可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)

引言自從全控型電力電子器件問(wèn)世以后就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）的高頻開(kāi)關(guān)控制方式形成的脈寬調(diào)制變換器-直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，即直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。直流電動(dòng)機(jī)的PWM調(diào)速原理，為了獲得可調(diào)的直流電壓，利用電力電子器件的完全可控性，采用脈寬調(diào)制技術(shù)，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成可變大小和極性的直流電壓作為電動(dòng)機(jī)的電樞端電壓，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平滑調(diào)速，這種調(diào)速系統(tǒng)就稱(chēng)為直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。脈寬調(diào)制的基本原理，脈寬調(diào)制（PulseWidthModulation），是利用電力電子開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，將直流電壓變成連續(xù)的直流脈沖序列，并通過(guò)控制脈沖的寬度或周期達(dá)到變壓的目的。所采用的電力電子器件都為全控型器件，如電力晶體管（GTR）、功率MOSFET、IGBT等。通常PWM變換器是用定頻調(diào)寬來(lái)達(dá)到調(diào)壓的目的PWM變換器調(diào)壓與晶閘管相控調(diào)壓相比有許多優(yōu)點(diǎn)，如需要的濾波裝置很小甚至只利用電樞電感已經(jīng)足夠，不需要外加濾波裝置；電動(dòng)機(jī)的損耗和發(fā)熱較小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、開(kāi)關(guān)頻率高、控制線路簡(jiǎn)單等。PWM的占空比決定輸出到直流電機(jī)的平均電壓.PWM不是調(diào)節(jié)電流的.PWM的意思是脈寬調(diào)節(jié)，也就是調(diào)節(jié)方波高電平和低電平的時(shí)間比，一個(gè)20%占空比波形，會(huì)有20%的高電平時(shí)間和80%的低電平時(shí)間，而一個(gè)60%占空比的波形則具有60%的高電平時(shí)間和40%的低電平時(shí)間，占空比越大，高電平時(shí)間越長(zhǎng)，則輸出的脈沖幅度越高，即電壓越高.如果占空比為0%,那么高電平時(shí)間為0,則沒(méi)有電壓輸出.如果占空比為100%，那么輸出全部電壓.所以通過(guò)調(diào)節(jié)占空比，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)輸出電壓的目的，而且輸出電壓可以無(wú)級(jí)連續(xù)調(diào)節(jié).PWM信號(hào)是一個(gè)矩形的方波，他的脈沖寬度可以任意改變，改變其脈沖寬度控制控制回路輸出電壓高低或者做功時(shí)間的長(zhǎng)短，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。1系統(tǒng)概述1.1系統(tǒng)構(gòu)成本系統(tǒng)主要有信號(hào)發(fā)生電路、PWM速度控制電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等幾部分組成。整個(gè)系統(tǒng)上采用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，如圖1.1在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出作為PWM的控制電壓。從閉環(huán)反饋結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，是內(nèi)環(huán)，按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，成為外環(huán)，按典型II型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)，調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了校正。檢測(cè)部分中，采用了霍爾片式電流檢測(cè)裝置對(duì)電流環(huán)進(jìn)行檢測(cè)，轉(zhuǎn)速還則是采用了測(cè)速電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，達(dá)到了比較理想的檢測(cè)效果。主電路部分采用了以GTR為可控開(kāi)關(guān)元件、H橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)。PWM方式是在大功率開(kāi)關(guān)晶體管的基極上，加上脈沖寬度可調(diào)的方波電壓，控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間t，改變占空比，達(dá)到控制目的。圖1.1是直流PWM系統(tǒng)原理框圖。這是一個(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng)，有電流環(huán)和速度環(huán)。核心部分是脈沖功率放大器和脈寬調(diào)制器?？