H型直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計與研究

馬勇，陳由鋒，楊槐，謝承希，羅雪芳

（1.重慶交通建設(shè)（集團）有限責任公司，重慶，400000；2.新疆兵團水利水電工程集團有限公司，新疆烏魯木齊，830000）

0 引言

在的H型直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)當中，通過使用H型雙極式的可逆脈寬調(diào)制變換器，得到調(diào)速系統(tǒng)中直流電動機的電樞端的電壓。這是與常見的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的不同之處，但是H型直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)與常見的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的共性是作為外環(huán)的ASR和作為內(nèi)環(huán)的ACR在工作過程與普通雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是相同的。其中，作為外環(huán)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為了保證系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速精度和轉(zhuǎn)速恒定，能有效的消除轉(zhuǎn)速誤差。而內(nèi)環(huán)的電流調(diào)節(jié)器是為了限制過大的啟動電流和過載電流，保證電動機能快速啟動。

在普通的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電動機的電樞電壓通常采用全控型的晶閘管構(gòu)成的整流橋經(jīng)過整流獲得或者使用脈沖觸發(fā)器獲得，而在的H型直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)當中，通過使用H型雙極式的可逆脈寬調(diào)制變換器，得到調(diào)速系統(tǒng)中直流電動機的電樞端的電壓，以此來實現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的平滑調(diào)速。

1 H型雙極式的可逆脈寬調(diào)制變換器的組成及工作原理

1.1 H型雙極式的可逆脈寬調(diào)制變換器的組成

H型脈寬調(diào)制變換器電路構(gòu)成是4個全控型器件和4個不可的控續(xù)流二極管。H型可逆變換器按照控制方式的差異和不同，通?？梢苑譃槭芟迒螛O式、單極式、雙極式等多種類型。文章中仿真中使用到的雙極式H型可逆脈寬調(diào)制變換器，是普遍常見到的一種，也是使用最廣泛的一種。電路是由4個全控型器件的基極驅(qū)動，使得電壓被分為兩組，電路整體看上去呈現(xiàn)為中心對稱結(jié)構(gòu)。其基本電路如圖1所示。

圖1

1.2 H型雙極式的可逆脈寬調(diào)制變換器的工作原理

如圖2所示，ton為可控型器件的開通時間，在一個完整開關(guān)周期T內(nèi)，當0≤t≤ton時，由圖2可以看出，全控型器件VT1、VT4飽和開通，此時全控型器件VT2、VT3截止，這時電樞兩端的電壓UAB等于電源電壓US，電樞電流id沿著回路：+US→VT1→電動機電樞→VT4→-US流通;當ton≤t≤T時，驅(qū)動電壓相反，全控型器件VT1、VT4截止關(guān)斷，但此時全控型器件VT2、VT3不能立刻導通，電樞電流id沿著回路2，經(jīng)續(xù)流二極管VD2和VD3進行續(xù)流，這時電樞兩端的電壓UAB等于負的電源電壓-US。在一個周期T內(nèi)，電樞電壓UAB具有正、負交替的脈沖波形，這也是雙極式脈寬調(diào)制變換器電路工作時的都有特性。其電壓、電流波形如上圖2所示。

圖2

電動機的旋轉(zhuǎn)方向是由驅(qū)動電壓的正、負脈沖的寬和窄來決定的。當正脈沖較為寬時，即ton＞T/2，則電動機電樞電壓UAB的平均值為正，此時電動機正向旋轉(zhuǎn)。同理，當正脈沖較為窄時，即ton＜T/2，則電動機反向旋轉(zhuǎn)。如果正、負脈沖大小一樣時，即ton=T/2，電壓的平均輸出值為零，此時電動機停止轉(zhuǎn)動。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 H型雙閉環(huán)直流脈調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖3所示，UR為整流器、UPEM為橋式可逆電力電子變換裝置、UPW為PWM波生成環(huán)節(jié)、ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)、ACR為電流調(diào)節(jié)環(huán)、GD為驅(qū)動電路、TG測速發(fā)電機。

圖3 H型雙閉環(huán)直流脈調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 H型雙閉環(huán)直流脈調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計框圖

如圖4為H型雙閉環(huán)直流脈調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，按圖依次為：轉(zhuǎn)速延遲環(huán)節(jié)、ASR、電流延遲環(huán)節(jié)、電流調(diào)節(jié)器、脈寬調(diào)制環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)、電流反饋環(huán)節(jié)。其中延時環(huán)節(jié)作用是，讓給定的輸入信號和經(jīng)反饋電路反饋后的信號經(jīng)過相同的延時，使兩者在時間的利用上得到很好的配合。而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器的功能同普通雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一致。

