1、第4章 直流脉宽调速系统第4章 直流脉宽调速系统4.1概述4.2直流电动机的PWM调速原理4.3脉宽调制变换器4.4直流脉宽调速系统的机械特性4.5PWM控制与变换器的传递函数4.6PWM调速系统的控制电路4.7PWM直流调速系统的特殊问题4.8PWM直流调速系统的MATLAB仿真本章小结习题与思考题第4章 直流脉宽调速系统4.1概述随着电力电子技术的发展，出现了自关断电力电子器件全控式器件，如电力晶体管(GTR)、门极可关断晶闸管(GTO)、电力电子场效应管(Power MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、MOS控制晶闸管(MCT)等。采用全控型开关器件很容易实现脉冲宽度调制(Pu
2、lse Width Modulation，PWM)，构成直流脉宽控制调速系统。与半控型开关器件晶闸管变流器相比，全控型开关器件体积可以缩小30以上，而且装置效率高，功率因数高。第4章 直流脉宽调速系统直流脉宽调速系统利用电力电子器件的可控性，采用脉宽调制(PWM)技术，直接将恒定的直流电压调制成可改变大小和极性的直流电压，以此作为直流电动机的电枢端电压，实现调速系统的平滑调速。它广泛应用在中小功率的调速系统中。与V-M直流调速系统相比较，直流脉宽调速系统优越的性能主要表现在以下几个方面：(1)主电路简单，所使用的功率元件少，功率元件导通损耗小，装置效率高。(2)由于开关频率高，因此电枢电流容易
3、连续，谐波分量少，电网功率因数高，而且损耗减小，电机发热也较少。第4章 直流脉宽调速系统(3)低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1 10 000左右。(4)若与快速响应的电机配合，则控制系统的频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。(5)功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。(6)直流电源采用不可控三相整流时，电网功率因数比相控整流器高。第4章 直流脉宽调速系统(7)如果采用新的拓扑结构，将脉宽调制的拓扑结构与谐振型拓扑结构组合在一起，性能将更加优越。首先，利用脉宽调制提供方波电压、电流，对于同样的电流而言，它可比谐振的正弦波传输更多的功
4、率，并且可以保持低的正向导通损耗；其次，谐振开关意味着开关损耗的降低，可以利用零电压、零电流谐振技术在开关管上电压或电流到达零后再进行转换，所以直流脉宽调速控制系统将有更广阔的市场前景。第4章 直流脉宽调速系统各种全控型器件构成的直流脉宽调速控制系统的原理是一样的，只是不同器件具有各自不同的驱动、保护及其他器件使用的问题。PWM直流调速系统的结构组成与V-M直流调速系统的结构基本一致，主要区别在于PWM调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器。随着超大功率晶体管电压和电流等级的日益提高，晶体管PWM调速系统的容量也越来越大，在一定功率范围内取代晶闸管直流调速装置已成为趋势。本章在简要分析PWM变换
5、器基本原理的基础上，重点分析PWM变换器的主电路和控制电路。第4章 直流脉宽调速系统 4.2直流电动机的PWM调速原理许多工业传动系统都是由公共直流电源或蓄电池供电的。在多数情况下，都要求把固定的直流电源电压变换为不同的电压等级，例如地铁列车、无轨电车或由蓄电池供电的机动车辆等，它们都有调速要求，需要把固定电压的直流电源变换为直流电动机电枢用的可变电压的直流电源。由脉冲宽度调制变换器向直流电动机供电的系统称为脉冲宽度调制调速控制系统，其主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器(即直流斩波器)。脉宽调制型调速控制系统的原理图及其输出电压波形如图4-1所示。第4章 直流脉宽调速系统图4-1脉宽
