直流雙極型可逆PWM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
(作者未知) 2009/10/23
摘要:綜合運(yùn)用了PI控制器,PWM控制器等現(xiàn)代工業(yè)控制常用的控制部件及相關(guān)設(shè)計(jì)方法。主要介紹了直流電動(dòng)機(jī)PWM控制系統(tǒng)原理,設(shè)計(jì)了調(diào)速系統(tǒng),分析了直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性,最后建立了PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型。
關(guān)鍵詞:調(diào)速;直流電動(dòng)機(jī);PWM控制;PI控制器
1 直流電動(dòng)機(jī)PWM控制系統(tǒng)
1.1直流電動(dòng)機(jī)PWM控制系統(tǒng)原理。PWM控制技術(shù)一直是變頻技術(shù)的核心技術(shù)之一。它通過分辨率計(jì)數(shù)器的使用,方波的占空比被調(diào)制用來對一個(gè)具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。
直流電動(dòng)機(jī)PWM控制系統(tǒng)有可逆和不可逆系統(tǒng)之分?赡嫦到y(tǒng)是指電動(dòng)機(jī)可以正反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn);不可逆系統(tǒng)是指電動(dòng)機(jī)只能單方向旋轉(zhuǎn)。對于可逆系統(tǒng),又可分為單極性驅(qū)動(dòng)和雙極性驅(qū)動(dòng)兩種方式[1]。這里只研究雙極性驅(qū)動(dòng)。
1.2 H型雙極性可逆PWM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制原理。“H”型是雙極性驅(qū)動(dòng)電路的一種,也稱為橋式電路。如圖1所示。其電路是由四個(gè)開關(guān)管和四個(gè)續(xù)流二極管組成,單電源供電。四個(gè)開關(guān)管分為兩組,V1和V4為一組,V2和V3為另一組。同一組的開關(guān)管同步導(dǎo)通或關(guān)斷,不同組的開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷正好相反。
在每個(gè)PWM周期里,當(dāng)控制信號Vi1高電平時(shí),開關(guān)管V1和V4導(dǎo)通,此時(shí)Vi2為低電平,因此V2和V3截止。電樞繞組承受從A到B的正向電壓;當(dāng)控制信號Vi1為低電平時(shí),開關(guān)管V1和V4截止,此時(shí)Vi2為高電平,因此V2和V3導(dǎo)通,電樞繞組承受從B到A的反向電壓,這就是所謂的“雙極”。
由于在一個(gè)PWM周期里電樞電壓經(jīng)歷了正反兩次變化,因此其平均電壓U0可以用下式?jīng)Q定:
U0=(■-■)US=(2■-1)US=(2a-1)US(1)
可見,雙極性可逆PWM驅(qū)動(dòng)時(shí),電樞繞組所承受的平均電壓取決于占空比α大小。當(dāng)α=0時(shí),U0=-US,電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn),且轉(zhuǎn)速最大;當(dāng)α=1時(shí),U0=US,電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速最大;當(dāng) 時(shí),α=1/2時(shí)U0=0,電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn),但電樞繞組中仍然有交變電流流動(dòng),使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生高頻振蕩,這種振蕩有利于克服電動(dòng)機(jī)負(fù)載的靜摩擦,提高動(dòng)態(tài)性能。
2 調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
對于一個(gè)控制系統(tǒng)而言,最關(guān)鍵的是控制器的設(shè)計(jì),控制器設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系到控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣?刂破饕髮(shí)時(shí)性強(qiáng),通用性強(qiáng),具有較強(qiáng)的智能,在滿足性能指標(biāo)的前提下應(yīng)盡可能的簡單。
PI控制器相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn),同時(shí)也增加了一個(gè)位于S左半平面的開環(huán)零點(diǎn)。位于原點(diǎn)的極點(diǎn)可以提高系統(tǒng)的型別,以消除或提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。而增加的負(fù)實(shí)零點(diǎn)則用來提高系統(tǒng)的阻尼度,緩和PI控制器極點(diǎn)對系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生的不利影響。只要積分時(shí)間常數(shù)Ti足夠大,PI控制器對系統(tǒng)穩(wěn)定性的不利影響可大為減弱。在控制系統(tǒng)中,PI控制器主要用于改善控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能[2]。
閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)節(jié)器。采用PI調(diào)節(jié)器的自動(dòng)控制系統(tǒng)。
從傳遞函數(shù)看,自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)為:
■=WP1(S)=KP■=KP+■(2)
U1可分成比例部分U1P,和積分部分U1I,其中,比例部分與偏差成正比積分部分同偏差的積分有關(guān),把兩部分加起來,就是調(diào)節(jié)器的輸出信號U1。
當(dāng)偏差信號ε是階躍信號時(shí),比例部分會(huì)突然加大,而積分部分則按線性增長,經(jīng)過一定時(shí)間后,U1輸出達(dá)到限幅值。而實(shí)際系統(tǒng)中,偏差信號ε只是一開始突跳,隨著輸出信號USC的增長,偏差信號ε便逐漸降低,U1是否能夠升到限幅值,就要看U1的增長和ε的衰減哪一方更快。如果調(diào)節(jié)對象的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于調(diào)節(jié)器的時(shí)間常數(shù),則ε下降較慢,由于調(diào)節(jié)器的積分作用,盡管在下降,U1仍繼續(xù)增長,在ε衰減到零以前U1還來得及升到限幅值[3]。如果調(diào)節(jié)對象的時(shí)間常數(shù)較小,則ε衰減較快,當(dāng)積分量還來不及把U1抬高到限幅值以前,ε已經(jīng)衰減到零,U1也就不能再增長,這時(shí)積分器不會(huì)飽和。
在動(dòng)態(tài)過程中,PI調(diào)節(jié)器輸出電壓U1是否飽和對系統(tǒng)的輸出波形很有影響。若U1一旦飽和,只有ε變負(fù),即USC>Usr時(shí),才有可能使它退出飽和,因此 必然超凋。
3 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性
由于采用了脈寬調(diào)制,嚴(yán)格地說,即使在穩(wěn)態(tài)情況下,脈寬調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速也都是脈動(dòng)的[4]。所謂穩(wěn)態(tài),是指電動(dòng)機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài),機(jī)械特性是平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩(電流)的關(guān)系。
采用不同形式的PWM變換器,系統(tǒng)的機(jī)械特性也不一樣。對于雙極式控制的可逆電路,電流的方向是可逆的,無論是重載還是輕載,電流波形都是連續(xù)的,因而機(jī)械特性關(guān)系式比較簡單。
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