兩種直流PWM-M可逆調(diào)速系統(tǒng)的比較研究

李一鳴, 鄧 斌, 榮 軍, 易學良

(1. 湖南理工學院 計算機學院, 湖南 岳陽 414006; 2. 湖南理工學院 信息與通信工程學院, 湖南 岳陽 414006)

兩種直流PWM-M可逆調(diào)速系統(tǒng)的比較研究

李一鳴1, 鄧 斌1, 榮 軍2, 易學良1

(1. 湖南理工學院 計算機學院, 湖南 岳陽 414006; 2. 湖南理工學院 信息與通信工程學院, 湖南 岳陽 414006)

直流電機具有優(yōu)異的起動、調(diào)速及制動性能在直流調(diào)速領(lǐng)域應(yīng)用廣泛. 研究了兩種直流PWM-M調(diào)速系統(tǒng), 分析了它們的工作原理, 并在Matlab/Simulink中對它們進行建模與仿真, 最后對仿真結(jié)果進行了比較分析. 仿真結(jié)果表明雙極式PWM-M調(diào)速和受限單極式PWM-M調(diào)速系統(tǒng)都具有優(yōu)異的動靜態(tài)特性, 它們均能實現(xiàn)直流電機的正反轉(zhuǎn), 而且可以實現(xiàn)電機的無極調(diào)速. 區(qū)別在于受限單極式PWM-M調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性比雙極式PWM-M調(diào)速系統(tǒng)更加好.

直流調(diào)速; 雙極式PWM-M調(diào)速; 受限單極式PWM-M調(diào)速; 建模與仿真

引言

跟異步電動機和同步電動機相比, 直流電動機是一個弱耦合系統(tǒng), 它具有非常好的機械特性, 因此直流調(diào)速系統(tǒng)具有極好的運行性能和控制特性. 正是因為直流調(diào)速具有這么多的優(yōu)點, 使得直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)比較重要的地位[1,2]. 直流調(diào)速方法很多, 很多文獻都介紹過, 而且取得了不錯的效果[3,4]. 其中基于PWM控制技術(shù)的直流PWM-M可逆調(diào)速是最為常見的一種調(diào)速方法, 在生產(chǎn)和生活中比較常用. 正是基于這個原因, 本文對PWM-M直流調(diào)速中應(yīng)用最廣泛的雙極式控制直流PWM-M調(diào)速和受限單極式控制直流PWM-M調(diào)速進行了比較研究, 最后在MATLAB/Simulink中對其進行了建模與仿真, 并對仿真結(jié)果進行了比較分析.

1 直流電動機調(diào)速方法及工作原理介紹

1.1 直流電動機調(diào)速方法

由電機與拖動理論知識可知, 直流電動機轉(zhuǎn)速公式為[5]:

其中n為轉(zhuǎn)速(r/min);Ia為電樞電流(A);Ua為電樞電壓(V);CE為由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù);Ra為電樞回路總電阻(Ω); Φ為勵磁磁通(Wb).

由式(1)可知, 直流電動機的調(diào)速有三種方法: 改變電樞電壓Ua、通過改變勵磁電流If來改變勵磁磁通Φ和改變電樞電阻Ra. 本文主要針對改變電樞電壓Ua進行直流電機調(diào)速研究.

1.2 改變電樞電壓調(diào)速的基本原理

由文[6]可知直流電機通過改變電樞電壓的方式來改變電機速度. 在任一時刻, 只要改變占空比就可以改變電機的電樞電壓, 從而可以改變電機的速度. PWM調(diào)制時電機電樞兩端的電壓波形如圖1所示, 其電樞電壓平均值可以表示為:

其中U為直流電源電壓;U為電樞電壓平均值;T為PWM波的周期;為PWM波的占空比;Ton為功率開關(guān)管在一個PWM周期的開通時間;

圖1 PWM調(diào)制時電機電樞兩端的電壓波形

根據(jù)電機與拖動知識可知直流電動機的轉(zhuǎn)速公式為[6]:

可見, 在恒轉(zhuǎn)矩特性下, 直流電動機的轉(zhuǎn)速n與PWM波的占空比Du成正比.

2 兩種直流PWM-M可逆調(diào)速系統(tǒng)的工作原理介紹

2.1 PWM控制技術(shù)的工作原理

直流電機供電電路是由電力電子器件組成的整流電路, 承擔著電能的變換和控制作用. 電力電子器件以開通和關(guān)斷的方式工作, 通過控制電壓脈沖寬度和脈沖序列的周期以達到改變電壓大小的目的, 從而驅(qū)動直流電機運行, 即實現(xiàn)所謂的脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制. 在直流電動機的控制中, 通過開關(guān)管的開通和關(guān)斷, 在每半個周期中, 把電壓的波形變換為一系列的矩形波. 假設(shè)ton為每個矩形波的寬度,toff為每兩個矩形波之間的間隔寬度, 則矩形波的占空比Du可以表示為

由式(5)可知, 只要改變ton就可以輕松地改變占空比Du. 而由PWM控制技術(shù)知識可知, 直流電動機的電樞電壓平均值與占空比Du成正比關(guān)系, 只需要改變占空比Du, 就可以去改變電樞電壓, 這時就可以方便實現(xiàn)直流電機的無極調(diào)速.

