【正文】 chine”模塊，電動機(jī)的勵磁 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 信號發(fā)生器等。 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、直流電動機(jī)等部分組成。系統(tǒng)仿真就是用模型（即物理模型或數(shù)學(xué)模型）代替實際系統(tǒng)進(jìn)行實驗和研究，而計算機(jī)仿真使用 MATLAB 的 Simulink工具箱對其進(jìn)行計算機(jī)仿真研究。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。 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)）。 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， ? 的可調(diào)范圍為 0~1， –1? +1。 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)。分流電路靠開關(guān)器件 VTb在泵升電壓達(dá)到允許數(shù)值時接通。 系統(tǒng)設(shè)計方案的選擇 主電路供電方案選擇 圖 42 同時對感性負(fù)載的無功功率起儲能緩沖作用。 3．限流保護(hù)環(huán)節(jié)（ＦＡ） 在邏輯延時環(huán)沖信號進(jìn)行功率放大，以驅(qū)動主電路的電力晶體管，每個晶體管應(yīng) 共 23 頁 第 16 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 有獨立的基極驅(qū)動電路。 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，如果此時另一個晶體管已經(jīng)導(dǎo)通，則將造成上下兩管直通，從而使電源短路。 第四章 PWM 直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 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，是對已有的 PWM 波形的電壓信號進(jìn)行功率 放大，并不改變信號的 PWM 波性質(zhì)。四個大功率管分為兩組， 1V 和 4V 為 一組， 2V 和 3V 為另一組。綜上所述，具有制動回路的不可逆 PWM 變換器的電樞電流始終是連續(xù)的。 a b c d a 電路原理圖 b 電動狀態(tài)電壓和電流波形 c 制動狀態(tài)電壓和電流波形 d 電動和制動交替狀態(tài)電流波形 圖 36 制動不可逆 PWM 變換器及其波形 有一種特殊情況，即輕載電動狀態(tài)，這時平均電流較小，以 致在關(guān)斷后經(jīng)續(xù)流時，還沒有到達(dá)周期 T ，電流已經(jīng)衰減到零，此時，因而兩端電壓也降為零，便提前導(dǎo)通了，使電流方向變動，產(chǎn)生局部時間的制動作用?？刂齐娐饭ぷ髟陔妱訝顟B(tài)時的電壓、電能耗制動作用。 1V 是起調(diào)制作用的主控管， 2V 是輔助管?？梢姡€(wěn)態(tài)電流 ai 是 制動不可逆 PWM變換器 圖 36a 所示為具有制動狀態(tài)的不可逆 PWM 變換器。 a 電路原理圖 b 電流和電壓波形 圖 35 簡單不可逆 PWM 控制電路及其波形 圖 35a 所示為一個簡單的不可逆 PWM 控制變換電路原理圖。數(shù)字式 圖 34 計數(shù)器和數(shù)字比較器組成的數(shù)字脈寬調(diào)制器的波形圖 PWM 變換器 PWM 變換器作用是：用 PWM 控制電路的輸出波形信號，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度不可逆與可逆兩大類。顯然，通過 PWM 控制改變開關(guān)管在一個開關(guān)周期 T 內(nèi)的導(dǎo)通時間 τ 的長短，就可實現(xiàn)對 LR 兩端平均電壓 Lu 大小的控制。 PWM 控制技術(shù) 模擬式 PWM 控制 共 23 頁 第 13 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ont 圖 31 PWM 控制電路原理 （ 31） 式中 kmu ——控制信號 ku 的最大值。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動回復(fù)正常。 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的啟動過程分析 設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近理想起動過程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系 看作為是一個準(zhǔn)時間最優(yōu)控制。穩(wěn)態(tài)時 共 23 頁 第 12 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 兩段實際上都略有很小的靜差，如圖 211 中虛線所示。 圖 28 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機(jī)械特性的關(guān)系 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 雙閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 圖 211 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 （二）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和 這時， ASR 輸出達(dá)到限幅值 imU? ，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。 0clclclns n?? （ 215） 按理想空載轉(zhuǎn)速相同的情況比較，則 0opn = 0cln 時： 1opcl ss K? ? （ 216） 如 調(diào)制的輸出電壓 dU ，使系統(tǒng)工作在新的機(jī)械特性上，因而轉(zhuǎn)速有所回升，速度降落降低。 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 共 23 頁 第 10 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 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(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差 圖 27a 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 將給定量和擾動量看成兩個獨立的輸入量，只考慮給定作用時的閉環(huán)系統(tǒng)： pseKKK C ?? （ 25） 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。