刂撇糠植捎肧G1525集成控制器產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的PWM脈沖波形，通過(guò)調(diào)節(jié)這兩路波形的寬度來(lái)控制H電路中的GTR通斷時(shí)間，便能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制。aE調(diào)節(jié)器Hi驅(qū)動(dòng)電路PWM調(diào)節(jié)器aE調(diào)節(jié)器Hi驅(qū)動(dòng)電路PWM調(diào)節(jié)器圖1.1電動(dòng)機(jī)PWM系統(tǒng)原理圖電路的原理圖如圖1.2所示。圖中，V為大功率晶體管，C1、R1、VD1為過(guò)電壓吸收電路。由SG1525集成PWM控制器產(chǎn)生的PWM信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后，驅(qū)動(dòng)晶體管。輸出的PWM電壓平均值按下式變化，其中的值由SG1525定頻調(diào)寬法，即T1+T2=T保持一定，使T1在0?T范圍內(nèi)變化來(lái)調(diào)節(jié)。T1 T1 ,Ua= Ud=Ud=UdT1+T2 T

系統(tǒng)的直流主回路電源VD,經(jīng)三相橋式不可控整流濾波電路供電。當(dāng)被控直流電機(jī)的額定功率較小時(shí)，VD也可由單相橋式不可控整流濾波電路供電。系統(tǒng)由主開(kāi)關(guān)器件V的PWM斬波渡控制，在電感L左端形成主控回路的PWM脈寬可調(diào)控電壓Ua，Ua再經(jīng)LC濾波得到直流電機(jī)兩端的平直直流電壓Va。圖1.2原理圖1.2PWM變換器介紹脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡(jiǎn)稱(chēng)PWM變換器。PWM變換器有不可逆和可逆兩類(lèi)，可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等多種電路。下面分別對(duì)各種形式的PWM變換器做一下簡(jiǎn)單的介紹和分析。不可逆PWM變換器分為無(wú)制動(dòng)作用和有制動(dòng)作用兩種。圖1.3所示為無(wú)制動(dòng)作用的簡(jiǎn)單不可逆PWM變換器主電路原理圖，其開(kāi)關(guān)器件采用全控型的電力電子器件。電源電壓。Us一般由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控整流電路提供。電容C的作用是濾波，二極管VD在電力晶體管VT關(guān)斷時(shí)為電動(dòng)機(jī)電樞回路提供釋放電儲(chǔ)能的回路。圖1.3不可逆PWM變換器電路原理圖電力晶體管VT的基極由頻率為f,其脈沖寬度可調(diào)的脈沖電壓Ub驅(qū)動(dòng)。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T內(nèi)，當(dāng)0WtWtl時(shí)，Ub為正，VT飽和導(dǎo)通，電源電壓通過(guò)VT加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端；當(dāng)tlWtWT時(shí)，Ub為負(fù)，VT截止，電樞失去電源，經(jīng)二極管VD續(xù)流。電動(dòng)機(jī)電樞兩端的平均電壓為Ud=tl/TUs二pUs。式中，p=Ud/Us=t1/T——PWM電壓的占空比，又稱(chēng)負(fù)載電壓系數(shù)。p的變化范圍在0?1之間，改變，p即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。由于VT在一個(gè)周期內(nèi)具有開(kāi)關(guān)兩種狀態(tài)，電路電壓平衡方程式也分為兩階段，即在0WtWtl期間Us=Rid+Ldi/dt+E在tlWtWT期間0=Rid+Ldi/dt+E式中，R，L——電動(dòng)機(jī)電樞回路的總電阻和總電感；E——電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)。PWM調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率都較高，至少是l?4kHz，因此電流的脈動(dòng)幅值不會(huì)很大，再影響到轉(zhuǎn)速n和反電動(dòng)勢(shì)E的波動(dòng)就更小，在分析時(shí)可以忽略不計(jì)，視n和E為恒值。這種簡(jiǎn)單不可逆PWM電路中電動(dòng)機(jī)的電樞電流i不能反向，因此系統(tǒng)沒(méi)有制動(dòng)作用，只能做單向限運(yùn)行，這種電路又稱(chēng)為“受限式”不可逆PWM電路。這種PWM調(diào)速系統(tǒng)，空載或輕載下可能出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能均差。VTl和VT2的基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓大小相等，極性相反，即Ub=-Ub2。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)平均電流就為正值，電流i分為兩段變化。在0WtWtl期間，Ubl為正，VTl飽和導(dǎo)通；Ub2為負(fù)，VT2截止。此時(shí)，電源電壓Us加到電動(dòng)機(jī)電樞兩端，電流i沿圖中的回路l流通。在tlWtWT期間，Ubl和Ub2改變極性，VTl截止，原方向的電流i沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加反壓，使VT2不可能導(dǎo)通。因此，電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，一般情況下實(shí)際上是電力晶體管VT1和續(xù)流二極管VD2交替導(dǎo)通，而VT2則始終不導(dǎo)通，其電壓、電流波型如圖1.4與圖1.1有VT2的情況完全一樣。