低容量可逆調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真實(shí)現(xiàn)(一)

1.引言

　　隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，直流電動機(jī)在理論和實(shí)踐上更加成熟，例如雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有極好的運(yùn)行和控制性能，在工業(yè)生產(chǎn)中始終占有相當(dāng)?shù)谋壤?。由于資金條件有限和本著研究開發(fā)的態(tài)度大多采用仿真來進(jìn)行模仿。

　　目前在matlab軟件仿真中，很多公式和參數(shù)計(jì)算過后都需要通過建模，本文直接把得到的參數(shù)通過程序運(yùn)算，輸入到所得到的的模型中，簡化了程序，節(jié)約了大量的時(shí)間，獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益，通過simulink仿真，使得模型更簡明，本文主要介紹電源的選擇，控制電路的設(shè)計(jì)，ACR和ASR的參數(shù)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)分析，通過滿足一定的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到預(yù)期效果。

　　2.雙閉環(huán)控制電路設(shè)計(jì)

　　2.1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）的設(shè)計(jì)和電流調(diào)節(jié)器（ACR）的設(shè)計(jì)

　　選定額定轉(zhuǎn)速nN 對應(yīng)的轉(zhuǎn)速給定電壓，當(dāng)在0~ 之間變化時(shí)，對應(yīng)轉(zhuǎn)速n在0~nN之間變化，一般可選 ，于是可選定轉(zhuǎn)速檢測系數(shù)。

　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）的輸出作為電流調(diào)節(jié)器（ACR）的輸人給定信號，首先應(yīng)選定ASR的輸出限幅值，則對于電樞電流應(yīng)有如下兩式成立：

　　2.2 直流可調(diào)電源設(shè)計(jì)

　　電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出c U 是可調(diào)直流電源的輸入值，首先選定ACR的輸出控制限幅值， 對應(yīng)于直流電源最大輸出電壓，穩(wěn)態(tài)時(shí)有。根據(jù)直流電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)電壓平衡方程：

　　U = E + RI = C n + RI ，為了保證額定轉(zhuǎn)速nN時(shí)，直流電源仍能提供最大電樞電流 ，應(yīng)滿足下式，并留有一定裕量。

　　3.可逆控制的主要問題

　　無論是采用改變電樞電壓的極性或改變勵(lì)磁磁通的方向來改變直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)向，都需要其供電電源能夠輸出極性可變的直流電壓。

　　基于PWM控制的H型可逆直流電源，其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制原理如圖1-2所示，其主電路開關(guān)器件可采用IGBT、Power MOSFET以及智能功率模塊IPM，常應(yīng)用于中、小功率的可逆直流調(diào)速系統(tǒng)（如圖1所示）。

　　圖1-a繪出了H型可逆脈寬調(diào)速系統(tǒng)的基本原理圖，由4個(gè)電力電子開關(guān)器件1 4 S ？ S和續(xù)流二極管構(gòu)成橋式電路拓?fù)?。H型可逆PWM變換器的控制方式有：雙極式控制、單極式控制和受限單極式控制等。

　　現(xiàn)以雙極式控制為例，說明H型可逆PWM變換器的工作原理。

　　1）正向運(yùn)行（此期間2S 和3 S 始終保持?jǐn)嚅_）第1階段，在0 on ≤ t ≤ t 期間， 1 4 S和S 同時(shí)導(dǎo)通，電動機(jī)M的電樞兩端承受電壓+ d0 U ，電流d i 正向上升；第2階段，在on t ≤ t ≤ T 期間， 1 4 S和S 斷開， 續(xù)流，電動機(jī)M的電樞兩端承受電壓- ，電流下降；但由于平均電壓高于電動機(jī)的反電動勢E，電動機(jī)正向電動運(yùn)行，其波形如圖1-b.

　　2）反向運(yùn)行（在此期間1 4 S和S 始終保持?jǐn)嚅_）

　　第1階段，在0 on ≤ t ≤ t 期間， S 2 和S3 斷開，通過續(xù)流，電動機(jī)M的電樞兩端承受電壓+ ，電流- 沿反方向下降；第2階段，在on t ≤ t ≤ T期間， S2 和S 3 同時(shí)導(dǎo)通，電動機(jī)M的電樞兩端承受電壓- ，電流- 沿反方向上升；由于平均電壓|- |高于電動機(jī)的反電動勢|-E|，電動機(jī)反向電動運(yùn)行，其波形如圖1-c.改變兩組開關(guān)器件導(dǎo)通的時(shí)間，也就改變了電壓脈沖的寬度。

　　如果on t 表示1 4 S和S 導(dǎo)通的時(shí)間，開關(guān)周期T和占空比的定義和上面相同，則電動機(jī)電樞兩端電壓平均值為：

　　如果令γ = 2ρ 1，調(diào)速時(shí) 的可調(diào)范圍為0~1，-1 +1.由此，調(diào)節(jié)占空比，可獲得可調(diào)的直流輸出，以控制直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速。

　　（1）當(dāng)>0.5時(shí)， 為正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；

　　（2）當(dāng)0.5時(shí)， 為負(fù)，電動機(jī)反轉(zhuǎn)；。

　?。?）當(dāng)=0.5時(shí)， =0，電動機(jī)停止。

　　由于電動機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個(gè)交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電機(jī)的損耗，這是雙極式控制的缺點(diǎn)。但它也有好處，在電動機(jī)停止時(shí)仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時(shí)的靜磨擦死區(qū)，起著所謂“動力潤滑”的作用。