基于直流可變脈寬調(diào)制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李久超++姚兆

摘 要：基于使用了PI操縱器，PWM操縱器等當(dāng)代生產(chǎn)控制常用的操縱部件及具體設(shè)計(jì)理念。主要分析了直流可變電機(jī)PWM操縱系統(tǒng)方法，分析了變速系統(tǒng)，總結(jié)了直流PWM的機(jī)械特性，最終總結(jié)了PWM操縱與更改器的模型。

關(guān)鍵詞：直流 可變脈寬調(diào)制系統(tǒng) 操縱系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）09（c）-0006-02

1 直流可變電機(jī)PWM操縱系統(tǒng)

1.1 直流可變電機(jī)PWM操縱系統(tǒng)原理

脈沖調(diào)制操縱方法以往是可改頻內(nèi)容的重要技術(shù)之一。它采用電源計(jì)數(shù)器的方法，脈沖占空比被改變用來(lái)對(duì)一個(gè)采樣模擬信號(hào)的信號(hào)進(jìn)行控制。

直流可變電機(jī)PWM操縱系統(tǒng)有可變和不可變系統(tǒng)兩種?？勺兿到y(tǒng)是指電機(jī)能夠前后兩個(gè)角度旋轉(zhuǎn)；不可變系統(tǒng)是指電機(jī)只能在一個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)。對(duì)于可變系統(tǒng)，能夠區(qū)分為單極性轉(zhuǎn)動(dòng)和多方向驅(qū)動(dòng)兩種不同。該文只分析多方向驅(qū)動(dòng)。

1.2 H型多方向驅(qū)動(dòng)可變PWM操縱系統(tǒng)控制方法

“H”型是多方向驅(qū)動(dòng)電路的典型電路，也叫做橋式電路。其內(nèi)部是由4個(gè)三極管和4個(gè)穩(wěn)壓二極管構(gòu)造，單電源開(kāi)關(guān)。4個(gè)三極管分為兩組，V1和V4為一組，V2和V3為另一組。相同的三極管同步導(dǎo)通或關(guān)斷，不同的三極管導(dǎo)通與關(guān)斷正好不同。

在每個(gè)脈沖調(diào)制周期里，當(dāng)控制采樣Vi1高電平時(shí)，三極管V1和V4導(dǎo)通，此時(shí)Vi2為低電平，因此V2和V3不通。電樞繞組流過(guò)從A到B的正向信號(hào)；當(dāng)控制采樣Vi1為低電平時(shí)，三極管V1和V4截止，此時(shí)Vi2為高電平，因此V2和V3導(dǎo)通，電樞繞組流過(guò)從B到A的反向信號(hào)，這就是所謂的“多方向”。

因?yàn)樵谝粋€(gè)脈沖周期里電樞信號(hào)經(jīng)歷了正反兩次不同，因此其兩次電壓U0可以用下式總結(jié)：

U0=US=（2b-1）US=（2a-1）US （1）

由此，多方向可變脈沖工作時(shí)，電樞內(nèi)部所經(jīng)過(guò)的每次電壓取決于占空比α的多少。當(dāng)α=0時(shí)，U0=-US，可變電機(jī)反轉(zhuǎn)，且轉(zhuǎn)速高值；當(dāng)α=1時(shí)，U0=US，可變電機(jī)正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速高值；此時(shí)，α=1/2時(shí)U0=0，可變電機(jī)停止，但電樞內(nèi)部中仍然有交變電流交互，使電機(jī)產(chǎn)生持續(xù)振蕩，這種振蕩能夠克服電機(jī)負(fù)載的碰撞，提高轉(zhuǎn)速性能。

2 操縱系統(tǒng)的構(gòu)建

面向一個(gè)操縱系統(tǒng)，最核心的是操縱器的構(gòu)建，操縱器構(gòu)建的好壞關(guān)系到操縱系統(tǒng)性能的能力。操縱器要求實(shí)時(shí)性高，通用性高，掌握較強(qiáng)的核心，在達(dá)到性能指標(biāo)的要求下應(yīng)盡可能的方便。

PI操縱器采用在系統(tǒng)中填入了一個(gè)位于原點(diǎn)的開(kāi)環(huán)核心，而且也增加了一個(gè)內(nèi)部S左半平面的開(kāi)環(huán)中心。填入原點(diǎn)的核心可以提高系統(tǒng)的能力，以消除或增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)。而填入的負(fù)實(shí)中心則用來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的阻尼系數(shù)，緩和PI操縱器核心對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生的不利因素。只要結(jié)算時(shí)間常數(shù)Ti足夠高，PI操縱器對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的不利內(nèi)容可大為改變。在操縱系統(tǒng)中，PI操縱器主要能夠改善操縱系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)[2]。