如果電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)運(yùn)行中要降低轉(zhuǎn)速，可將控制電壓減小，使Ub1的正脈沖變窄，負(fù)脈沖變寬，從而使電動(dòng)機(jī)電樞兩端的平均電壓Ud降低。但是由于慣性，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和反電動(dòng)勢(shì)E來(lái)不及立刻變化，因而出現(xiàn)Ud<E的情況。這時(shí)電力晶體管VT2能在電動(dòng)機(jī)制動(dòng)中起作用。在t1WtWT期間，VT2在正的Ub2和反電動(dòng)勢(shì)E的作用下飽和導(dǎo)通，由E-Ud產(chǎn)生的反向電流-i沿回路3通過(guò)VT2流通，產(chǎn)生能耗制動(dòng)，一部分能量消耗在回路電阻上，一部分轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能存儲(chǔ)在回路電感中，直到t=T為止。在TWtWt1（也就是0WtWt1）期間，因Ub2變負(fù)，VT2截止，-i只能沿回路4經(jīng)二極管VD1續(xù)流，對(duì)電源回饋制動(dòng)，同時(shí)在VD1上產(chǎn)生的壓降使VT1承受反壓而不能導(dǎo)通。在整個(gè)制動(dòng)狀態(tài)中，VT2和VD1輪流導(dǎo)通，VT1始終截止，此時(shí)電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，電壓和電流波型圖1.4反向電流的制動(dòng)作用使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，直到新的穩(wěn)態(tài)。圖1.4有制動(dòng)作用的不可逆PWM變換電路這種電路構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)還存在一種特殊情況，即在電動(dòng)機(jī)的輕載電動(dòng)狀態(tài)中，負(fù)載電流很小，在VT1關(guān)斷后（即t1WtWT期間）沿回路2徑VD2的續(xù)流電流i很快衰減到零。這時(shí)VD2兩端的壓降也降為零，而此時(shí)由于Ub2為正，使VT2得以導(dǎo)通，反電動(dòng)勢(shì)E經(jīng)VT2沿回路3流過(guò)反向電流-i，產(chǎn)生局部時(shí)間的能耗制動(dòng)作用。到了0WtWt1期間，VT2關(guān)斷，-i又沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，到t=t4時(shí)-i衰減到零，VT1在Ub1作用下因不存在而反壓而導(dǎo)通，電樞電流再次改變方向?yàn)閕沿回路1經(jīng)VT1流通。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，VT1、VD1、VT2、VD1四個(gè)電力電子開(kāi)關(guān)器件輪流導(dǎo)通。綜上所述，具有制動(dòng)作用的不可逆PWM變換器構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)電樞回路中的電流始終是連續(xù)的；而且，由于電流可以反向，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)二象限運(yùn)行，有較好的靜、動(dòng)態(tài)性能。由具有制動(dòng)作用的不可逆PWM變換器構(gòu)成的直流調(diào)速系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)有兩種運(yùn)行狀態(tài)，在電動(dòng)狀態(tài)下，依靠電力晶體管VT1的開(kāi)和關(guān)兩種狀態(tài)，在發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)下則依靠VT2的開(kāi)和關(guān)兩種狀態(tài)。兩種工作狀態(tài)下電路電壓平衡方程式都分為兩個(gè)階段，情況同簡(jiǎn)單的不可逆的PWM變換器電路相同，即在0WtWt1期間為式Us=Rid+ldi/dt+E，在tlWtWT期間為式0=Rid+Ldi/dt+E，只不過(guò)兩種狀態(tài)下電流的方向相反，即在制動(dòng)狀態(tài)時(shí)為-id?？赡鍼WM變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式有T型和H型兩種，其基本電路如圖1.5所示，圖中（a）為T(mén)型PWM變換器電路，（b）為H型PWM變換器電路。（a）T型 （b）H型圖1.5PWM變換器電路T型電路由兩個(gè)可控電力電子器件和與兩個(gè)續(xù)流二極管組成，所用元件少，線路簡(jiǎn)單，構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)便于引出反饋，適用于作為電壓低于50V的電動(dòng)機(jī)的可控電壓源；但是T型電路需要正負(fù)對(duì)稱(chēng)的雙極性直流電源，電路中的電力電子器件要求承受兩倍的電源電壓，在相同的直流電源電壓下，其輸出電壓的幅值為H型電路的一半。H型電路是實(shí)際上廣泛應(yīng)用的可逆PWM變換器電路，它由四個(gè)可控電力電子器件（以下以電力晶體管為例）和四個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路，這種電路只需要單極性電源，所需電力電子器件的耐壓相對(duì)較低，但是構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)電樞兩端浮地。H型變換器電路在控制方式上分為雙極式、單極式和受限單極式三種。