調(diào)制原理如圖。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。 (a)基本電路結(jié)構(gòu) (b)脈寬調(diào)制原理 圖 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(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，電樞電流實際上是周期變化的，只能是算作“準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)”。 脈寬調(diào)速系統(tǒng)在準(zhǔn)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(fù)，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： 11 dSd diU Ri L Edt? ? ? [0 ]ontt?? （ 2— 17） 22 dSd diU Ri L Edt? ? ? ? ? ?[0 ]ont T t? ? ? （ 2— 18） 如上兩式所示，一個周期內(nèi)電樞兩端的平均電壓都是 dSUU?? ，平均電流用 dI 表示，平均電磁轉(zhuǎn)矩為 eav m dT C I? ，而電樞回路電感電壓 ddiLdt 的平均值為零。于是，式（ 2－ 17）、（ 2－ 18）的平均值方程都可寫成 s d d eU RI E RI C n? ? ? ? ? （ 2— 19） 則機械特性方程式為 22 0s dde e eU RRn I n IC C C?? ? ? ? （ 2— 20） 或用轉(zhuǎn)矩表示 0s e a v e a ve e m e mU RRn T n TC C C C C?? ? ? ? （ 2— 21） 其中理想空載轉(zhuǎn)速 0 /Sen U C?? ，與占空比 ? 成正比。圖 繪出了第一、第二象限的機械特性，它適用于帶制動作用的不可逆電路?？赡骐娐返臋C械特性與此相仿，只是擴展到第三、第四象限而已。 圖 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) 根據(jù)其工作原理，當(dāng)控制電壓 CU 改變時， PWM 變換器的輸出電壓要到下一個周期方能改變。因此，脈寬調(diào)制器和 PWM 變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。則，當(dāng)整個系統(tǒng)開環(huán)頻 率特性截至頻率滿足下式時 13T?? （ 2— 22） 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 PWM 變換器的傳遞函數(shù)可近似看成 ? ? 1pwmpwm kws Ts? ? （ 2— 23） 式中 dpwm cUk U? 脈寬調(diào)制器和 PWM 變換器的放大系數(shù)； dU PWM 變換器的輸出電壓； cU 脈寬調(diào)制器的控制電壓。 23 3 直流電機 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計 直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)采用門極可關(guān)斷晶閘管 GTO、全控電力晶體管 GTR、 MOSFET、IGBT 等電力電子器件組成的直流脈沖寬度（ PWM）型的調(diào)速系統(tǒng)近年來已經(jīng) 發(fā)展成熟，用途越來越廣泛，與晶閘管可控整流調(diào)速系統(tǒng)（ VM 系統(tǒng)）相比，在很多方面具有較大的優(yōu)越性： （ 1）主電路線路簡單，需用的功率元件少； （ 2）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗和發(fā)熱都較?。? （ 3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，因而調(diào)速范圍寬； （ 4）系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗擾能力強； （ 5）主電路元件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率較高； （ 6）直流電源采用不可控三相整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)高。 直流電機 直流電機的結(jié)構(gòu) 圖 其中，固定部分有磁鐵，這里稱為主磁極；固定部分還有電刷。轉(zhuǎn)動部分有環(huán)形鐵心和繞在環(huán)形鐵心上的繞組。 (其中 2個小圓圈是為了方便的表示該位置上的導(dǎo)體電勢或電流的方向而設(shè)置的 ) 上圖表示一臺最簡單的兩極直流電機模型，它的固定部分（定子）上，裝設(shè)了一對直流勵磁的靜止的主磁極 N 和 S，在旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子）上裝設(shè)電樞 鐵心。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。在電樞鐵心上放置了由 A 和 X 兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣，由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣。在換向 24 片上放置著一對固定不動的電刷 B1 和 B2，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。 直流電機的基本工作原理 圖 直流電機的基本工作原理圖 對 圖 所示的直流電機，如果去掉原動機，并給兩個電刷加上直流電源，如圖 （ a） 所示，則有直流電流從電刷 A 流入，經(jīng)過線圈 abcd，從電刷 B 流出，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體 ab 和 cd 收到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定，兩段導(dǎo)體受到的力形成了一個轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到如上圖 （ b） 所示的位置，電刷 A 和換向片 2 接觸，電刷 B 和換向片 1接觸，直流電流從電刷 A 流入，在線圈中的流動方 向是 dcba，從電刷 B 流出。 此時載流導(dǎo)體 ab 和 cd 受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動。這就是直流電動機的工作原理。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。 實用中的直流電動機轉(zhuǎn)子上的繞組也不是由一個線圈構(gòu)成，同樣是由多個線圈連接而成，以減少電動機電磁轉(zhuǎn)矩的波動，繞組形式同發(fā)電機。 直流電機的調(diào)速原理 眾所周知，直流電機轉(zhuǎn)速 n 的表達(dá)式為 : ??? K IRUn （ 3— 1） 式中 :U電樞端電壓 I電樞電流 R電樞電路總電阻 Φ 每極磁通量 K與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù) 由上式可知，直流電機轉(zhuǎn)速 n的控制方法有三種 : (1)調(diào)節(jié)電樞電壓 U。改變電樞電壓從而改變轉(zhuǎn)速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法，動態(tài)響應(yīng)快，適用于要求大范圍無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)； (2)改變電機主磁通中只能減弱磁通，使電動機從額定轉(zhuǎn)速向上變速，屬恒功率調(diào)速 25 方法，動態(tài)響應(yīng)較慢，雖能無級平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍小； (3)改變電樞電路電阻 R 在電動機電樞外串電阻進(jìn)行調(diào)速，只能有級調(diào)速，平滑性差、機械特性軟、效率低。 改變電樞電路電阻的方法缺點很多，目前很少采用 :弱磁調(diào)速范圍不大，往往與調(diào)壓調(diào)速配合使用 。因此，自動調(diào)速系統(tǒng)以調(diào)壓調(diào)速為主，這也是論文中設(shè)計系統(tǒng)所采用的方法。 改變電樞電壓主要有三種方式 :旋轉(zhuǎn)變流機組、靜止變流裝置、脈寬調(diào)制（ PWM）變換器 (或稱直流斬波器 )。 (l)旋轉(zhuǎn)變流機組用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組以獲得可調(diào)直流電壓，簡稱GM 系統(tǒng)，國際上統(tǒng)稱 WardLeonard 系統(tǒng)，這是最早的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。 GM 系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性能，但系統(tǒng)復(fù)雜、體積大、效率低、運行有噪音、維護(hù)不方便。 (2)20 世紀(jì) 50 年代，開始用汞弧整流器和閘流管組成的靜止變流裝置取代旋轉(zhuǎn)變流機組，但到 50 年代后期又很快讓位于更為經(jīng)濟(jì)可靠的晶閘管變流裝置。采用晶閘管變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)簡稱 VM 系統(tǒng)，又稱靜止的 WardLeonard 系統(tǒng)，通過控制電壓的改變來改變晶閘管觸發(fā)控制角α。進(jìn)而改變整流電壓 Ud的大小，達(dá)到調(diào)節(jié)直流電動機轉(zhuǎn)速的目的。 VM 在調(diào)速性能、可靠性、經(jīng)濟(jì)性上都具有優(yōu)越性，成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。 (3) 脈寬調(diào)制 (PWM)變換器又稱直流斬波器，是利用功率開關(guān)器件通斷實現(xiàn)控制，調(diào)節(jié)通斷時間比例，將固定的直流電源電壓變成平均值可調(diào)的直流電壓，亦稱 DCDC變換器。 絕大多數(shù)直流電動機采用開關(guān)驅(qū)動方式。開關(guān)驅(qū)動方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制 PWM 來控制電動機電樞電壓，實現(xiàn)調(diào)速。 直流電機 PWM 調(diào)速基本原理 PWM 方式是在大功率開關(guān)晶體管的基極上，加上脈沖寬度可調(diào)的方波電壓，控制開關(guān)管的導(dǎo)通時間 t，改變占空比，達(dá)到控制目的。圖 是直流 PW