6、调制型调速控制系统的原理图及其输出电压波形第4章 直流脉宽调速系统图4-1中晶闸管VT表示电力电子开关器件(即脉宽调制器)，VD 表示续流二极管，Us为调速系统的外加电源电压，是一固定的直流电压；M是直流电动机。当开关VT闭合时，直流电源电压Us经过VT加到电动机上；当开关VT断开时，直流电源供给电动机的电流被切断，电动机的储能经过二极管VD续流，电枢两端电压接近于零。当开关VT按照某一固定频率开闭而改变周期内的接通时间ton时，控制脉冲宽度相应改变，从而改变了电动机两端的平均电压，达到调速的目的。第4章 直流脉宽调速系统如此周而复始，则电枢端电压波形如图4-1(b)中所示，好像是电源电压Us
7、在ton时间内被接上，又在T-ton时间内被斩断，故称“斩波”。电动机电枢端电压Ud为其平均值：(4-1)上式中，T是脉冲周期；ton是接通时间；是一个周期T中晶闸管VT导通时间的比率，称为负载率或占空比，01，f是开关频率。使用下面三种方法中的任何一种，都可以改变占空比的值，从而达到调压的目的，实现电动机的平滑调速。01ontonondssssonoffttdtUUUUUTTttdononsUtftTU第4章 直流脉宽调速系统(1)脉冲宽度调制(PWM)：晶闸管的开关周期T 不变，改变导通时间ton，这种方法也称定频调宽法。(2)脉冲频率调制(PFM)：晶闸管导通时间ton不变，改变晶闸管的
8、开关周期T，这种方法也称定宽调频法。(3)调宽调频法：晶闸管导通时间ton和开关周期T都可调。由于器件容量的限制，目前，在中、小功率的系统中，直流PWM调速已取代V-M调速系统成为主要的直流调速方式。直流PWM调速系统作为一种新技术，发展十分迅速，随着电力电子器件的发展，它的应用领域必然会日益扩大。第4章 直流脉宽调速系统4.3脉宽调制变换器脉宽调制(PWM)变换器的作用是：用PWM调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。PWM变换器的电路有多种形式，主要分为不可逆和可逆两大类，可逆变换器又有双极式、单极式和受限单
9、极式等多种。下面分别介绍它们的工作原理和特性。第4章 直流脉宽调速系统4.3.1不可逆PWM变换器不可逆PWM变换器可分为无制动作用和有制动作用两种。1.无制动作用的PWM变换器无制动作用的不可逆PWM变换器是一种简单的不可逆PWM变换器，其实际是一种直流斩波器。图4-2是简单的不可逆PWM变换器的主电路原理图。电路采用全控型的电力晶体管代替半控型的晶闸管，开关频率可达14 kHz，比晶闸管几乎提高了一个数量级；电源电压Us一般由不可控整流电源提供；采用大电容滤波；二极管VD在晶体管VT关断时为电枢回路提供续流回路；脉宽调制器的负载为电动机电枢，它可被看成电阻-电感-反电动势负载。第4章 直流
10、脉宽调速系统图4-2的电路工作原理如下：电力晶体管VT的基极由脉宽可调的脉冲电压Ug驱动。在一个开关周期内，当0tton时，Ug为正，VT饱和导通，电源电压Us通过VT加到电动机电枢两端；当tontT时，Ug为负，VT截止，电动机电枢两端失去电源，经二极管VD续流。电动机得到的平均端电压为 (4-2)ondsstUUUT第4章 直流脉宽调速系统式中=ton/T(0Ud)，这时，晶体管VT2就在电动机制动中发挥作用。下面对制动过程进行详细的分析：(1)在0tton阶段，由于Ug2变正，VT2导通，反电动势E和整流电压Ud之间的电压差E-Ud产生的反向电流-id沿回路3通过VT2流通，产生能耗制动
11、，直到t=T为止。第4章 直流脉宽调速系统(2)在TtT+ton(也就是0tton)阶段，VT2截止，-id沿着回路4通过VD1续流，对电源回馈制动，同时在VD1上的压降使VT1不能导通。根据对上述制动过程的分析，可以得出一个结论：在整个制动状态中，VT2、VD1轮流导通，而VT1始终截止，此时电压和电流的波形如图4-3(c)所示。反向电流的制动作用使电动机转速下降，直到新的稳态。第4章 直流脉宽调速系统最后，应该指出，当直流电源采用半导体整流装置时，在回馈制动阶段电能不可能通过它送回电网，只能向滤波电容C充电，从而造成瞬间的电压升高，称做“泵升电压”。如果回馈能量大，泵升电压太高，将危及电力
