自控技术第七章

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1)U
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(7-1)
双极性脉宽调制电路
• 双极性脉宽调制电路中, 四个 VT 的基极驱动电压分 为两组: VT 1 和 VT 4 同时导 通和关断,其驱动电压 Ub1=Ub4;VT2和VT3同时导 通和关断,其驱动电压 Ub2=Ub3=-Ub1。 • 在一个周期内,0tt1 时, Ub1=Ub4为正,VT1和VT4饱 和导通;Ub2=Ub3为负, VT2和VT3截止。这时 UAB=Us,id从Us正极经VT1、 电枢、VT4到Us负极 图7-3 驱动电压、输出电压和电流波形


电压- 脉冲变换器的输入信号为可变的控制电压, 输出信号为宽度可变的脉冲,可采用锯齿波或三角 波与直流电压相叠加的方法得到。
脉宽调速器
• 锯齿波电压-脉 冲变换器由开环 的运算放大器构 成 。
• 加在反向输入端 的三个输入信号 分别是:锯齿波 信号Ua,控制电 压 U c , 负偏移电 压Ub 。
第一节 概 述
与普通晶闸管相控式整流装置供电的直流调速 系统相比,直流脉宽调速系统有以下优点: 1. 由于晶体管的开关频率高,仅靠电枢电感的 滤波作用,就可获得脉动很小的直流电流,电流连 续容易,同时电动机的损耗发热较小; 2. 系统频带宽,响应速度快,动态抗干扰能力 强; 3.低速性能好,稳速精度高,调速范围宽,可 达1:10000左右。 4. 直流电源采用三相不可控整流,对电网影响 小,功率因数较高; 5.主电路线路简单,所用功率元件少。
• 主电路采用 PWM脉宽调制电路供电,根据系统的要 求可选用不可逆或可逆脉宽调制电路。
脉宽调制器
• 脉宽调制器UPW是一个电压-脉冲变换装置,由电 流调节器 ACR输出的控制电压 Uc进行控制,为PWM装 置提供所需的脉冲信号,其脉冲宽度与Uc成正比。 常用的脉宽调制器有:用锯齿波作调制信号的脉 宽调制器、用三角波作调制信号的脉宽调制器、用 多谐振荡器和单稳态触发器组成的脉宽调制器和数 字控制的脉宽调制器等几种。
d c PW M s PW M PW M
式中
K PW M
——PWM装置的放大系数;
≤T
P W M ——PWM装置的延迟时间, P W M
系统数学模型
T 0 .1m s ,在一般的电力拖 • 当开关频率为10kHz时, 动自动控制系统中,时间常数这么小的滞后环节可 以近似看成是一个一阶惯性环节
• 目前应用的直流脉宽调速系统,其电力电子器件 应用最多的是IGBT或IPM模块(Intelligent Power Module),其控制系统的实现应用最多的 是采用微控制器组成的转速、电流双闭环数字控 制系统。 • 采用51系列单片机控制的可逆运行直流脉宽调速 系统如图7-8所示,该调速系统可实现电动机四象 限运行控制。图7-8的上半部分是系统主电路的原 理图,图的下半部分是采用8031单片机实现转速、 电流双闭环直流调速控制的结构图。
G PW MБайду номын сангаас( s )
K PW M
PW M s 1
(7-4)
• 简化传递函数形式与晶闸管装置传递函数完全一致。 • 式(7-4)是近似的传递函数,实际上PWM变换器不 是一个线性环节,而是具有继电特性的非线性环节。 • 继电控制系统在一定条件下会产生自激振荡。
第四节 直流脉宽调速系统实例
在逻辑延时环节中 还可以引人保护信号, 例如图7-4所示的瞬时 动作的限流保护FA。一 旦出现桥臂电流超过允 许最大电流值时,使VT1、 VT4(或VT2、VT3)同时封 锁,以保护大功率器件 免受损坏。
图7-7 考虑延时开通的驱动电压信号
系统数学模型
• 直流脉宽调速系统的控制规律和数学模型与晶闸 管-电动机调速系统基本一致,惟一的区别是PWM 控制和变换器。 • PWM控制与变换器(简称PWM装置)的数学模型和晶 闸管触发的整流装置基本一致。 • PWM装置也可以看成是一个滞后环节,其传递函数 可以写成 U s G K e s (7-3) U s