（1）雙極式可逆PWM變換器：四個(gè)電力晶體管分為兩組，VT1和VT4為一組，VT2和VT3為一組。同一組中兩個(gè)電力晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電壓波形相同，即Ub1=Ub4,VT1和VT4同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷；Ub2=Ub3,VT2和VT3同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷。而且Ub1，Ub4和Ub2,Ub3相位相反，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)VT1，VT4和VT2,VT3兩組晶體管交替地導(dǎo)通和關(guān)斷，變換器輸出電壓Uab在一個(gè)周期內(nèi)有正負(fù)極性變化，這是雙極式PWM變換器的特征，也是“雙極性”名稱(chēng)的由來(lái)。由于電壓Uab極性的變化，使得電樞回路電流的變化存在兩種情況，其電壓、電流波形如圖1.6。（a）電動(dòng)機(jī)負(fù)載較重時(shí) （b）電動(dòng)機(jī)負(fù)載較輕時(shí)圖1.6PWM變換器電壓和電流波形如果電動(dòng)機(jī)的負(fù)載較重，平均負(fù)載電流較大，在0<t<t1時(shí)，Ub1和Ub4為正，VT1和VT4飽和導(dǎo)通；而Ub2和Ub3為負(fù)，VT2和VT3截止。這時(shí)，Us加在電樞ab兩端，Uab=Us，電樞電流沿i回路1流通（見(jiàn)圖1.6），電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)。在tlWtWT時(shí)，Ubl和Ub4為負(fù)，VT1和VT4截止；Ub2和Ub3為正，在電樞電感釋放儲(chǔ)能的作用下，電樞電流經(jīng)二極管VD2和VD3續(xù)流，在VD2和VD3上的正向壓降使VT2和VT3的c-e極承受反壓而不能導(dǎo)通，Uab=-Us，電樞電流i沿回路2流通，電動(dòng)機(jī)仍處于電動(dòng)狀態(tài)。有關(guān)參量波形圖示（見(jiàn)圖1.6）。如果電動(dòng)機(jī)負(fù)載較輕，平均電流小，在續(xù)流階段電流很快衰減到零，即當(dāng)t=t2時(shí)，i=0。于是在t2WtWT時(shí)，VT2和VT3的c-e極兩端失去反壓，并在負(fù)的電源電壓（-Us）和電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)E的共同作用下導(dǎo)通，電樞電流i反向，沿回路3流通，電動(dòng)機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)。在TWtWt1（0WtWt1）時(shí)，Ub2和Ub3變負(fù)，VT2和VT3截止，因電樞電感的作用，電流經(jīng)VD1和VD4續(xù)流，使VT1和VT4的c-e極承受反壓，雖然Ub1和Ub2為正，VT1和VT4也不能導(dǎo)通，電流沿回路4流通，電動(dòng)機(jī)工作在制動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)t0WtWt1時(shí)，VT1和VT4才導(dǎo)通，電流又沿回路1流通。這樣看來(lái)，雙極式可逆PWM變換器與具有制動(dòng)作用的不可逆PWM變換器的電流波形差不多，主要區(qū)別在于電壓波形；前者，無(wú)論負(fù)載是輕還是重，加在電動(dòng)機(jī)電樞兩端的電壓都在+Us和-Us之間變換；后者的電壓只在+Us和0之間變換。這里并未反映出“可逆”的作用。實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)制可逆運(yùn)行，由正、負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓的脈沖寬窄而定。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，t1>T/2，電樞兩端的平均電壓為正，在電動(dòng)運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，t1>T/2，平均電壓為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。如果正、負(fù)脈沖寬度相等，t1=T/2,平均電壓為零，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。因?yàn)殡p極式可逆PWM變換器電動(dòng)機(jī)電樞兩端的平均電壓為Ud=1/T[t1Us-(T-t1)Us]=(2t1/T-1)Us。若仍以p=Ud/Us來(lái)定義PWM電壓的占空比，則雙極式PWM變換器的電壓占空比為p=Ud/Us=2t1/T-1。改變p即可調(diào)速，p的變化范圍為-1WpW1°p為正值，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；p為負(fù)值，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；p=0，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。在p=0時(shí)，電動(dòng)機(jī)雖然不動(dòng)，但電樞兩端的瞬時(shí)電壓和流過(guò)電樞的瞬時(shí)電流都不為零，而是交變的。這個(gè)交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增加了電動(dòng)機(jī)的損耗，當(dāng)然是不利的。但是這個(gè)交變電流使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生高頻微振，可以消除電動(dòng)機(jī)正、反向切換時(shí)的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動(dòng)力潤(rùn)滑”的作用，有利于快速切換。