12、晶体管和整流二极管，需要采取措施加以限制。在电动机的工作状态中，还需要考虑一种特殊的情况，即轻载电动状态。第4章 直流脉宽调速系统在轻载电动状态中，负载电流较小，以致在晶体管VT1关断后id续流时，还没有到达周期T，电流已经衰减到零，如图4-3(d)中tonT期间的t2时刻，这时二极管VD2两端的电压降也将为零，使VT2得以导通，反电动势E沿回路3送过反向电流-id，产生局部时间的能耗制动作用。到了t=T(相当于t=0)，-id又开始沿着回路4经VD1续流，直到t=t4时，-id衰减到零，VT1才开始导通。在一个开关周期内VT1、VD2、VT2、VD1四个管子轮流导通的电流波形如图4-3(d)
13、所示。显然，在电动机的轻载电动状态，一个周期分成四个工作阶段，简单概述如下：第4章 直流脉宽调速系统(1)第一阶段，VD1续流，电流-id沿回路4流通。(2)第二阶段，VT1导通，电流id沿回路1流通。(3)第三阶段，VD2续流，电流id沿回路2流通。(4)第四阶段，VT2导通，电流-id沿回路3流通。注意：(1)在第一、第四阶段，电动机流过负方向电流，电动机工作在制动状态。(2)在第二、第三阶段，电动机流过正方向电流，电动机工作在电动状态。因此，在轻载时，电流可在正、负方向之间脉动，平均电枢电流等于负载电流。对上述不同工作状态下器件的导通及电流id的回路和方向归纳总结如表4-1中所示。第4章
14、 直流脉宽调速系统第4章 直流脉宽调速系统4.3.2可逆PWM变换器可逆PWM变换器电路的结构形式有H型和T型等，这里主要讨论常用的H型变换器，它是由4个功率管和4个续流二极管组成的桥式电路，如图4-4(a)所示。H型可逆PWM变换器在控制方式上分为双极式、单极式和受限单极式三种。下面重点分析双极式H型可逆PWM变换器。第4章 直流脉宽调速系统图4-4H型可逆PWM变换器第4章 直流脉宽调速系统双极式H型可逆PWM变换器的电路原理图如图4-4(a)所示。图4-4(a)电路的构成特点：根据4个电力晶体管的基极驱动电压分为两组。VT1和VT4同时导通和关断，其驱动电压Ug1=-Ug4；VT2和VT
15、3同时导通和关断，其驱动电压Ug2=-Ug3。第4章 直流脉宽调速系统双极式H型可逆PWM变换器的工作原理分析如下：(1)当0tton时，Ug1和Ug4为正，VT1和VT4饱和导通；而Ug2和Ug3为负，VT2和VT3关断。此时，电源电压Us加到电枢AB两端，UAB=Us，电枢电流id沿回路1流通，如图4-4(c)所示。第4章 直流脉宽调速系统(2)当tontT时，Ug1和Ug4为负，VT1和VT4截止；Ug2和Ug3为正，VT2和VT3却不能立即导通，因为在电枢电感释放储能的作用下，电枢电流id沿回路2经二极管VD2、VD3续流，如图4-4(d)所示，在VD2、VD3上的压降使VT2和VT3
16、的ce极承受着反压，这时UAB=-Us。UAB在一个周期内具有正负相间的脉冲波形，这是双极式名称的由来，其电压、电流波形如图4-4(b)所示。第4章 直流脉宽调速系统(3)由于电压UAB的正负变化，使电流波形存在两种情况，如图4-4(b)中的id1和id2。电枢电流id1相当于电动机负载较重的情况，这时平均负载电流大，在续流阶段电流仍维持正方向，电动机始终工作在第一象限的电动状态。电流id2相当于负载很轻的情况，平均电流小，在续流阶段电流很快衰减到零，于是VT2和VT3的ce极失去反向电压，在负电源电压(-Us)和电枢反电动势E的合成作用下导通，电枢电流反向，VT2和VT3沿着回路3导通，电动
17、机处于制动状态，如图4-4(e)所示。与此相仿，在0tton期间，当负载轻时，电流也有一次倒向。第4章 直流脉宽调速系统因此，双极式可逆PWM变换器的电流波形和不可逆但有制动电流通路的PWM变换器相类似，怎样才能反映出“可逆”的作用呢？这要视正、负脉冲电压的宽窄而定。当正脉冲较宽时，tonT/2，平均电压为零，则电动机停止。图4-4所示的电压和电流波形都是在电动机正转时的情况。第4章 直流脉宽调速系统双极式可逆PWM变换器电动机电枢平均端电压用公式表示为 (4-7)如果占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中的相同(即，)，则在双极式控制的可逆变换器中，与ton的关系就与前面不同，变为下式：=2
