自控技术第七章.ppt

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第七章直流脉宽调速系统第一节概述第二节直流脉宽调制电路第三节直流脉宽调速控制系统第四节直流脉宽调速系统实例第五节直流脉宽调速系统仿真本章小结主要内容第一节概述随着大功率晶体管GTR，可关断晶闸管GTO和功率场效应管MOSFET等全控型器件的应用，以GTR脉宽调制电路为基础组成的直流脉宽调速系统，在直流传动中的应用得到普及。

晶晶体体管管脉脉宽宽调调制制电电路路是利用GTR的开关作用，将直流电压转换成较高频率（几千Hz）的方波电压，加在直流电动机的电枢上，通过对方波脉冲宽度的控制，改变电枢电压Ud的平均值，从而调节电动机的转速。

直流脉宽调制电路也称为PWMPWM电路。

第一节概述与普通晶闸管相控式整流装置供电的直流调速系统相比，直流脉宽调速系统有以下优点：

1.由于晶体管的开关频率高，仅靠电枢电感的滤波作用，就可获得脉动很小的直流电流，电流连续容易，同时电动机的损耗发热较小；2.系统频带宽，响应速度快，动态抗干扰能力强；3.低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:

10000左右。

4.直流电源采用三相不可控整流，对电网影响小，功率因数较高；5.主电路线路简单，所用功率元件少。

第二节直流脉宽调制电路直流脉宽调制电路分为不可逆运行直流脉宽调直流脉宽调制电路分为不可逆运行直流脉宽调制电路和可逆运行直流脉宽调制电路两类。

制电路和可逆运行直流脉宽调制电路两类。

一一.不可逆输出的直流脉宽调制电路不可逆输出的直流脉宽调制电路不可逆运行的直流脉宽调制电路分为：

无制动作用的直流脉宽调制电路和带制动作用的直流脉宽调制电路两类，这里只分析常用的带制动作用的直流脉宽调制电路。

带制动作用的直流脉宽调制电路如图7-1a所示。

这种电路组成的PWM调速系统可在一、二两个象限中运行。

图7-1带制动作用的直流脉宽调制电路a）电路原理图；b）电动状态的电压、电流波形；c）轻载电动状态的电流波形；d）制动状态的电压、电流波形二、可逆运行直流脉宽调制电路可逆运行直流脉宽调制电路有H形、T形等不同的结构形式。

这里主要分析常用的H形变换器。

它是由4个IGBT（VT1VT4）以及4个续流二极管（VDlVD4）组成的桥式电路，如图7-2所示。

这时，电动机M两端电压UAB的极性随开关器件驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制和单极式控制的可逆PWM变换器。

第二节直流脉宽调制电路图7-2H形变换器双极性脉宽调制电路双极式控制可逆PWM变换器的4个驱动电压波形如图7-3所示，它们的关系是：

。

在一个开关周期内，当0tton时，UAB=Us，电枢电流id沿回路1流通；当tontT时，驱动电压反相，id沿回路2经二极管续流，UAB=Us。

因此，UAB在一个周期内具有正负相间的脉冲波形，这就是双极式名称的由来。

双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为（7-1）双极性脉宽调制电路双极性脉宽调制电路中，四个VT的基极驱动电压分为两组：

VT1和VT4同时导通和关断，其驱动电压Ub1=Ub4；VT2和VT3同时导通和关断，其驱动电压Ub2=Ub3=-Ub1。

在一个周期内，0tt1时，Ub1=Ub4为正，VT1和VT4饱和导通；Ub2=Ub3为负，VT2和VT3截止。

这时UAB=Us，id从Us正极经VT1、电枢、VT4到Us负极图7-3驱动电压、输出电压和电流波形双极性脉宽调制电路工作原理t1t0时，Uc使-Up的作用减小，输出脉冲电压的正半波变窄，负半波变宽，如图7-6b）所示；Uc0;c）UC0逻辑延时环节在可逆PWM变换器中，跨接在电源两端的上、下两个电力电子器件是频繁交替工作的。

由于器件的关断过程需要一段关断时间toff，在这段时间内器件尚未完全关断。

如果在此期间另一器件导通，则会造成上、下两管直通，使电源短路。

为了避免发生这种事故，特设置了由逻辑电路（本书略去了具体电路构成）或由计算机软件实现的逻辑延时环节DLD，保证在对一个器件发出关闭脉冲后，见图7-7中的Ug1负脉冲，延时td1后再发出对另一器件的开通脉冲（见Ug2正脉冲）。

反之亦然，Ug2变负后，延时td1使Ug1变正。

图7-7考虑延时开通的驱动电压信号在逻辑延时环节中还可以引人保护信号，例如图7-4所示的瞬时动作的限流保护FA。

一旦出现桥臂电流超过允许最大电流值时，使VT1、VT4（或VT2、VT3）同时封锁，以保护大功率器件免受损坏。

系统数学模型直流脉宽调速系统的控制规律和数学模型与晶闸管-电动机调速系统基本一致，惟一的区别是PWM控制和变换器。

PWM控制与变换器（简称PWM装置）的数学模型和晶闸管触发的整流装置基本一致。

PWM装置也可以看成是一个滞后环节，其传递函数可以写成（7-3）式中PWM装置的放大系数；PWM装置的延迟时间，系统数学模型当开关频率为10kHz时，在一般的电力拖动自动控制系统中，时间常数这么小的滞后环节可以近似看成是一个一阶惯性环节简化传递函数形式与晶闸管装置传递函数完全一致。