PWM驅(qū)動(dòng)裝置是利用大功率晶體管的開(kāi)關(guān)特性來(lái)調(diào)制固定電壓的直流電源，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”與“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短，通過(guò)改變直流伺服電動(dòng)機(jī)電樞上電壓的'占比空”來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，這種裝置又稱(chēng)為“開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。PWM控制的示意圖如圖1.7所示，可控開(kāi)關(guān)S以一定的時(shí)間間隔重復(fù)地接通和斷開(kāi)，當(dāng)S接通時(shí)，供電電源US通過(guò)開(kāi)關(guān)S施加到電動(dòng)機(jī)兩端，電源向電機(jī)提供能量，電動(dòng)機(jī)儲(chǔ)能；當(dāng)開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)，中斷了供電電源US向電動(dòng)機(jī)電流繼續(xù)流通。圖1.7PWM控制示意圖電壓平均值Uas可用下式表示:Uas=ton?Us/T=aUs （1-1）式中，ton為開(kāi)關(guān)每次接通的時(shí)間，丁為開(kāi)關(guān)通斷的工作周期，（即開(kāi)關(guān)接通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff之和），a為占空比，a=ton/T。由式（1-1）可見(jiàn)，改變開(kāi)關(guān)接通時(shí)間ton和開(kāi)關(guān)周期T的比例也即改變脈沖的占空比，電動(dòng)機(jī)兩端電壓的平均值也隨之改變，因而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速得到了控制。1.3回路在系統(tǒng)主電路部分，采用的是以大功率GTR為開(kāi)關(guān)元件、H橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)。如圖1.8所示。圖中，四只GTR分為兩組，VT1和VT4為一組，VT2和VT3為另一組。同一組中的兩只GTR同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)關(guān)斷，且兩組晶體管之間可以是交替的導(dǎo)通和關(guān)斷。欲使電動(dòng)機(jī)M向正方向轉(zhuǎn)動(dòng)，則要求控制電壓Uk為正。欲使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，則使控制電壓Uk為負(fù)即可。GTR是一種雙極性大功率高反壓晶體管，它大多用作功率開(kāi)關(guān)使用，而且GTR是一種具有自關(guān)斷能力的全控型電力半導(dǎo)體器件，這一特性可以使各類(lèi)變流電路的控制更加方便和靈活，線路結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。圖1.8雙極性H型PWM控制電路

IlhE0 1 1 1 ;圖1.9極式PWM變換電路的電壓、電流波形設(shè)矩形波的周期為T(mén),正向脈沖寬度為t1，并設(shè)入二t1/T為占空比。則電樞電壓U的平均值Uav=(2入-1)Us=(2t1/T-1)Us,并定義雙極性雙極式脈寬放大器的負(fù)載電壓系數(shù)為p=Uav/Us=2t1/T-1即 Uav二pUs可見(jiàn)，p可在-1到+1之間變化。2單元電路設(shè)計(jì)2.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)電路2.1.1電路原理在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，電流調(diào)節(jié)器的輸出控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。電流調(diào)節(jié)器在里面稱(chēng)作內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外面稱(chēng)作外環(huán)，這樣就形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。檢測(cè)部分中，采用了霍爾片式電流檢測(cè)裝置對(duì)電流環(huán)進(jìn)行檢測(cè)，轉(zhuǎn)速則是采用了測(cè)速電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)節(jié)器。PI調(diào)節(jié)器的輸出由兩部分組成，第一部分是比例部分，第二部分是積分部分。把比例運(yùn)算電路和積分電路組合起來(lái)就構(gòu)成了比例積分調(diào)節(jié)器，如圖2.1所示?？芍猆0=-I1R1-1/R0C1JUidtI1=I0=Ui/R0U0=-R1Ui/R0-R0C1/UUidt直到穩(wěn)態(tài)。當(dāng)突加輸入信號(hào)Ui時(shí)，開(kāi)始瞬間電容C1相當(dāng)于短路，反饋回路中只有電阻R1，此時(shí)相當(dāng)于比例調(diào)節(jié)器，它可以毫無(wú)延遲地起調(diào)節(jié)作用，故調(diào)節(jié)速度快；而后隨著電容C1被充電而開(kāi)始積分，U0線性增長(zhǎng)，直到穩(wěn)態(tài)。