18、-1 (4-8)21ononsondssTt UtTUUUTTTontTdsUU第4章 直流脉宽调速系统调速时，占空比的可调范围为01，电压系数的变化范围为-10.5时，为正，电动机正转；0时，输入信号usa-Ub+Uct的合成电压为正的宽度增大，即锯齿波由负过零的时间提前，经比较器倒相后，在输出端得到正半波比负半波窄的输出电压，如图4-8(b)所示。(3)当控制电压Uctusa，比较器输出电压u2=0。在tont期间，Ueausa，则比较器输出幅值为正的矩形脉冲。周期循环，在比较器输出端可得到一列如图4-10(b)所示的矩形脉冲，并且u2脉冲宽度随着Uea升高而减小。当Uea一定时，比较器输
19、出的脉冲宽度一定；当Uea本身输入信号变化时，比较器输出的脉冲宽度也相应变化。第4章 直流脉宽调速系统(5)脉宽调制比较器输出的脉冲电压u2送至由两个或非门组成的逻辑输出电路，每个或非门有3 个输入端,除了脉冲电压u2外，还有来自触发器D输出(Q或Q)的方波和来自锯齿波振荡器的窄脉冲。触发器D的输出是将锯齿电压分频后的方波，其控制输出脉冲是由锯齿波振荡器产生的窄脉冲u3。窄脉冲u3是振荡器产生的锯齿波电压经过施密特触发器整形而得到的，它的频率与锯齿波的频率相同。触发器D输出的方波电压相位相差180。两个或非门的输入信号分别为u2、u3、uQ和u2、u3、uQ，起到联锁保护作用，使两个或非门轮流
20、输出高电平ub1、ub2，驱动功率管VT1和VT2轮流导通和保证晶体管不会同时导通，输出脉宽调制驱动信号。第4章 直流脉宽调速系统(6)输出端可提供最大电流为100 mA的驱动电流。(7)误差放大器也可以作为运算放大器接成PI调节器使用，当将1脚和9脚短接时，该放大器组成全反馈形式的电压跟随器，则SG3524组件成为受误差放大器同相输入电压Uct控制的脉宽调制器。通过调节误差放大器输入电压信号Uct的大小可使Uea按一定规律上升或下降，从而改变比较器输出脉冲宽度，控制VT1和VT2的导通或截止，达到调速的目的。第4章 直流脉宽调速系统(8)在脉宽调制比较器的反相输入端除了误差放大器的输出信号外
21、，还接有检测比较器的输出信号和晶体管VT3的集电极信号。其中检测比较器可以检测出较小的信号，当输入端4脚和5脚的信号达到一定值时可使其输出信号为零，从而使脉宽调制比较器反相输入端为低电平；晶体管VT3的基极输入(10 脚)信号为一定值时，其集电极输出也会使脉宽调制比较器反相输入端为低电平。而一旦脉宽调制比较器反相输入端为低电平，就会使输出的调制脉冲宽度变为零，无驱动脉冲输出，从而实现过电流、过电压等保护功能。另外，补偿端 9 脚可作为各种自动保护功能的控制端。当补偿端的电平置零时，SG3524组件输出的调制脉冲宽度将为零，无驱动脉冲输出，可实现过流、过压保护。第4章 直流脉宽调速系统4.6.3
22、基极驱动器基极驱动器GD(见图4-6)的作用是将脉宽调制器输出的脉冲信号经过信号分配和逻辑延时后进行功率放大，形成主电路电力晶体管的驱动信号。每个晶体管应有独立的基极驱动电路。为了确保晶体管在开通时迅速达到饱和导通，关断时能迅速截止，正确设计基极驱动电路是非常重要的。第4章 直流脉宽调速系统由于主电路所用的电力电子器件不同，它们对驱动电路的要求亦有区别。因此，不同的电力电子器件其驱动电路也是不相同的。另外，由于各驱动电路是独立的，但控制电路是共用的，因而必须使控制电路与驱动电路相互隔离。也就是说，无论什么样的电力电子器件，其驱动电路的设计都要考虑保护和隔离等问题。常用光电耦合管实现驱动器电路与