2.2 雙極式控制直流PWM-M調(diào)速系統(tǒng)的工作原理

目前常用H型的直流調(diào)速控制電路有三種, 分別為直流PWM-M調(diào)速系統(tǒng)、雙極式控制直流PWM-M調(diào)速系統(tǒng)和受限極式直流PWM-M調(diào)速系統(tǒng), 其中圖2(a)和(b)分別為雙極式H型PWM變換電路的工作原理圖和工作波形圖. 其工作原理分析如下:VT1和VT4的關(guān)斷由Ub1和Ub4來驅(qū)動,VT2和VT3的驅(qū)動由Ub2和Ub3驅(qū)動. 當0≤t≤ton時,Ub1和Ub4此時為正向電壓,VT1和VT4飽和導通; 當Ub2和Ub3為負時,VT1和VT4關(guān)斷.此時如果加上UAB=US, 電流Id回路1導通. 當ton≤t≤T時,Ub1和Ub4反向變?yōu)樨摃r,VT1和VT4關(guān)斷.Ub2和Ub3為正向電壓, 依然不能導通, 這是由于電感儲能作用,VT2和VT3并不可以導通.Id從回路2經(jīng)過VD2、VD3上續(xù)流. 當它們上面的電壓使VT2和VT3承受反向電壓時,UAB=?Us, 這就是一個周期工作過程.

圖2 雙極式控制直流PWM-M變換器的電路和工作波形圖

圖 2(a)中所表示的電壓UAB有兩種呈現(xiàn)形式, 如同圖2(b)中的id1和id2兩種表現(xiàn)形式. 如果id1平均電流很大, 表示電動機負載較重的情況, 電機維持正方向轉(zhuǎn)動, 工作在第一象限.id2平均電流小. 相當于電動機負載很輕的情況, 當續(xù)流階段電流衰減到零時,VT2和VT3的c-e極兩端失去反向電壓, 在?US和電樞反電動勢的共同作用下導通, 同時電樞電流反向同時沿回路3流通, 電機處于制動狀態(tài), 所以在0≤t≤ton期間, 電流也有一次倒向. 雙極式控制直流PWM-H變換器的可逆體現(xiàn)在正、負脈沖寬窄上. 電機正轉(zhuǎn)是在正脈沖較寬時. 當正脈沖較窄時, 平均電壓為負, 電動機反轉(zhuǎn). 當正脈沖與負脈沖寬度相等時,, 平均電壓為零, 電動機停止.

2.3 受限單極式直流PWM-M調(diào)速系統(tǒng)工作原理

受限單極式直流PWM-M調(diào)速與雙極式直流PWM-M調(diào)速的工作電路完全一樣, 區(qū)別只是它們兩者之間的控制方式不同. 雙極式直流PWM-M調(diào)速控制VT1、VT4和VT2、VT3成對導通. 受限單極式直流PWM-M調(diào)速控制在正轉(zhuǎn)時VT1起PWM調(diào)速控制作用,VT4始終處于導通狀態(tài), 而VT2和VT3關(guān)斷; 在反轉(zhuǎn)時VT2作PWM控制,VT3始終處于導通狀態(tài), 而VT1和VT4關(guān)斷. 因此在反轉(zhuǎn)中, H橋的4個開關(guān)管中只有一個管子(VT1或VT2)處于PWM開關(guān)狀態(tài), 其他的三個管子狀態(tài)不變, 這樣不僅避免了H橋式同一個橋臂兩個開關(guān)管的直接連通, 從而燒毀電源, 同時也減少開關(guān)管的開關(guān)損耗, 因此受限式控制直流PWM-M調(diào)速系統(tǒng)是最常用的調(diào)速方案.

3 兩種PWM-M直流可逆調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真

3.1 雙極式控制直流PWM-M調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析

圖3為雙極式控制直流PWM調(diào)速系統(tǒng)在MATLAB/Simulink中的仿真模型, 它主要有直流電源、單相逆變器、直流電機、PWM發(fā)生器、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器等仿真模塊[7,8]. 雙極式控制直流PWM調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖4和圖5所示, 其中圖4(a)和(b)分別為雙極式控制直流PWM-M調(diào)速系統(tǒng)整流器輸出瞬時電壓和輸出平均電壓的仿真波形. 從圖4(a)和(b)可以看出調(diào)速系統(tǒng)當改變占空比Du時, 就可以改變輸出電壓的平均值, 從而可以改變直流電機電樞電壓的平均值, 實現(xiàn)電機的調(diào)速. 圖4 (c)為雙極式控制直流PWM-M調(diào)速系統(tǒng)的電機轉(zhuǎn)速仿真波形. 圖4 (c)中所示的實線波形表示占空比Du為0.8的電機轉(zhuǎn)速仿真波形, 虛線波形表示占空比Du為0.5時的轉(zhuǎn)速仿真波形. 從圖4(c)可知當改變占空比Du就可以比較容易的改變電機轉(zhuǎn)速, 而且很容易看出當占空比增大時, 電機轉(zhuǎn)速相應(yīng)增大, 這與前面的理論分析完全一致.

