H型直流脈寬調速系統的設計與研究

馬勇，陳由鋒，楊槐，謝承希，羅雪芳

（1.重慶交通建設（集團）有限責任公司，重慶，400000；2.新疆兵團水利水電工程集團有限公司，新疆烏魯木齊，830000）

0 引言

在的H型直流脈寬調速系統當中，通過使用H型雙極式的可逆脈寬調制變換器，得到調速系統中直流電動機的電樞端的電壓。這是與常見的雙閉環直流調速系統的不同之處，但是H型直流脈寬調速系統與常見的雙閉環直流調速系統的共性是作為外環的ASR和作為內環的ACR在工作過程與普通雙閉環直流調速系統是相同的。其中，作為外環的轉速調節器為了保證系統的轉速精度和轉速恒定，能有效的消除轉速誤差。而內環的電流調節器是為了限制過大的啟動電流和過載電流，保證電動機能快速啟動。

在普通的雙閉環直流調速系統中，電動機的電樞電壓通常采用全控型的晶閘管構成的整流橋經過整流獲得或者使用脈沖觸發器獲得，而在的H型直流脈寬調速系統當中，通過使用H型雙極式的可逆脈寬調制變換器，得到調速系統中直流電動機的電樞端的電壓，以此來實現調速系統的平滑調速。

1 H型雙極式的可逆脈寬調制變換器的組成及工作原理

1.1 H型雙極式的可逆脈寬調制變換器的組成

H型脈寬調制變換器電路構成是4個全控型器件和4個不可的控續流二極管。H型可逆變換器按照控制方式的差異和不同，通常可以分為受限單極式、單極式、雙極式等多種類型。文章中仿真中使用到的雙極式H型可逆脈寬調制變換器，是普遍常見到的一種，也是使用最廣泛的一種。電路是由4個全控型器件的基極驅動，使得電壓被分為兩組，電路整體看上去呈現為中心對稱結構。其基本電路如圖1所示。

圖1

1.2 H型雙極式的可逆脈寬調制變換器的工作原理

如圖2所示，ton為可控型器件的開通時間，在一個完整開關周期T內，當0≤t≤ton時，由圖2可以看出，全控型器件VT1、VT4飽和開通，此時全控型器件VT2、VT3截止，這時電樞兩端的電壓UAB等于電源電壓US，電樞電流id沿著回路：+US→VT1→電動機電樞→VT4→-US流通;當ton≤t≤T時，驅動電壓相反，全控型器件VT1、VT4截止關斷，但此時全控型器件VT2、VT3不能立刻導通，電樞電流id沿著回路2，經續流二極管VD2和VD3進行續流，這時電樞兩端的電壓UAB等于負的電源電壓-US。在一個周期T內，電樞電壓UAB具有正、負交替的脈沖波形，這也是雙極式脈寬調制變換器電路工作時的都有特性。其電壓、電流波形如上圖2所示。

圖2

電動機的旋轉方向是由驅動電壓的正、負脈沖的寬和窄來決定的。當正脈沖較為寬時，即ton＞T/2，則電動機電樞電壓UAB的平均值為正，此時電動機正向旋轉。同理，當正脈沖較為窄時，即ton＜T/2，則電動機反向旋轉。如果正、負脈沖大小一樣時，即ton=T/2，電壓的平均輸出值為零，此時電動機停止轉動。

2 系統設計

2.1 H型雙閉環直流脈調速系統結構圖

如圖3所示，UR為整流器、UPEM為橋式可逆電力電子變換裝置、UPW為PWM波生成環節、ASR為轉速調節環、ACR為電流調節環、GD為驅動電路、TG測速發電機。

圖3 H型雙閉環直流脈調速系統結構圖

2.2 H型雙閉環直流脈調速系統設計框圖

如圖4為H型雙閉環直流脈調速系統動態結構圖，按圖依次為：轉速延遲環節、ASR、電流延遲環節、電流調節器、脈寬調制環節、轉速反饋環節、電流反饋環節。其中延時環節作用是，讓給定的輸入信號和經反饋電路反饋后的信號經過相同的延時，使兩者在時間的利用上得到很好的配合。而轉速調節器、電流調節器的功能同普通雙閉環調速系統一致。

