基于直流可變脈寬調制系統的設計

李久超++姚兆

摘 要：基于使用了PI操縱器，PWM操縱器等當代生產控制常用的操縱部件及具體設計理念。主要分析了直流可變電機PWM操縱系統方法，分析了變速系統，總結了直流PWM的機械特性，最終總結了PWM操縱與更改器的模型。

關鍵詞：直流 可變脈寬調制系統 操縱系統

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）09（c）-0006-02

1 直流可變電機PWM操縱系統

1.1 直流可變電機PWM操縱系統原理

脈沖調制操縱方法以往是可改頻內容的重要技術之一。它采用電源計數器的方法，脈沖占空比被改變用來對一個采樣模擬信號的信號進行控制。

直流可變電機PWM操縱系統有可變和不可變系統兩種。可變系統是指電機能夠前后兩個角度旋轉；不可變系統是指電機只能在一個方向上旋轉。對于可變系統，能夠區分為單極性轉動和多方向驅動兩種不同。該文只分析多方向驅動。

1.2 H型多方向驅動可變PWM操縱系統控制方法

“H”型是多方向驅動電路的典型電路，也叫做橋式電路。其內部是由4個三極管和4個穩壓二極管構造，單電源開關。4個三極管分為兩組，V1和V4為一組，V2和V3為另一組。相同的三極管同步導通或關斷，不同的三極管導通與關斷正好不同。

在每個脈沖調制周期里，當控制采樣Vi1高電平時，三極管V1和V4導通，此時Vi2為低電平，因此V2和V3不通。電樞繞組流過從A到B的正向信號；當控制采樣Vi1為低電平時，三極管V1和V4截止，此時Vi2為高電平，因此V2和V3導通，電樞繞組流過從B到A的反向信號，這就是所謂的“多方向”。

因為在一個脈沖周期里電樞信號經歷了正反兩次不同，因此其兩次電壓U0可以用下式總結：

U0=US=（2b-1）US=（2a-1）US （1）

由此，多方向可變脈沖工作時，電樞內部所經過的每次電壓取決于占空比α的多少。當α=0時，U0=-US，可變電機反轉，且轉速高值；當α=1時，U0=US，可變電機正轉，轉速高值；此時，α=1/2時U0=0，可變電機停止，但電樞內部中仍然有交變電流交互，使電機產生持續振蕩，這種振蕩能夠克服電機負載的碰撞，提高轉速性能。

2 操縱系統的構建

面向一個操縱系統，最核心的是操縱器的構建，操縱器構建的好壞關系到操縱系統性能的能力。操縱器要求實時性高，通用性高，掌握較強的核心，在達到性能指標的要求下應盡可能的方便。

PI操縱器采用在系統中填入了一個位于原點的開環核心，而且也增加了一個內部S左半平面的開環中心。填入原點的核心可以提高系統的能力，以消除或增強系統的穩態誤差，改善系統的穩態指標。而填入的負實中心則用來增強系統的阻尼系數，緩和PI操縱器核心對系統穩定性產生的不利因素。只要結算時間常數Ti足夠高，PI操縱器對系統穩定性的不利內容可大為改變。在操縱系統中，PI操縱器主要能夠改善操縱系統的穩態指標[2]。

閉環可變系統的改變和電流整流器都采用PI操縱器。采用PI操縱器的自動控制方式。

經過傳遞函數看，自動調節系統為：

WP1（S）=KP+M （2）

當變頻信號ε是階躍采樣時，模擬部分會突然升高，而結算部分則按線性升高，通過一定時間后，U1比例達到限幅值。而實際應用中，階躍采樣ε只是一開始突跳，隨著模擬信號USC的升高，采樣信號ε便逐漸減少，U1是否能夠挺高到限幅值，就要看U1的聽聲和ε的衰減哪一方突然。因為調節信號的時間系數遠大于操縱器的時間核心，則ε下降階躍，由于操縱器的結算作用，盡管在改變，U1仍繼續升高，在ε改變到零以前U1還來得及升到提升值。如果采樣對象的時間常數不高，則ε改變較快，當操縱量還來不及把U1提升到限幅值作用，ε已經改變到零，U1也就不能再提升，這時操縱器不會飽和。

在改變過程中，PI操縱器輸出信號U1是否飽和對系統的信號波形很有改變。若U1一旦結算，只有ε變負，即U1>Us時，才有可能使它重復變頻，因此必然過壓。

3 可變脈寬操縱系統的內部特性

因為應用了脈寬操縱，因此，即使在不變情況下，脈寬操縱系統的轉矩和轉速也都是改變的。所謂不變，是指電機的一般電磁轉矩與負載采樣相一致的情況，內部特性是一般轉速與平均信號（采樣）的鏈接。

引進不同機構的PWM操縱器，系統的內部特性也不同。對于多方向式控制的改變采樣，信號的方向是交互的，無論是內部還是外部，信號波形都是密集的，因而內部特性關系式比較合適。

U0=Rid+L+E（0≤t

-U0=Rid+L+E（ton≤t

式中的R.L分別為操縱器電樞內部的電阻和電感。

電樞內部在一個周期內的內部電壓是U0=US。內部電流和轉矩分別用Id和Te表示，平均轉速n=E/Ce，而操縱器電感L的平均值在連續時應為0。

4 PWM可變操縱器的數學模型

PWM可變操縱器的內部數學模型和三極管與二極管的觸發與整流裝置基本相同。按照對PWM可變操縱器原理和波形的整理，當控制信號UC變動時，PWM操縱器輸出平均電壓Ud按線形規律升高，但其信號會有延遲，最大的延遲是一個整流周期T。因此，PWM可變操縱器（簡稱PWM裝置）也可以看成是一個后置裝置，其表示函數可以總結：

WS（S）=Kse-TS （5）

式中，KS為PWM裝置的傳遞系數；

TS為PWM裝置的采樣時間，TS≤T。

因為PWM裝置的數學公式與開關管裝置相同，在操縱系統中的地位也一樣，因此WS（S），KS和KS都采用一樣的表示。

不過，此式是相似的傳遞函數，因為PWM裝置不是一個線形系統，而是具有持續特性的非線形系統。繼電操縱系統能夠在一定條件下產生自激采樣，因此采用線形操縱理論的傳遞采樣不能分析出來。一旦在實際系統中遇到這類情況，解決辦法是改變操縱器的結構和參數，如果這樣做不能成功，可以在系統內部施加高頻的周期采樣，人為地改變高頻內部振蕩，從而產生系統中的振蕩。

參考文獻

[1] 陳伯時.自動控制系統原理[M].2版.北京：機械工業出版社，2003.

[2] 李錫雄.PWM技術應用[M].2版.武漢：華中理工大學出版社，2000.