圖3 雙極式控制直流PWM-M調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型

圖4 雙極式控制直流PWM-M調(diào)速系統(tǒng)的輸出仿真波形

圖5 為雙極式直流控制PWM-M調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)的輸出仿真波形, 其中圖5(a)、 (b) 和(c)分別為輸入控制信號、電機電樞電流以及電機轉(zhuǎn)速仿真波形. 從圖5(a)可以看出輸入控制信號幅值為10V, 電壓在1.5s從正+10V變化成?10V. 從圖5 (b)可以看出電機電流隨著控制信號電壓方向改變, 電流方向在1.5s也立即發(fā)生改變, 為電機從正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件. 從圖5(c)可以看出電機在0.7s左右達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速, 維持一段時間后, 當控制信號從+10V變化成?10V時, 電機的轉(zhuǎn)速迅速下降, 降到零后在2.1s左右實現(xiàn)反轉(zhuǎn), 最終在3.1s左右達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速狀態(tài), 說明系統(tǒng)能夠快速地實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn), 而且電機達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間非常短, 說明調(diào)速系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性比較好, 這也是雙極式控制直流PWM-M調(diào)速系統(tǒng)最大的優(yōu)點.

圖5 雙極式控制直流PWM-M調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)的輸出仿真波形

3.2 受限單極式直流控制PWM-M調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果及分析

圖6為受限單極式直流PWM-M調(diào)速系統(tǒng)在MATLAB/Simulink中的仿真模型, 其仿真模型的組成與圖3仿真模型完全一樣, 區(qū)別在于PWM控制模型設(shè)置不同. 受限單極式直流PWM-M調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖7所示, 其中圖7(a)和(b)分別為直流電機電樞電流以及電機轉(zhuǎn)速仿真波形. 從圖7可以看出受限單極式直流PWM-M調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能與雙極式PWM-M調(diào)速系統(tǒng)幾乎一樣, 區(qū)別在于電機電樞電流毛刺更少, 波形更加平滑, 說明其調(diào)速穩(wěn)定性明顯優(yōu)于雙極式控制直流PWM-M調(diào)速控制系統(tǒng).

圖6 受限單極式直流控制PWM-M調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型

圖7 受限單極式控制直流PWM-M調(diào)速系統(tǒng)輸出仿真波形

4 結(jié)論

本文首先簡要介紹了直流電機調(diào)速的基本方法以及改變電樞電壓調(diào)速的基本原理, 然后根據(jù)PWM控制技術(shù)能夠改變電機電樞電壓詳細介紹了雙極式控制直流PWM-M調(diào)速和受限單極式直流PWM-M調(diào)速控制技術(shù)的工作原理, 并在MATLAB/Simulink中對兩種調(diào)速系統(tǒng)進行了建模與仿真, 最后對仿真結(jié)果進行了比較分析. 仿真結(jié)果表明雙極式控制直流PWM-M調(diào)速和受限單極式直流PWM-M調(diào)速系統(tǒng)都能是吸納電機的正反轉(zhuǎn), 而且兩個調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)性能比較好, 兩者都能保持電機電樞電流連續(xù), 均可以實現(xiàn)電機的無極調(diào)速, 因此調(diào)速范圍很大, 調(diào)速平滑性非常好. 兩種調(diào)速的區(qū)別在于受限單極式直流PWM-M調(diào)速的穩(wěn)定性比雙極式控制直流PWM-M調(diào)速更優(yōu).

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Comparative Study of Two Kinds of DC PWM-M Reversible Regulating Speed System

LI Yi-ming1, DENG Bin1, RONG Jun2, YI Xue-liang1
(1. College of Computer Science, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China; 2. College of Information and Communication Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China)

DC motor with excellent starting, speeding and braking performance is widely used in the field of DC regulating speed. Two kinds of regulating speed control system for DC PWM-M are studied, and their working principles are analyzed, and the modeling and simulation of them are carried out based on Matlab/Simulink. Finally, the simulation results are compared and analyzed, and the simulation results show that the control system of bipolar PWM-M regulating speed and the restricted unipolar PWM-M regulating speed have excellent dynamic and static characteristics, and they can all realize forward and reverse, and can also realize stepless regulating speed for DC motor. The difference is that the stability of the restricted unipolar PWM-H regulating speed system is better than the bipolar PWM-M regulating speed system.

DC regulation speed; bipolar PWM-M regulating speed; restricted unipolar PWM-M regulating speed; modeling and simulation

TP341

: A

: 1672-5298(2015)04-0041-05

2015-09-29

湖南省普通高校教學研究改革項目 (湘教通[2015]291號)

李一鳴(1979? ), 女, 湖南岳陽人, 碩士, 湖南理工學院計算機學院講師. 主要研究方向: 計算機硬件技術(shù)和仿真技術(shù)