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(tǒng)是船舶領域的跨越式發(fā)展，但諧波的存在會對直流電機的運行及系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)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(guī)范中明確規(guī)定了電力系統(tǒng)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(tǒng)而言，采用合適有效的PWM控制技術對優(yōu)化系統(tǒng)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(xiàn)調頻，也可通過改變脈寬或占空比實現(xiàn)電壓調節(jié)，在一定的調節(jié)范圍內(nèi)可實現(xiàn)電壓與頻率協(xié)調變化。

本文通過構建模擬直流電機模型對直流電機開環(huán)、閉環(huán)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(tǒng)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(huán)特性理論模型為

(1)

式中：

G

(

s

)為直流電機開環(huán)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(shù)，s；

s

為靜差率，用來衡量負載變化時轉速的穩(wěn)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(xiàn)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(huán)特性曲線見圖1，其開環(huán)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(huán)特性曲線

通過檢測模擬直流電機開環(huán)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(shù)

T

=0.1 s和開環(huán)增益

K

=374，模擬直流電機的開環(huán)特性理論模型可變換為

(3)

2 直流電機開閉環(huán)仿真分析

直流電機開環(huán)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(lián)系的特點；相比于直流電機開環(huán)控制而言，閉環(huán)控制是指在直流電機控制中根據(jù)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(jù)構建的模擬式(3)，設計該模擬直流電機的開環(huán)、閉環(huán)控制仿真模型分別見圖2、圖3，其中圖3閉環(huán)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(huán)特性。

圖2 模擬直流電機的開環(huán)控制仿真模型

圖3 模擬直流電機的閉環(huán)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(huán)控制、閉環(huán)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(huán)控制電機輸出轉速無法達到階躍指令速度，存在較大穩(wěn)態(tài)誤差。但閉環(huán)控制能夠有效消除穩(wěn)態(tài)誤差，實現(xiàn)穩(wěn)定輸出轉速與階躍指令轉速相同且穩(wěn)態(tài)誤差為零。

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

(3)電機閉環(huán)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(huán)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(huán)控制過程中增加擾動后電機輸出轉速能夠在較短時間內(nèi)恢復到指令值且沒有穩(wěn)態(tài)誤差，具有較強的抗干擾能力。

因此，在直流電機控制系統(tǒng)中加入PI控制器不僅可以消除穩(wěn)態(tài)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(tǒng)的動態(tài)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(xiàn)對電機轉速的控制，即通過改變電樞電壓的占空比實現(xiàn)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(xiàn)。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(tài)時，所有電源電壓都施加在負載兩端；當開關處于“off”狀態(tài)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(wěn)定運行的特性圖

圖6 實驗直流電機閉環(huán)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(xiàn)轉速調制，直流電機在開環(huán)控制系統(tǒng)中的機械特性較差，在相同的負載調節(jié)下電機速度明顯下降。

(2)閉環(huán)控制中電樞電流相比開環(huán)系統(tǒng)曲線有明顯改善，過渡時間大大縮短。

(3)將閉環(huán)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(xiàn)了直流電機PWM控制技術，可推廣至船用領域。