双极性脉宽调制电路工作原理
• t 1 t < T 时, U b1 = U b4 变负, VT 1 和 VT 4 截止;而 Ub2=Ub3变正,但VT2和VT3并不能立即导通。id经 VD 2 和 VD 3 续流, VD 2 和 VD 3 两端的压降正好使 VT 2 和VT3的c-e极承受反压。当id过零后,VT2和VT3 导通,id反向增加。t=T时,id达到反向最大值。 这期间UAB=-Us。 • 机械特性方程与式(8-3)一致,但占空比的取 值范围在+1与-1之间,机械特性曲线分布于四 个象限。
单极性脉宽调制电路
• VT1和VT2驱动脉冲 U b 1 =- U b 2 ,与双极性时 相同; • VT3和VT4驱动脉冲与双 极性时不同。电动机正 转,Vb3恒为负,Vb4恒为 正,使VT3截止,VT4饱 和导通。VT1和VT2工作 在交替开关状态,这样, 0tt1期间,UAB=Us; • t1t T期间,UAB=0。 • 一个周期内, U A B 大于 等于零,所以称为单极 性脉宽调制电路。
图7-8 桥式可逆直流脉宽调速系统原理图
图7-9 桥式可逆直流脉宽调速 系统计算机控制软件框图 a) 主程序流程图 b) 转速环中断服务程序流程 图 c) 电流环中断服务程序流程 图
第五节
直流脉宽调速系统仿真
• 本节以图7-4所示的双闭环直流脉宽调速系统 (PWM脉宽调制主电路采用图7-2所示的可逆脉宽 调制电路)为例,通过仿真分析系统的稳态和动 态性能。 • 直流电动机参数: • 额定电压240V,额定电流20A,额定转速1750 r/min,励磁电压300V。 • 系统稳态参数: • Usn=10V或-10V,α n=0.0057V.min/r,α i=0.1V/A。
• 参考本章第三节和双闭环调速系统工程设计方法 (详见附录C),可以初步确定调节器参数。通过 MATLAB/Simulink仿真调试后确定的调节器参数: • Kn=0.6,τ n=0.5;Ki=0.5,τ i=0.2。 • 在MATLAB/Simulink中依据上述参数建立的双闭环 直流脉宽调速系统仿真模型如图7-10所示。图中, 直流电动机直接选用Simulink库中的直流电动机 控件,PWM脉宽调制主电路直接选用Simulink库 SimPowersystems中的电力电子功率模块控件 (Universal Bridge)。仿真时间为6s,电动机 带载10N.m启动。在2.5s电动机反向旋转。
图7-2 H形变换器
双极性脉宽调制电路
双极式控制可逆PWM变换器的4个驱动电压波形
U U -U - U 。在 如图7-3所示,它们的关系是: 一个开关周期内,当0≤t<ton时,UAB=Us,电枢电 流id沿回路1流通;当ton≤t<T时,驱动电压反相, id沿回路2经二极管续流,UAB=﹣Us。因此,UAB在 一个周期内具有正负相间的脉冲波形,这就是双 极式名称的由来。 双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为
第七章 直流脉宽调速系统
主要内容
• • • • • • 第一节 概述 第二节 直流脉宽调制电路 第三节 直流脉宽调速控制系统 第四节 直流脉宽调速系统实例 第五节 直流脉宽调速系统仿真 本章小结
第一节 概

随着大功率晶体管GTR,可关断晶闸管GTO和 功率场效应管 MOSFET 等全控型器件的应用,以 GTR 脉宽调制电路为基础组成的直流脉宽调速系 统,在直流传动中的应用得到普及。 晶体管脉宽调制电路 是利用 GTR 的开关作 用,将直流电压转换成较高频率(几千Hz)的方 波电压,加在直流电动机的电枢上,通过对方波 脉冲宽度的控制,改变电枢电压 U d 的平均值,从 而调节电动机的转速。直流脉宽调制电路也称为 PWM 电路 。
双极性脉宽调制电路工作原理