閉環(huán)可變系統(tǒng)的改變和電流整流器都采用PI操縱器。采用PI操縱器的自動(dòng)控制方式。

經(jīng)過(guò)傳遞函數(shù)看，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)為：

WP1（S）=KP+M （2）

當(dāng)變頻信號(hào)ε是階躍采樣時(shí)，模擬部分會(huì)突然升高，而結(jié)算部分則按線性升高，通過(guò)一定時(shí)間后，U1比例達(dá)到限幅值。而實(shí)際應(yīng)用中，階躍采樣ε只是一開(kāi)始突跳，隨著模擬信號(hào)USC的升高，采樣信號(hào)ε便逐漸減少，U1是否能夠挺高到限幅值，就要看U1的聽(tīng)聲和ε的衰減哪一方突然。因?yàn)檎{(diào)節(jié)信號(hào)的時(shí)間系數(shù)遠(yuǎn)大于操縱器的時(shí)間核心，則ε下降階躍，由于操縱器的結(jié)算作用，盡管在改變，U1仍繼續(xù)升高，在ε改變到零以前U1還來(lái)得及升到提升值。如果采樣對(duì)象的時(shí)間常數(shù)不高，則ε改變較快，當(dāng)操縱量還來(lái)不及把U1提升到限幅值作用，ε已經(jīng)改變到零，U1也就不能再提升，這時(shí)操縱器不會(huì)飽和。

在改變過(guò)程中，PI操縱器輸出信號(hào)U1是否飽和對(duì)系統(tǒng)的信號(hào)波形很有改變。若U1一旦結(jié)算，只有ε變負(fù)，即U1>Us時(shí)，才有可能使它重復(fù)變頻，因此必然過(guò)壓。

3 可變脈寬操縱系統(tǒng)的內(nèi)部特性

因?yàn)閼?yīng)用了脈寬操縱，因此，即使在不變情況下，脈寬操縱系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速也都是改變的。所謂不變，是指電機(jī)的一般電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載采樣相一致的情況，內(nèi)部特性是一般轉(zhuǎn)速與平均信號(hào)（采樣）的鏈接。

引進(jìn)不同機(jī)構(gòu)的PWM操縱器，系統(tǒng)的內(nèi)部特性也不同。對(duì)于多方向式控制的改變采樣，信號(hào)的方向是交互的，無(wú)論是內(nèi)部還是外部，信號(hào)波形都是密集的，因而內(nèi)部特性關(guān)系式比較合適。

U0=Rid+L+E（0≤t

-U0=Rid+L+E（ton≤t

式中的R.L分別為操縱器電樞內(nèi)部的電阻和電感。

電樞內(nèi)部在一個(gè)周期內(nèi)的內(nèi)部電壓是U0=US。內(nèi)部電流和轉(zhuǎn)矩分別用Id和Te表示，平均轉(zhuǎn)速n=E/Ce，而操縱器電感L的平均值在連續(xù)時(shí)應(yīng)為0。

4 PWM可變操縱器的數(shù)學(xué)模型

PWM可變操縱器的內(nèi)部數(shù)學(xué)模型和三極管與二極管的觸發(fā)與整流裝置基本相同。按照對(duì)PWM可變操縱器原理和波形的整理，當(dāng)控制信號(hào)UC變動(dòng)時(shí)，PWM操縱器輸出平均電壓Ud按線形規(guī)律升高，但其信號(hào)會(huì)有延遲，最大的延遲是一個(gè)整流周期T。因此，PWM可變操縱器（簡(jiǎn)稱(chēng)PWM裝置）也可以看成是一個(gè)后置裝置，其表示函數(shù)可以總結(jié)：

WS（S）=Kse-TS （5）

式中，KS為PWM裝置的傳遞系數(shù)；

TS為PWM裝置的采樣時(shí)間，TS≤T。

因?yàn)镻WM裝置的數(shù)學(xué)公式與開(kāi)關(guān)管裝置相同，在操縱系統(tǒng)中的地位也一樣，因此WS（S），KS和KS都采用一樣的表示。

不過(guò)，此式是相似的傳遞函數(shù)，因?yàn)镻WM裝置不是一個(gè)線形系統(tǒng)，而是具有持續(xù)特性的非線形系統(tǒng)。繼電操縱系統(tǒng)能夠在一定條件下產(chǎn)生自激采樣，因此采用線形操縱理論的傳遞采樣不能分析出來(lái)。一旦在實(shí)際系統(tǒng)中遇到這類(lèi)情況，解決辦法是改變操縱器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，如果這樣做不能成功，可以在系統(tǒng)內(nèi)部施加高頻的周期采樣，人為地改變高頻內(nèi)部振蕩，從而產(chǎn)生系統(tǒng)中的振蕩。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳伯時(shí).自動(dòng)控制系統(tǒng)原理[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2] 李錫雄.PWM技術(shù)應(yīng)用[M].2版.武漢：華中理工大學(xué)出版社，2000.