+Ro0— 1UiirR2 I圖2.1調(diào)節(jié)器電路轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速跟隨其給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用，其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。電流調(diào)節(jié)器使電流緊緊跟隨其給定電壓變化，對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用，在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中能夠獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程，當(dāng)電機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。

圖2.2電流調(diào)節(jié)電路圖圖2.2電流調(diào)節(jié)電路圖ASR-轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR-電流調(diào)節(jié)器GT-觸發(fā)裝置M-直流電動(dòng)機(jī)TG-測(cè)速發(fā)電機(jī) TA-電流互感器UPE---電力電子變換器Un*---轉(zhuǎn)速給定電壓Un轉(zhuǎn)速反饋電壓Ui* 電流給定電壓Ui 電流反饋電壓圖中，來(lái)自速度給定電位器給定的信號(hào)Un*與速度反饋信號(hào)Un比較后，偏差為^Un=Un*-Un，送到速度調(diào)節(jié)器ASR的輸入端。速度調(diào)節(jié)器的輸出Ui*作為電流調(diào)節(jié)器ACR的給定信號(hào)，與電流反饋信號(hào)Ui比較后，偏差為^Un=Ui*-Ui，送到電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入端，電流調(diào)節(jié)器的輸出Uct送到觸發(fā)器，以控制可控整流器，整流器為電動(dòng)機(jī)提供直流電壓Ud.。2.2PWM驅(qū)動(dòng)裝置控制電路PWMkHz圖2.3為PWM驅(qū)動(dòng)裝置控制電路框圖。該控制電路包括恒頻波形發(fā)生器、脈寬調(diào)制器、脈沖分配電路等脈寬調(diào)速系統(tǒng)所特有的電路。恒頻波形發(fā)生器脈寬調(diào)制電路■脈沖分配電路—A恒頻波形發(fā)生器脈寬調(diào)制電路■脈沖分配電路—A「功率轉(zhuǎn)投電路二，，，圖2.3驅(qū)動(dòng)裝置控制電路框圖2.2.1脈寬調(diào)制器它的作用是實(shí)現(xiàn)電壓、脈寬的轉(zhuǎn)換(V/M),即形成PWM信號(hào)。SG1525集成控制器由R2和Rp1分壓給出EA(+)(2引腳)的系統(tǒng)設(shè)定值電壓。這就要求提供此電壓的基準(zhǔn)電源VREF有較高精度。VREF受15引腳VCC1電源電壓的影響。VCC1是標(biāo)準(zhǔn)三端集成穩(wěn)壓器的輸入電壓。VREF是穩(wěn)壓器的輸出電壓Vcc。低于7V或嚴(yán)重欠電壓時(shí)，VREF的精度值(5.1V±1%)就得不到保證；為防止EA(+)設(shè)定值電壓波動(dòng)導(dǎo)致系統(tǒng)失控，在器件內(nèi)部設(shè)置有欠壓鎖定功能。出現(xiàn)欠電壓時(shí)，欠電壓鎖定功能使圖10中A端線由低電壓上升為邏輯高電壓。P1和P2的邏輯高電壓使晶體管T和T的集電極對(duì)地導(dǎo)通?？刂破?1和14引腳的輸出電壓脈沖消失(V01=V02=0),功率驅(qū)動(dòng)電路輸出至主開(kāi)關(guān)管V的控制驅(qū)動(dòng)脈沖消失，主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷使直流電機(jī)停轉(zhuǎn)。欠電壓使A端線高電壓傳遞到T3晶體管基極，T3導(dǎo)通為8引腳外接電容C3，提供放電的路徑。C3經(jīng)T3發(fā)射極電阻放電為零電壓后，限制了比較器C的PWM脈沖電壓輸出，該脈沖電壓上升為恒定的邏輯高電壓。PWM高電壓經(jīng)PWM鎖存器輸出到D端線仍為恒定的邏輯高壓，C3電容重新充電之前，D端線的高電壓不會(huì)發(fā)生變化。D與A同為高電壓。雙重封鎖V01和V02為零出。欠電壓消失后，欠電壓鎖定功能使A恢復(fù)低電壓正常值，A的低電壓使管恢復(fù)截止。C3電容由50M電流源緩慢充電。C3充電對(duì)PWM和D端線脈沖寬度產(chǎn)生影響。同時(shí)對(duì)V01和V02產(chǎn)生影響，其結(jié)果是使V01和V02脈沖由窄緩慢變寬。只有C3充電結(jié)束后V01和V02脈沖寬度才不再受C3充電的影響。由于V01和V02脈沖寬度受C3充電影響緩慢加寬，欠電壓消失后的功率驅(qū)動(dòng)脈沖也是由窄變寬的，主開(kāi)關(guān)管斬波輸出的直流電壓Va呈現(xiàn)出由小變大的趨勢(shì)，而不是躍變?yōu)槟骋还潭ㄖ惦妷?。這種軟啟動(dòng)方式，使系統(tǒng)主回路電機(jī)及開(kāi)關(guān)器件避免承受過(guò)大的沖擊渲涌電流。C3一般選用幾微法的電解電容器。2.2.2系統(tǒng)的故障關(guān)閉功能。為便于從直流電機(jī)主回路接受檢測(cè)到的故障信號(hào)，例如，電機(jī)過(guò)電流，過(guò)電壓，VD直流失壓等故障信號(hào)，集成控制器內(nèi)部T3晶體管基極經(jīng)-50k13電阻連接1引腳。外部故障信號(hào)使Va穩(wěn)壓管導(dǎo)通時(shí)，穩(wěn)壓管導(dǎo)通電流在R6兩端產(chǎn)生邏輯高電壓，此邏輯高電壓使T3管基極上升為邏輯高電壓。由于T3基極與A端線相連，故障信號(hào)產(chǎn)生的關(guān)閉過(guò)程與欠電壓鎖定過(guò)程類(lèi)似。