圖4 H型雙閉環(huán)直流脈調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計框圖

3 H型雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)定及模型建立

3.1 H型雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真模型的組成

H型雙閉環(huán)脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng)的組成為：給定階躍信號Step模塊、轉(zhuǎn)速延遲模塊、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器模塊、電流調(diào)節(jié)器模塊、電流延遲模塊、脈寬調(diào)制發(fā)生器、Universal Bridge模塊、直流電動機模塊、負載模塊、電源模塊、轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)模塊、電流反饋系數(shù)參數(shù)模塊、示波器模塊等。

3.2 H型雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)模塊介紹

3.2.1 脈寬調(diào)制變換器模型

如圖5所示，脈寬調(diào)制變換器模型采用兩個PWM Generator模塊經(jīng)電氣封裝后得到。

圖5 脈寬調(diào)制變換器模型

3.2.2 橋式模塊

H橋模塊選用Universal Bridge模塊（見圖6），該模塊于直流電機串聯(lián)使用。

圖6 Universal Bridge H橋式模塊

3.2.3 直流電動機模塊

圖7為直流電機模塊，總共有6個電氣接線端子，其中TL是負載轉(zhuǎn)矩的電氣接線端子、m為電動機輸出接線端子、F+和F-是連接電動機勵磁繞組的電氣連接端子，A+和A-是電樞連接的電氣端子。其中輸出端子m可以輸出電機內(nèi)部的一系列信號。

圖7 直流電機模塊

3.3 H型雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)模型重要參數(shù)的設(shè)定

Step模塊參數(shù)設(shè)置分別為2.5和5；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR模塊的Kp=5.4，Kn=1/0.04；電流調(diào)節(jié)器ACR的Kp=4.63，Ki=1/0.015s；PWM發(fā)生器采用兩個PWM Generator模塊；模塊的載波Frequency設(shè)置為1kHz；Selector模塊輸入信號的指定元素Index Option 設(shè)置為[1 2 4 3]；H橋模塊選用Universal Bridge模塊，該模塊于直流電機串聯(lián)使用，其參數(shù)設(shè)置為：Number of bridge arms為2，Power Electronic device為MOSFET/Diodes，其他參數(shù)為模型的默認值；轉(zhuǎn)速反饋模塊參數(shù)為：分子（Numerator）數(shù)值為[0.05]，分母（Denominator）數(shù)值為[0.005 1]；電流反饋模塊參數(shù)設(shè)置: 分子（Numerator）數(shù)值為[1.35]，分母（Denominator）數(shù)值為[0.001 1]；直流電機模塊參數(shù)設(shè)置為：PN=1000W，UN=48V，IN=3.7A，nN=200r/min，允許電流過載倍數(shù)λ=2；電磁時間常數(shù)為Ti=0.015s，電常數(shù)為：Tm=0.2sCe=0.12，If=0.92A，Iaf=1.246其他參數(shù)為模塊默認值；直流電源參數(shù)為48V;仿真中，算法設(shè)置為:ode23tb（stiff/TR-BDF2），Start time到Stop time設(shè)置為0～12s。

■ 3.4 H型雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

H型雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真模型如圖8所示。

圖8 H型雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真模型

■ 3.5 H型雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)仿真波形

當step time的值為2.5和5時，脈寬調(diào)制發(fā)生器波形、橋式電路輸出電壓波形、以及直流電機轉(zhuǎn)速波形、電樞電流波形、電磁轉(zhuǎn)矩波形分別如圖9~圖13所示。

圖9 脈寬調(diào)制發(fā)生器波形

圖10 橋式電路輸出電壓波形

圖13 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)電磁轉(zhuǎn)矩曲線

4 結(jié)論

在H型的雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)當中，根據(jù)圖11轉(zhuǎn)速波形和圖12電流波形可以分析得出，當給定信號為10V時，在啟動過程受到ACR的影響，電動機電樞電流接近最大值6A，使得電動機的轉(zhuǎn)速快速上升，其中最高轉(zhuǎn)速205r/min，當系統(tǒng)穩(wěn)定時轉(zhuǎn)速為200r/min；電流為3.5A。2.5s后給定信號變成-10V時，電動機速度逐漸下降。當轉(zhuǎn)速過零后，電動機開始反向運轉(zhuǎn)，達到穩(wěn)定狀態(tài)時的轉(zhuǎn)速為-200r/min（負號表示轉(zhuǎn)動方向）。從設(shè)計的H型雙閉環(huán)直流脈寬系統(tǒng)可以看出，在啟動過程中轉(zhuǎn)速是穩(wěn)步上升的，轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)定狀態(tài)后，轉(zhuǎn)速一直為恒定值并沒有突變的情況出現(xiàn)，系統(tǒng)在工作過程中表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速上升快，動態(tài)響應(yīng)快。設(shè)計的系統(tǒng)基本和給定的直流電機的轉(zhuǎn)速和電流參數(shù)一致，說明了該系統(tǒng)設(shè)計的合理性、正確性。

圖11 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速曲線

圖12 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)電樞電流曲線