• 优点:电流连续,可使电动机在四个象限中运行 ,电动机停止时,有微振电流,能消除静磨擦死 区,低速时每个晶体管的驱动脉冲仍较宽,有利 于晶体管可靠导通,平稳性好,调速范围大; • 缺点:工作过程中,四个大功率晶体管都处于开 关状态,开关损耗大,且容易发生上、下两管直 通的事故。 • 为了防止上、下两管同时导通,可在一管关断和 另一管导通的驱动脉冲之间,设置逻辑延时。
单极性脉宽调制电路
• 如果希望电动机反转,则让 VT 3 的驱动脉冲 U b3 恒为正,VT4的驱动脉冲Ub4恒为负,使VT4截止, VT 3 饱和导通, VT 1 和 VT 2 仍工作在交替开关状 态,这样在0 t t1期间,UAB=0,而在t1 t T期间,UAB=-Us。 • 优点:不会出现上下两个管子同时导通的情况; 当电动机停止时,Ud=0 其瞬时值也为零,电枢 回路中无电流,减少了空载损耗,但无高频微 振,起动较慢,其低速性能不如双极性的好。
图7-5 锯齿波脉宽调制器
脉宽调制器
• U c =0 时,输出脉冲电压 U pw 的正负脉冲宽度相等, 如图7-6 a) 所示; U c >0 时, U c 使 -U p 的作用减小, 输出脉冲电压的正半波变窄,负半波变宽,如图 7-6 b) 所示;U c <0 时, U c 使 -U p 的作用加强,输出 脉冲电压的正半波变宽,负半波变窄,如图7-6 c) 所示。 • 调节Uc大小和极性,可得到脉冲宽度可调的控制电 压UPW。 • 常用的集成的电压-脉冲变换器有LM3524和 SG1525/2525 / 3525系列等。
仿真演示
图7-10 双闭环直流脉宽调速系统仿真模型
图7-1 带制动作用的直流脉宽调制电路 a) 电路原理图; b) 电动状态的电压、电流波形; c) 轻载电动状态的电流波形;d) 制动状态的电压、电流波形
第二节 直流脉宽调制电路
二、可逆运行直流脉宽调制电路 可逆运行直流脉宽调制电路有 H 形、 T 形等不同 的结构形式。这里主要分析常用的H形变换器。它是 由4个IGBT (VT1~VT4)以及4个续流二极管(VDl~VD4) 组成的桥式电路,如图 7-2 所示。这时,电动机 M 两 端电压UAB的极性随开关器件驱动电压极性的变化而 改变,其控制方式有双极式、单极式、受限单极式 等多种,这里只着重分析最常用的双极式控制和单 极式控制的可逆PWM变换器。
第三节 直流脉宽调速控制系统
一、系统组成。如图7-4所示。
图7-4 双闭环脉宽调速控制系统原理框图
第三节 直流脉宽调速控制系统
• 直流脉宽调速系统由主电路和控制电路两部分组成。
• 基本控制通常采用转速、电流双闭环控制,转速调 节器和电流调节器均为PI调节器,转速反馈信号由 直流测速发电机得到,电流反馈信号由霍尔电流变 换器得到,这部分的工作原理与前面的双闭环直流 调速系统相同。
第二节 直流脉宽调制电路
直流脉宽调制电路分为不可逆运行直流脉宽调 制电路和可逆运行直流脉宽调制电路两类。 一.不可逆输出的直流脉宽调制电路 不可逆运行的直流脉宽调制电路分为:无制动 作用的直流脉宽调制电路和带制动作用的直流脉宽 调制电路两类,这里只分析常用的带制动作用的直 流脉宽调制电路。 带制动作用的直流脉宽调制电路如图7-1a所示。 这种电路组成的PWM调速系统可在一、二两个象限 中运行。
图7-6 锯齿波脉宽调制波形图 a) UC=0; b) UC > 0; c) UC < 0
逻辑延时环节
在可逆PWM变换器中,跨接在电源两端的上、下 两个电力电子器件是频繁交替工作的。由于器件的关 断过程需要一段关断时间toff,在这段时间内器件尚 未完全关断。如果在此期间另一器件导通,则会造成 上、下两管直通,使电源短路。为了避免发生这种事 故,特设置了由逻辑电路(本书略去了具体电路构成) 或由计算机软件实现的逻辑延时环节DLD,保证在对 一个器件发出关闭脉冲后,见图7-7中的Ug1负脉冲, 延时td1后再发出对另一器件的开通脉冲(见Ug2正脉 冲)。反之亦然,Ug2变负后,延时td1使Ug1变正。
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