式（7-4）是近似的传递函数，实际上PWM变换器不是一个线性环节，而是具有继电特性的非线性环节。

继电控制系统在一定条件下会产生自激振荡。

（7-4）第四节直流脉宽调速系统实例目前应用的直流脉宽调速系统，其电力电子器件应用最多的是IGBT或IPM模块（IntelligentPowerModule），其控制系统的实现应用最多的是采用微控制器组成的转速、电流双闭环数字控制系统。

采用51系列单片机控制的可逆运行直流脉宽调速系统如图7-8所示，该调速系统可实现电动机四象限运行控制。

图7-8的上半部分是系统主电路的原理图，图的下半部分是采用8031单片机实现转速、电流双闭环直流调速控制的结构图。

图7-8桥式可逆直流脉宽调速系统原理图图7-9桥式可逆直流脉宽调速系统计算机控制软件框图a）主程序流程图b）转速环中断服务程序流程图c）电流环中断服务程序流程图第五节第五节直流脉宽调速系统仿真直流脉宽调速系统仿真本节以图7-4所示的双闭环直流脉宽调速系统（PWM脉宽调制主电路采用图7-2所示的可逆脉宽调制电路）为例，通过仿真分析系统的稳态和动态性能。

直流电动机参数：

额定电压240V，额定电流20A，额定转速1750r/min，励磁电压300V。

系统稳态参数：

Usn=10V或-10V，n=0.0057V.min/r，i=0.1V/A。

参考本章第三节和双闭环调速系统工程设计方法（详见附录C），可以初步确定调节器参数。

通过MATLAB/Simulink仿真调试后确定的调节器参数：

Kn=0.6，n=0.5；Ki=0.5，i=0.2。

在MATLAB/Simulink中依据上述参数建立的双闭环直流脉宽调速系统仿真模型如图7-10所示。

图中，直流电动机直接选用Simulink库中的直流电动机控件，PWM脉宽调制主电路直接选用Simulink库SimPowersystems中的电力电子功率模块控件（UniversalBridge）。

仿真时间为6s，电动机带载10N.m启动。

在2.5s电动机反向旋转。

图7-10双闭环直流脉宽调速系统仿真模型仿真演示图7-11和图7-12分别为直流电动机脉宽调速系统转速给定和转速反馈仿真波形，依据给定10V和转速反馈系数0.0057，可计算出转速实际给定值为1754r/min。

从图7-12可以看出，由于采用了PI调节器，转速稳定在给定转速左右，可以实现无静差调速。

在2.5s时电动机反向，转速超调量小、转速调节时间短即到达稳态，反映了直流脉宽调速良好的动、静态性能。

图7-11转速给定仿真波形图7-12电动机转速仿真波形图7-13为直流电动机转矩仿真波形。

可以看出，直流电动机为了实现快速正反转，需要一个较大的反向转矩。

经过约0.4s的时间，重新跟踪负载转矩，不足的是转矩有些脉动，这是因为脉宽调制信号频率不能太高所造成的。

因为调制信号频率不能超过电力电子器件的开关频率，否则会造成器件损坏。

图7-13电动机转矩仿真波形图7-14为直流脉宽调速系统电流给定和电流反馈仿真波形。

电流调节器输出信号的波动反映了电流调节器的调节作用，不同电流调节器参数的波动情况不同，其变化使变流器的脉宽随之调整，输出电压值也随着变化，使电流保持不变。

图7-14电流环仿真波形本章小结1.直流脉宽调速系统是利用大功率晶体管的开关作用，将直流电压转换成较高频率的方波电压，通过对方波脉冲宽度的控制，改变直流电压的平均值，从而达到改变直流电动机转速的目的。

2.直流脉宽调速系统和直流相控调速系统主要区别在主电路和PWM控制电路。

它们的闭环控制方式，以及静、动态特性分析和校正方法基本相同。

3.直流脉宽调制电路分为不可逆运行直流脉宽调制电路和可逆运行直流脉宽调制电路两类。

可逆运行直流脉宽调制电路控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种。

其中占空比和电压系数了是两个重要概念。

本章小结4.双极式H形可逆PWM变换器能消除静摩擦死区，低速平稳性好、调速范围宽。

双极式控制方式的不足之处在于：

除开关损耗外，容易发生上、下两个开关器件同时导通的危险。

5.单极式变换器与双极式变换器相比，VT3和VT4二者之中总有一个常通，另一个常截止，开关损耗可以减少，装置的可靠性有所提高，但动态性能略差。

6.直流脉宽调速系统中，IGBT的驱动信号由电压脉冲变换器产生，但其输出的信号功率较小，还需经过驱动电路放大，并采取一定的保护措施，才能用来驱动大功率晶体管。

本章小结7.直流脉宽调速系统的控制规律和数学模型与晶闸管-电动机调速系统基本一致。

8.当直流电源采用半导体整流装置时，在回馈制动阶段电能不可能通过它送回电网，只能向滤波电容器C充电，从而造成瞬间的电压升高，称作“泵升电压”。

如果回馈能量大，泵升电压太高，将危及电力晶体管和整流二极管，需采取措施加以限制。