圖4 H型雙閉環直流脈調速系統設計框圖

3 H型雙閉環直流脈寬調速系統仿真參數設定及模型建立

3.1 H型雙閉環直流脈寬調速系統仿真模型的組成

H型雙閉環脈寬調制直流調速系統的組成為：給定階躍信號Step模塊、轉速延遲模塊、轉速調節器模塊、電流調節器模塊、電流延遲模塊、脈寬調制發生器、Universal Bridge模塊、直流電動機模塊、負載模塊、電源模塊、轉速反饋系數模塊、電流反饋系數參數模塊、示波器模塊等。

3.2 H型雙閉環直流脈寬調速系統模塊介紹

3.2.1 脈寬調制變換器模型

如圖5所示，脈寬調制變換器模型采用兩個PWM Generator模塊經電氣封裝后得到。

圖5 脈寬調制變換器模型

3.2.2 橋式模塊

H橋模塊選用Universal Bridge模塊（見圖6），該模塊于直流電機串聯使用。

圖6 Universal Bridge H橋式模塊

3.2.3 直流電動機模塊

圖7為直流電機模塊，總共有6個電氣接線端子，其中TL是負載轉矩的電氣接線端子、m為電動機輸出接線端子、F+和F-是連接電動機勵磁繞組的電氣連接端子，A+和A-是電樞連接的電氣端子。其中輸出端子m可以輸出電機內部的一系列信號。

圖7 直流電機模塊

3.3 H型雙閉環直流脈寬調速系統模型重要參數的設定

Step模塊參數設置分別為2.5和5；轉速調節器ASR模塊的Kp=5.4，Kn=1/0.04；電流調節器ACR的Kp=4.63，Ki=1/0.015s；PWM發生器采用兩個PWM Generator模塊；模塊的載波Frequency設置為1kHz；Selector模塊輸入信號的指定元素Index Option 設置為[1 2 4 3]；H橋模塊選用Universal Bridge模塊，該模塊于直流電機串聯使用，其參數設置為：Number of bridge arms為2，Power Electronic device為MOSFET/Diodes，其他參數為模型的默認值；轉速反饋模塊參數為：分子（Numerator）數值為[0.05]，分母（Denominator）數值為[0.005 1]；電流反饋模塊參數設置: 分子（Numerator）數值為[1.35]，分母（Denominator）數值為[0.001 1]；直流電機模塊參數設置為：PN=1000W，UN=48V，IN=3.7A，nN=200r/min，允許電流過載倍數λ=2；電磁時間常數為Ti=0.015s，電常數為：Tm=0.2sCe=0.12，If=0.92A，Iaf=1.246其他參數為模塊默認值；直流電源參數為48V;仿真中，算法設置為:ode23tb（stiff/TR-BDF2），Start time到Stop time設置為0～12s。

■ 3.4 H型雙閉環直流脈寬調速系統仿真模型

H型雙閉環直流脈寬調速系統仿真模型如圖8所示。

圖8 H型雙閉環直流脈寬調速系統仿真模型

■ 3.5 H型雙閉環直流脈寬調速系統仿真波形

當step time的值為2.5和5時，脈寬調制發生器波形、橋式電路輸出電壓波形、以及直流電機轉速波形、電樞電流波形、電磁轉矩波形分別如圖9~圖13所示。

圖9 脈寬調制發生器波形

圖10 橋式電路輸出電壓波形

圖13 雙閉環直流脈寬調速系統電磁轉矩曲線

4 結論

在H型的雙閉環直流脈寬調速系統當中，根據圖11轉速波形和圖12電流波形可以分析得出，當給定信號為10V時，在啟動過程受到ACR的影響，電動機電樞電流接近最大值6A，使得電動機的轉速快速上升，其中最高轉速205r/min，當系統穩定時轉速為200r/min；電流為3.5A。2.5s后給定信號變成-10V時，電動機速度逐漸下降。當轉速過零后，電動機開始反向運轉，達到穩定狀態時的轉速為-200r/min（負號表示轉動方向）。從設計的H型雙閉環直流脈寬系統可以看出，在啟動過程中轉速是穩步上升的，轉速達到穩定狀態后，轉速一直為恒定值并沒有突變的情況出現，系統在工作過程中表現為轉速上升快，動態響應快。設計的系統基本和給定的直流電機的轉速和電流參數一致，說明了該系統設計的合理性、正確性。

圖11 雙閉環直流脈寬調速系統轉速曲線

圖12 雙閉環直流脈寬調速系統電樞電流曲線