摘要：本文介紹了一種基于脈沖寬度調(diào)制信號(hào)，采用H橋?qū)χ绷麟姍C(jī)進(jìn)行調(diào)壓調(diào)速的驅(qū)動(dòng)電路，利用PWM調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間來改變輸出波形的寬度，從而達(dá)到調(diào)壓調(diào)速的目的。本文的電力電子設(shè)計(jì)中采用的二極管的橋式連接和絕緣柵型三極管構(gòu)成的橋式連接，來調(diào)節(jié)直流電機(jī)可逆，控制寬度調(diào)節(jié)輸出波形的時(shí)間，來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。通過實(shí)驗(yàn)仿真，本系統(tǒng)滿足了可逆和調(diào)速功能。

關(guān)鍵詞：調(diào)速；可逆；脈寬調(diào)制；H橋驅(qū)動(dòng)電橋；

0引言

PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單，靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式，也是人們研究的熱點(diǎn)。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振波開關(guān)技術(shù)將會(huì)成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來實(shí)現(xiàn)晶體管或MOS管導(dǎo)通時(shí)間的改變，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。

脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方脈沖寬度調(diào)制是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域。中脈沖寬度調(diào)制是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。

自從全控型整流電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器—直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。PWM系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：

主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少；

開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較??；

低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1：10000左右；

若與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)；

功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)效率因數(shù)比相控整流器高。

1直流電機(jī)工作原理

通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中會(huì)受到電磁力的作用--電磁力定律。電動(dòng)機(jī)就是應(yīng)用這個(gè)定律工作的。下圖為直流電動(dòng)機(jī)的原理圖。

圖1直流電機(jī)原理圖

電樞繞組通過電刷接到直流電源上，繞組的旋轉(zhuǎn)軸與機(jī)械負(fù)載相聯(lián)。電流從電刷A流入電樞繞組，從電刷B流出。電樞電流Ia與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力F，其方向可用左手定則判定。這一對(duì)電磁力所形成的電磁轉(zhuǎn)矩T，使電動(dòng)機(jī)電樞逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。如上圖a所示。

當(dāng)電樞轉(zhuǎn)到上圖b所示位置時(shí)，由于換向器的作用，電源電流Ia仍由電刷A流入繞組，由電刷B流出。電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍然使電動(dòng)機(jī)電樞逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。

電樞轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，割切磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)(用右手定則判定)的方向與電樞電流Ia和外加電壓U的方向總是相反的，稱為反電動(dòng)勢(shì)Ea。它與發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)E的作用不同。發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)是電源電動(dòng)勢(shì)，在外電路產(chǎn)生電流。而Ea是反電動(dòng)勢(shì)，電源只有克服這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)才能向電動(dòng)機(jī)輸入電流。

可見，電動(dòng)機(jī)向負(fù)載輸出機(jī)械功率的同時(shí)，電源卻向電動(dòng)機(jī)輸入電功率，電動(dòng)機(jī)起著將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的作用。

發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩者的電磁轉(zhuǎn)矩T的作用是不同的。發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是阻轉(zhuǎn)矩，它與原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1的方向是相反的。電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，它使電樞轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T必須與機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2及空載損耗轉(zhuǎn)矩T0相平衡，即T＝T2十T0。當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、反電動(dòng)勢(shì)、電流及電磁轉(zhuǎn)矩將自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)負(fù)載的變化，保持新的平衡?？梢?，直流電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行和作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，雖然都產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩，但兩者作用截然相反。

2PWM控制調(diào)速原理

直流電機(jī)PWM調(diào)速的基本原理圖如圖2所示。可控開關(guān)S以固定的周期重復(fù)地接通和斷開，當(dāng)開關(guān)S接通時(shí)，直流供電電源U通過開關(guān)S施加到直流電機(jī)兩端，電機(jī)在電源作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)電樞電感儲(chǔ)存能量；當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)，供電電源停止向電動(dòng)機(jī)提供能量，但此時(shí)電樞電感所儲(chǔ)存的能量將通過續(xù)流二極管VD使電機(jī)電樞電流繼續(xù)維持，電樞電流仍然產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩使得電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。開關(guān)S重復(fù)動(dòng)作時(shí)，在電機(jī)電樞兩端就形成了一系列的電壓脈沖波形，如圖3所示。

