基于MATLAB的直流電機PWM控制技術仿真研究

何沁園，龐 路

(中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011)

0 引言

船舶綜合電力系統是船舶領域的跨越式發展，但諧波的存在會對直流電機的運行及系統的穩定性產生沖擊，導致振動、絕緣老化，使用壽命降低，甚至燒毀設備等問題。挪威·德國船級社(DNV·GL)規范中明確規定了電力系統電壓波形正弦總畸變率應不超過8%，因此對于直流電力推進系統而言，采用合適有效的PWM控制技術對優化系統性能具有重要意義。PWM控制具有相等寬度的脈沖序列，可通過改變周期性脈沖序列實現調頻，也可通過改變脈寬或占空比實現電壓調節，在一定的調節范圍內可實現電壓與頻率協調變化。

本文通過構建模擬直流電機模型對直流電機開環、閉環控制特性進行了階躍響應仿真，并將PWM轉速調制控制策略應用于實體模型電機的PWM控制電路設計中，從而有效支撐綜合電力系統中直流電機PWM控制技術的應用。

1 模擬直流電機模型

直流電機排除負載影響后的開環特性理論模型為

(1)

式中：

G

(

s

)為直流電機開環特性；

n

(

s

)為電機轉速，r/min；

U

(

s

)為電機電樞電壓，V；

T

是電磁時間常數，s；

s

為靜差率，用來衡量負載變化時轉速的穩定度。本文設計的模擬直流電機在3、6、9、12、15 V這5種不同電樞電壓下的運行特性曲線幾乎平行，表現出了不同電樞電壓下當電樞電流增加時轉速會降低、相同電樞電流情況下電樞電壓增大轉速提升的情況。該模擬直流電機的開環特性曲線見圖1，其開環特性基本呈線性關系，通過擬合確定電樞電壓

U

與電機轉速

n

的線性關系為

n

=374

U

-177

(2)

式中：

n

為電機平均轉速，r/min；

U

為電機電樞電壓，V。

圖1 電機開環特性曲線

通過檢測模擬直流電機開環特性理論模型的一階近似方程，可以測量模擬直流電機的時間常數

T

=0.1 s和開環增益

K

=374，模擬直流電機的開環特性理論模型可變換為

(3)

2 直流電機開閉環仿真分析

直流電機開環控制具有在給定輸入信號后只存在單向作用而沒有反饋聯系的特點；相比于直流電機開環控制而言，閉環控制是指在直流電機控制中根據輸入信號不斷地反饋輸出信號，并與輸入信號進行比對反饋的一種控制方式。

根據構建的模擬式(3)，設計該模擬直流電機的開環、閉環控制仿真模型分別見圖2、圖3，其中圖3閉環控制仿真模型中PI控制器的轉換模型為

(4)

式中：

G

(

s

)為直流電機閉環特性。

圖2 模擬直流電機的開環控制仿真模型

圖3 模擬直流電機的閉環控制仿真模型

基于MATLAB軟件對該直流電機模型分別開展開環控制、閉環控制仿真分析，其單位階躍響應見圖4。

圖4 模擬直流電機的仿真階躍響應

從圖4可以看出：

(1)開環控制電機輸出轉速無法達到階躍指令速度，存在較大穩態誤差。但閉環控制能夠有效消除穩態誤差，實現穩定輸出轉速與階躍指令轉速相同且穩態誤差為零。

(2)開環控制電機響應速度略快于閉環控制電機響應速度，但開環控制電機響應速度無響應調整現象，閉環控制電機響應速度存在明顯的響應調整現象。

(3)電機閉環控制過程中電機轉速階躍響應超調不大于10%，能夠滿足要求。

(4)電機開環控制過程中增加擾動后(如負載增加)電機響應速度無法自動恢復，完全不具有抗干擾能力；但電機閉環控制過程中增加擾動后電機輸出轉速能夠在較短時間內恢復到指令值且沒有穩態誤差，具有較強的抗干擾能力。

因此，在直流電機控制系統中加入PI控制器不僅可以消除穩態誤差，提高電機輸出轉速的抗干擾能力，而且可以提高控制系統的動態性能。

3 模型直流電機的PWM控制電路設計

3.1 直流電機PWM調速原理

直流電機PWM控制原理是在脈沖的作用下改變導通時間、關斷時間進而實現對電機轉速的控制，即通過改變電樞電壓的占空比實現電機速度控制。其中：占空比

D

是導通時間

t

和調制周期

T

的比率，即

D

=

t

/

T

，電機平均轉速

n

一般與占空比

D

近似為正比線性關系，占空比越大電機轉速越快。

直流電機PWM控制是通過控制MOSFET(Metal Semiconductor Field Effect)開關元件的開關時間來實現。MOSFET開關元件的柵極由電路獲得的固定頻率和可變寬度的方波驅動：當MOSFET開關處于“on”狀態時，所有電源電壓都施加在負載兩端；當開關處于“off”狀態時，負載兩端的零電壓通過改變所施加的方波脈沖寬度來控制 MOSFET開關元件的柵極。

3.2 直流電機PWM控制實驗

通過將渦流制動器作為負載，本文設計實驗直流電機在不同的電樞電壓、電樞電流下的負載特性曲線見圖5。

圖5 實驗直流電機穩定運行的特性圖

圖6 實驗直流電機閉環控制整個運行流程

4 結論

(1)基于MATLAB軟件運用PWM控制方式實現轉速調制，直流電機在開環控制系統中的機械特性較差，在相同的負載調節下電機速度明顯下降。

(2)閉環控制中電樞電流相比開環系統曲線有明顯改善，過渡時間大大縮短。

(3)將閉環PWM控制策略應用于實體模型電機的PWM控制的電路設計中，實現了直流電機PWM控制技術，可推廣至船用領域。