即使P1=P2=0,T1和T2晶體管截止；T1和T2導(dǎo)通。V01=V02=0；關(guān)閉驅(qū)動(dòng)脈沖使主開(kāi)關(guān)管V關(guān)斷，Va=0，電機(jī)停轉(zhuǎn)。另外，故障信號(hào)使，導(dǎo)通提供8引腳㈩腳C3電容的放電路徑，C3放電到零電壓為軟啟動(dòng)作好準(zhǔn)備。故障消除后T3截止,C3由電流源緩慢充電，V01和V02脈沖由窄變寬，由低值逐漸升高到某固定值，電機(jī)在不承受過(guò)大啟動(dòng)電流的狀態(tài)下.平穩(wěn)上升到某固定轉(zhuǎn)速。2.2.3系統(tǒng)波形與控制方式分析系統(tǒng)控制器輸出的控制脈沖電壓V01和V02(11和14腳)的上跳時(shí)間，由一個(gè)鋸齒波電壓V+的谷點(diǎn)時(shí)刻確定。即V01和V02總是在鋸齒渡電壓V+取最小值時(shí)，由邏輯低電平上跳為邏輯高電平。為保證V01和V02不同時(shí)出現(xiàn)邏輯高電壓（每間隔一個(gè)鋸齒波出現(xiàn)一次），Vo1和Vo2的頻率設(shè)置為鋸齒波電壓頻率的二分之一。FF觸發(fā)器在CP脈沖控帝葺下輸出Q和Q非兩個(gè)二分頻計(jì)數(shù)脈沖分別至不同或一或非門(mén)口B輸入端，即可達(dá)到上述頻率設(shè)置的目地。CP脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻與鋸齒波峰點(diǎn)對(duì)齊，CP后沿下跳時(shí)刻與谷點(diǎn)對(duì)齊，這樣可保證CP與鋸齒渡的同步同頻率變化。CP與鋸齒波V+的同步同頻率設(shè)置功能，由OSC振蕩器完成。CP實(shí)際是由雙門(mén)限比較器將鋸齒波電壓整形后的。Vo1和Vo2脈沖的后沿下跳時(shí)刻由鋸齒渡V+的上升沿區(qū)間和V-電壓的交點(diǎn)確定，當(dāng)V+上升到V+NV-的臨界對(duì)應(yīng)時(shí)刻時(shí)，Vol或Vo2脈沖由邏輯高電平跳變?yōu)檫壿嫷碗娖?。誤差放大器EA的輸出電壓V-，可由2引腳設(shè)定電位器Rpl調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)Rpl使V-等于V+的谷點(diǎn)電壓時(shí)，Vol和Vo2的脈寬縮減為零，Vo1=Vo2=0；調(diào)節(jié)RP1使V-等于V+的蜂點(diǎn)電壓時(shí)，Vo1和Vo2的脈寬達(dá)到最大值。由于V-電壓由V+的谷點(diǎn)到峰點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)時(shí)，和V+交點(diǎn)在鋸齒波上升沿移動(dòng)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為t1，Vo1和Vo2的最大脈沖寬度也為t1。V+與V-的交點(diǎn)比較功能由C比較器完成，當(dāng)V+NV-時(shí)，C比較器輸出的PWM渡形由邏輯低電平變?yōu)楦唠娖?；V+WV-時(shí)（V+下降沿交點(diǎn)），C比較器輸出PWM波由邏輯高電平變?yōu)榈碗娖?，為保證PWM波寬不致于太窄，用PWM鎖存器鎖存高電平值，并在CP脈沖下跳時(shí)對(duì)鎖存器清零。以進(jìn)行下一個(gè)比較點(diǎn)的鎖存。經(jīng)PWM鎖存器輸出到“或”一“或非”門(mén)C輸入端的脈沖最小寬度與CP同寬。調(diào)節(jié)電位器RP1使誤差放大器輸出一固定的V-電壓.在V+的谷點(diǎn)和V-與V+交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的區(qū)間內(nèi)有固定的Vo1+Vo2脈沖（11和14腳并接獲Vo1+Vo2）輸出到功率驅(qū)動(dòng)電路，主開(kāi)關(guān)管V以某固定脈寬斬波輸出Ua，濾波輸由RP1調(diào)節(jié)確定的直流電壓Va值到直流電機(jī)，電機(jī)保持其穩(wěn)定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。當(dāng)電機(jī)因某種擾動(dòng)固察使轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，例如，負(fù)載變化使轉(zhuǎn)速下降，則由系統(tǒng)檢測(cè)反饋的Vf電壓值跟隨下降，Vf經(jīng)R3及串聯(lián)二極管（此二極管可防止調(diào)試系統(tǒng)時(shí)正負(fù)極接反形成正反饋）使誤差放大器EA（-）反相輸入端電位下降，誤差電壓^E=EA（+）-EA（-）增大（方向由EA（+）指向EA（-）），誤差放大器對(duì)△E的比例積分運(yùn)算（EA誤差放大器的輸出9引腳和反相輸入引腳間接有R4、C2構(gòu)成的比例積分反饋網(wǎng)絡(luò)）輸出電壓V-值上升，V-的上升使V+NV-的交點(diǎn)時(shí)刻（鋸齒披上升沿交點(diǎn)）后移。Vo1+Vo2和U。脈沖寬度均變寬，Ua的濾波平均值電壓Va按比例積分規(guī)律增大，Va增大使電機(jī)轉(zhuǎn)速回升，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速回升到Rp1設(shè)定值EA（+）所對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，△￡調(diào)節(jié)為零，V-停止比例積分變化，系統(tǒng)進(jìn)入新和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。2.2.4脈沖分配電路在可逆PWM變換器中，上、下兩個(gè)晶體管經(jīng)常交替工作，由于晶體管存在關(guān)斷時(shí)間，因此有可能能造成在一個(gè)晶體管未完全關(guān)斷時(shí)，另一個(gè)晶體管已導(dǎo)通，從而使電源短路。