電樞電壓平均值Uav的理論計(jì)算式為:

其中α為占空比，即導(dǎo)通時(shí)間與脈沖周期之比。

由式（1）可知，平均電壓由占空比及電源電壓決定，保持開關(guān)頻率恒定，改變占空比能夠相應(yīng)地改變平均電壓，從而實(shí)現(xiàn)了直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。

圖2簡(jiǎn)單直流PWM控制電路

圖3電壓及電流波形

3脈寬調(diào)制變換器

在干線鐵道電力機(jī)車、工礦電力機(jī)車、城市電車和地鐵電機(jī)車等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵(lì)或復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)，由恒壓直流電網(wǎng)供電。過去用切換電樞回路電阻來控制電機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速，在電阻中耗電很大。為了節(jié)能，并實(shí)行無觸電控制，現(xiàn)在多改用電力電子開關(guān)器件，如快速晶閘管，GTO，IGBT等。采用簡(jiǎn)單的單管控制時(shí)，稱作直流斬波器，后來逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開關(guān)的電路，統(tǒng)稱為脈寬調(diào)制變換器。

直流斬波器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理如圖4（a）所示，其中VT用開關(guān)符號(hào)表示任何一種電力電子器件，VD表示續(xù)流二極管。當(dāng)VT導(dǎo)通時(shí)，直流電源電壓Us加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng)VT關(guān)斷時(shí)，直流電源與電機(jī)脫開，電動(dòng)機(jī)電樞經(jīng)VD續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，得到電樞端電壓波形u=f(t),如圖4（b）所示，好象是電源電壓Us在ton時(shí)間內(nèi)被接上，又在（T-ton）內(nèi)被斬?cái)?，故稱為“斬波”。這樣，電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為：

Ud=(ton/T)*Us=ρ*Us

式中T---功率開關(guān)器件的開關(guān)周期

ton---開通時(shí)間

ρ---占空比，ρ=ton/T=ton*f，其中f為開關(guān)頻率。

a）原理圖b)電壓波形圖

圖4脈寬調(diào)制變換器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形圖

4系統(tǒng)仿真調(diào)試

直流PWM的主電路作為電能變換的功率平臺(tái)已事先做好，只需將控制板安放在主電路上方，并將主電路板上J3和J6、J7與控制板上對(duì)應(yīng)的J3和J6、J7用排線相連，就可進(jìn)行調(diào)試，主電路和控制電路中所有可接觸部分的電壓均在30V以下，不會(huì)出現(xiàn)電擊現(xiàn)象。為了方便調(diào)試及保證電路安全，增設(shè)調(diào)試盒一個(gè)。整個(gè)系統(tǒng)的連接關(guān)系如圖5所示。

圖5調(diào)試系統(tǒng)的組成

調(diào)試盒上面安放2個(gè)開關(guān)、2個(gè)指示燈和1個(gè)電流表，其系統(tǒng)調(diào)試合面板如圖6所示。S1用于開關(guān)總電源，L1為其上電指示。S2用于接通或斷開H橋的直流電源（可用于電機(jī)的啟?？刂疲?，L2為其上電指示。電流表M1用于檢測(cè)負(fù)載電流。主電路中H橋（即IPM模塊）前串入的電阻R1和R2，阻值各為5歐姆，用于限制短路電流，保護(hù)IPM。Ra為電機(jī)電樞回路的電流取樣電阻（阻值為1歐姆），用于觀測(cè)電樞電流的波形。

圖6系統(tǒng)調(diào)試盒的面板

在整個(gè)調(diào)試過程中，系統(tǒng)各部分均正常，電流表上的電流指示值在0.5A以內(nèi)。

5結(jié)論

脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方脈沖寬度調(diào)制是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域。本文的電力電子設(shè)計(jì)中采用的二極管的橋式連接和絕緣柵型三極管構(gòu)成的橋式連接，來調(diào)節(jié)直流電機(jī)可逆，控制寬度調(diào)節(jié)輸出波形的時(shí)間，來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。通過實(shí)驗(yàn)仿真，本控制系統(tǒng)適合電機(jī)可逆和調(diào)速功能。