低容量可逆调速系统设计与仿真实现(一)

1.引言

　　随着社会经济的发展，直流电动机在理论和实践上更加成熟，例如双闭环调速系统具有极好的运行和控制性能，在工业生产中始终占有相当的比例。由于资金条件有限和本着研究开发的态度大多采用仿真来进行模仿。

　　目前在matlab软件仿真中，很多公式和参数计算过后都需要通过建模，本文直接把得到的参数通过程序运算，输入到所得到的的模型中，简化了程序，节约了大量的时间，获得一定的经济效益，通过simulink仿真，使得模型更简明，本文主要介绍电源的选择，控制电路的设计，ACR和ASR的参数设计、系统仿真实现分析，通过满足一定的参数，实现电动机的运转，达到预期效果。

　　2.双闭环控制电路设计

　　2.1 转速调节器（ASR）的设计和电流调节器（ACR）的设计

　　选定额定转速nN 对应的转速给定电压，当在0~ 之间变化时，对应转速n在0~nN之间变化，一般可选 ，于是可选定转速检测系数。

　　转速调节器（ASR）的输出作为电流调节器（ACR）的输人给定信号，首先应选定ASR的输出限幅值，则对于电枢电流应有如下两式成立：

　　2.2 直流可调电源设计

　　电流调节器ACR的输出c U 是可调直流电源的输入值，首先选定ACR的输出控制限幅值， 对应于直流电源最大输出电压，稳态时有。根据直流电动机的稳态电压平衡方程：

　　U = E + RI = C n + RI ，为了保证额定转速nN时，直流电源仍能提供最大电枢电流 ，应满足下式，并留有一定裕量。

　　3.可逆控制的主要问题

　　无论是采用改变电枢电压的极性或改变励磁磁通的方向来改变直流电动机的转向，都需要其供电电源能够输出极性可变的直流电压。

　　基于PWM控制的H型可逆直流电源，其主电路拓扑结构与控制原理如图1-2所示，其主电路开关器件可采用IGBT、Power MOSFET以及智能功率模块IPM，常应用于中、小功率的可逆直流调速系统（如图1所示）。

　　图1-a绘出了H型可逆脉宽调速系统的基本原理图，由4个电力电子开关器件1 4 S ？ S和续流二极管构成桥式电路拓扑。H型可逆PWM变换器的控制方式有：双极式控制、单极式控制和受限单极式控制等。

　　现以双极式控制为例，说明H型可逆PWM变换器的工作原理。

　　1）正向运行（此期间2S 和3 S 始终保持断开）第1阶段，在0 on ≤ t ≤ t 期间， 1 4 S和S 同时导通，电动机M的电枢两端承受电压+ d0 U ，电流d i 正向上升；第2阶段，在on t ≤ t ≤ T 期间， 1 4 S和S 断开， 续流，电动机M的电枢两端承受电压- ，电流下降；但由于平均电压高于电动机的反电动势E，电动机正向电动运行，其波形如图1-b.

　　2）反向运行（在此期间1 4 S和S 始终保持断开）

　　第1阶段，在0 on ≤ t ≤ t 期间， S 2 和S3 断开，通过续流，电动机M的电枢两端承受电压+ ，电流- 沿反方向下降；第2阶段，在on t ≤ t ≤ T期间， S2 和S 3 同时导通，电动机M的电枢两端承受电压- ，电流- 沿反方向上升；由于平均电压|- |高于电动机的反电动势|-E|，电动机反向电动运行，其波形如图1-c.改变两组开关器件导通的时间，也就改变了电压脉冲的宽度。

　　如果on t 表示1 4 S和S 导通的时间，开关周期T和占空比的定义和上面相同，则电动机电枢两端电压平均值为：

　　如果令γ = 2ρ 1，调速时 的可调范围为0~1，-1 +1.由此，调节占空比，可获得可调的直流输出，以控制直流电动机转速。

　　（1）当>0.5时， 为正，电动机正转；

　　（2）当0.5时， 为负，电动机反转；。

　　（3）当=0.5时， =0，电动机停止。

　　由于电动机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电机的损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电动机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静磨擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。