為了避免這種情況發(fā)生，根據(jù)功率轉(zhuǎn)換電路的工作要求，設(shè)置了大功率晶體管的導(dǎo)通次序，功率晶體管能按照指定的順序?qū)?。在圖2.4體管V1、V4是同時(shí)關(guān)斷的，V2、V3也是同時(shí)導(dǎo)通同時(shí)關(guān)斷的，但V1與V2、V3與V4都不允許同時(shí)導(dǎo)通，否則電源Ud直通短路。設(shè)V1、V4先同時(shí)導(dǎo)通T1秒后同時(shí)關(guān)斷，間隔一定時(shí)間之后，再使V2、V3同時(shí)導(dǎo)通T2秒后同時(shí)關(guān)斷。圖2.4脈沖調(diào)制電路電動(dòng)機(jī)電樞端電壓的平均值為Ua=(T1-T2)/(T1+T2)Ud=(2T1/T-1)Ud=(2a-1)Ud由于0WaW1,Ua值的范圍是-Ud?Ud，因而電動(dòng)機(jī)可以在正反兩個(gè)方向調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)。2.2.5基極驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)采用的功率驅(qū)動(dòng)電路取決于主開(kāi)關(guān)管V的器件類(lèi)別。用不同類(lèi)別的主開(kāi)關(guān)其功率驅(qū)動(dòng)電路也不同。本系統(tǒng)采用BJT功率晶體管的驅(qū)動(dòng)電路，其工作原理如下。Vo1+Vo2為邏輯低電平時(shí)，T4晶體管止.集電極輸出高電平至丁3基極，穩(wěn)壓管W與T3均導(dǎo)通，使集電極為低電平。一般可設(shè)計(jì)T3集電極低電平為負(fù)值，例如，設(shè)計(jì)Vca=Vw+VCESa-VCC=—2.6V，受VC3負(fù)位制約；BJT基極電位(A點(diǎn))為VC3+VEB2=-2V(此時(shí)T1管VBE1-VEB2=O.6V反偏電壓截止)°BJT發(fā)射極連于電容C的聯(lián)交點(diǎn)B，可獲得直流懸浮零電位VB(VCC—Vc)=0。該直流懸浮零電位使BJT基極發(fā)射極間有2V的反向偏置電壓，以保證BJT的可靠關(guān)斷。因BJT發(fā)極與電感L相連，電容C還有效隔斷驅(qū)動(dòng)路和L強(qiáng)電電路的直流電聯(lián)系。Vo1+Vo2為高電平時(shí)，T4導(dǎo)通，T3和穩(wěn)壓管關(guān)斷，Vcc經(jīng)R3和T1管基極、發(fā)射極向BJT提供基極開(kāi)通電流，T2管承受VBE1=-VEB2反壓截止。R1限制BJT導(dǎo)通基流的大小。R2在BJT關(guān)斷瞬間，限制電容C經(jīng)BJT發(fā)射極、基極，T2發(fā)射極、集電極，負(fù)電源回路的反向恢復(fù)電流峰值。調(diào)試圖2.5R5，可改變Vo1+Vo2脈沖的幅值，以適應(yīng)輸入光電耦合電路的參數(shù)定額要求。圖2.5適應(yīng)性較強(qiáng)。也可用于IGBT絕緣柵雙極晶體管的功率驅(qū)動(dòng)電路。圖2.5基極驅(qū)動(dòng)電路2.3相關(guān)數(shù)據(jù)分析該系統(tǒng)調(diào)速精度與調(diào)速范圍要求不高。本系統(tǒng)采用三相CT,RT,RD的選取SG1525集成控制器可輸出0.1?400kHz的脈沖頻率，對(duì)應(yīng)CT=0.001?0.1微法，RT=2?150千歐取值。一般對(duì)于BJT和GTo器件可取f=1kHz以下，IGBT器件取f=10kHz左右。f與CT,RT,RD的關(guān)系用下式確定f=l/(t1+t2)=1/(0.67R1CTR1+1.3RDCT)例如f=lkHz,T=0.O01s,取定11=0.0009s,t2=0.0001s,可算得CT=0.OluF時(shí)的RT與RD分別為RT=t1/0.67Ct—0.0009/0.67X0.01X1/1000000=134千歐RD=t2/1.3CT=0.0001/1.3X0.01X0.0000001=7.7千歐t2一般應(yīng)取遠(yuǎn)小于t1的值,否則影響脈沖占空比(t1/(t1+t2))和斬波效率。此處的占空比最大值為0.0009/(0.0001+0.0009)=0.9。R2和RP1的選取VREF(16腳)輸出的最大電流為50mA,一般在40mA以下取值。若取定IREF=1?5mA變化，RP1設(shè)為零值時(shí)可算得R2為R2=VREF/IREF=5.1V/5mA=1千歐RP1設(shè)置為最大值時(shí)可算得RP1+R2=VREF/IREF=5.1V/lmA=5.1千歐RP1=4.1千歐其它引腳器件的確定R5電阻的選取要用調(diào)試方法確定，一般選取一個(gè)可調(diào)電位器Rw和一個(gè)固定的R串聯(lián)組成Rs=Rw+R的結(jié)構(gòu)。當(dāng)Rw調(diào)為零時(shí)，R的大小要足以限制功率驅(qū)動(dòng)電路的輸入電流不超過(guò)允許值。例如，功率驅(qū)動(dòng)電路要求Vol+Vo2=3V.驅(qū)動(dòng)輸入電流最大允許值為50mA,忽略圖2中Tt或T2導(dǎo)通壓降最小值(sat)，可算得R5電阻應(yīng)為R5=(Vcc1--Vo)/Io=(15—3)V/50mA=0.24千歐.可選取R5=300歐,略大于計(jì)算值的電阻。由于R5上有較大的電流，還要注意其瓦數(shù)的選擇此處可選PR5N(Vcc1--Vo)/Io=0.6W。2.4仿真圖校正前后的仿真圖由圖2.6圖2.7所示△m73X0.01 0,02 △m73X0.01 0,02 0.03 0.04 0.05 0.06,圖2.6校正刖的仿真圖2.5仿真結(jié)果分析：由圖2.6、圖2.7對(duì)比可以看出，當(dāng)電感的值發(fā)生變化時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的波形也將相應(yīng)的發(fā)