對于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也就越差。 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo) 對于調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的要求有以下三個方面： 1） 調(diào)速 2） 備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起、制動盡量平穩(wěn)。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)速以上作小范圍升 速時才采用。 電樞串電阻調(diào)速 圖 24 調(diào)阻調(diào)速特性曲線 如 圍窄，不能實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，只用于一些要求不高的場合。 5）開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時，開關(guān)損耗也不大，因而 全取代了 V— M 系統(tǒng)。 3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬。另外，由諧波與無 功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，因此必須添置無功補(bǔ)償和諧波濾波裝置。如圖 22， VT 是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓 cU 來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓 dU ，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。這種調(diào)速系統(tǒng)在60 年代曾廣泛使用，但該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺與調(diào)速電動機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)，還要一臺勵磁發(fā)電機(jī)，因此設(shè)備多，體積大，費用高，效率低，安裝須打地基，運行有噪聲，維護(hù)不方便。第一章主要 概述了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究 背景與 發(fā)展 現(xiàn)狀；第二章 介紹了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的 理論基礎(chǔ)，簡要介紹了 調(diào)速 的原理和結(jié)構(gòu)；第三章 介紹了脈寬調(diào)制原理及對 目前常用的各種 PWM 變換器 進(jìn)行 了 分析；第四章 對基于 PWM 控制技術(shù)的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計 ，并 運用計算機(jī)軟件 對其進(jìn)行了仿真研究；最后對全文進(jìn)行了總結(jié)。 直流電機(jī)脈沖寬度調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生于 70 年代中期 .最早用于不可逆、小功率驅(qū)動 ,例如自動跟 步研究，在調(diào)速精度要求較高的場合，對解決傳統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速精度低、穩(wěn)定性差的 難題，具有廣泛的意義和價值。但由于造價較高，目前在國內(nèi)應(yīng)用局限性較大，在較短的時間內(nèi)難以取代較為落后的直流調(diào)速。改變電樞電壓的極性，或者改變勵磁磁通的方向，都能夠改變直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。由于換向 從 20 世紀(jì) 80 年代起，在電氣傳動自動化領(lǐng)域中出現(xiàn)了一個革命性的變化，這就是交流電動機(jī)調(diào)速技術(shù)取得了突破性進(jìn)展。由于直流電動機(jī)的電壓、電流和磁通之間的耦合較弱，使直流電動機(jī)具有良好的機(jī)械特性，能夠在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，啟動、制動性能良好，故其在 20 世紀(jì) 70 年代以前一直在高精 度、大調(diào)速范圍的傳動領(lǐng)域內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位。最后應(yīng)用 MATLAB 的 Simulink，采用面向電氣原理結(jié)構(gòu)圖的仿真技術(shù)，對直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。 共 23 頁 第 1 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 摘 要 在電力拖動系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)電壓的直流調(diào)速是應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)速方法，除了利用晶閘管整流器獲得可調(diào)直流電壓外，還可利用其它電力電子元件的可控性，采用脈寬調(diào)制技術(shù)，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成極性可變，大小可調(diào)的直流電壓，用以實現(xiàn)直流電動機(jī)電樞兩端電壓的平滑調(diào)節(jié)，構(gòu)成直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，隨著電力電子器件的迅速發(fā)展，采用門極可關(guān)斷晶體管 GTO、全控電力晶體管 GTR、 PMOSFET、絕緣柵晶體管 IGBT 等一些大功率全控型器件組成的晶體管脈沖調(diào)寬型開關(guān)放大器（ Pulse Width Modulated） ,已逐步發(fā)展 成熟，用途越來越廣。 本文主要討論了直流調(diào)速系統(tǒng)的基本概念，在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)地介紹了轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速電流負(fù)反饋雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，工作原理，脈寬調(diào)速系統(tǒng)的原理和控制方法，介紹了直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的控制電路和系統(tǒng)構(gòu)成。 關(guān)鍵詞： 調(diào)速 ， PWM 控制，直流電動機(jī)，仿真 共 23 頁 第 2 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