23、控制电路的互相隔离。驱动电路的设计常用电力电子器件专用的驱动、保护集成电路。正确的驱动电流波形如图4-11所示，每一开关过程包含开通、饱和导通和关断三个阶段。第4章 直流脉宽调速系统图4-11开关晶体管要求的基极电流信号第4章 直流脉宽调速系统1.开通阶段根据电动机的起、制动电流和晶体管的电流放大系数来确定所需的基极电流，以保证晶体管在任何情况下开通时都能充分饱和导通。考虑到晶体管(图 4-4(a)中)开通瞬间还要承受续流二极管(VD)关断时反向恢复电流的冲击，有可能因基极电流不足使晶体管退出饱和区，导致正向击穿。为避免这种情况，引入加速开通电路，为基极电流再加上强劲驱动分量(见图4-11)，
24、以保证晶体管尽快饱和导通。强迫驱动的时间取决于续流二极管的反向恢复时间。第4章 直流脉宽调速系统2.饱和导通阶段饱和导通阶段的基极电流Ib1，只要比在输出最大集电极电流时能够饱和导通的临界饱和基极电流Ibs大一些就可以了。3.关断阶段由于晶体管导通时处于饱和状态，因此在关断时有大量存储电荷，导致关断时间延长。为了使晶体管迅速从饱和导通状态进入截止状态，必须在基极加上负的偏压，以便抽出基区剩余电荷，这样便产生了负的基极电流-Ib2。在晶体管关断后，负偏压能使它可靠地截止，增加抗干扰能力，但是，负电压也不宜过大，要以形成最佳的dIb2/dt为宜。第4章 直流脉宽调速系统4.7PWM直流调速系统的特
25、殊问题直流脉宽调速系统与晶体管-电动机调速系统的结构和反馈控制方案相同，因此其静、动态分析以及设计方法都一样。二者的主要差别在于主电路和控制电路不同。下面针对这种差别，讨论脉宽调速系统中的几个特殊问题。第4章 直流脉宽调速系统1.电流脉动量由上面分析可知，脉宽调速系统在稳态运行时电枢两端的脉动电压产生周期性脉动变化的电流和转速。单极式可逆电路和不可逆电路的电流在正方向连续变化时的情况相同。单极式可逆电路电流脉动量的大小随占空比的数值而变化。电枢电流的最大脉动量与电源电压Us成正比，与电枢回路电感L和开关频率f成反比。若要求系统在最轻负载时电流也能连续，则最小负载电流平均值Id与f之间应满足Us
26、/4fL2I0或者Us/8I0Lf。第4章 直流脉宽调速系统双极式可逆电路的电枢电流最大脉动量比单极式的大一倍，但对比两种控制方式时却并非相差一倍。在电源电压Us和开关频率f一定时，增加电枢回路电感L可以抑制电流脉动量。第4章 直流脉宽调速系统2.转速脉动量当电枢电流近似按线性变化时，转速的脉动量n正比于最高理想空载转速n0和开关周期T的平方，反比于系统的时间常数Tm和Tl。一般PWM变换器的开关频率较高，约为14 kHz；换言之，电枢电压的交变分量对转速的影响可以忽略不计。第4章 直流脉宽调速系统3.电力晶体管的开关损耗和最佳开关频率PWM变换器的开关频率越高，电枢电流的脉动越小，而且能保证
27、电流连续，可以有效提高调速系统低速运行的平稳性，减少附加损耗。然而开关频率过高会使晶体管的动态开关损耗相应增加，效率下降，所以要综合考虑这两方面的问题。第4章 直流脉宽调速系统1)晶体管的开关损耗量 PWM变换器中的电力晶体管并非理想的开关元件，在工作时其功率损耗有饱和导通损耗、截止损耗和开关过程中的动态损耗。其中动态损耗是主要损耗。开关过程包括开通和关断两个过程。开通过程指集电极电流的上升时间，关断过程指存储时间和电流下降时间。在存储时间内，晶体管仍饱和导通，不计其损耗。因此，动态损耗主要是电流上升和电流下降两段时间内的开关损耗。一般近似认为在开关过程中集电极电流的上升和下降都是线性变化的，
28、因此，开关频率越高，动态损耗越大。第4章 直流脉宽调速系统2)最佳开关频率选择最佳开关频率应满足电枢电流连续和PWM变换器传输效率最高的条件。一般应考虑下列条件：(1)开关频率应当足够大，以保证电动机电抗在选定的开关频率下尽量大，限制电枢电流的脉动量，确保电流连续，降低电动机附加损耗。(2)最好使开关频率比调速系统的最高工作频率高出 10 倍左右，这样PWM变换器的延时时间对系统动态特性的影响可以忽略不计。(3)开关频率应当高于系统中所有回路的谐振频率，以防止引起共振。(4)开关频率的上限应受开关器件的开关损耗和开关时间的限制。第4章 直流脉宽调速系统 4.8PWM直流调速系统的MATLAB仿
29、真转速单闭环PWM直流调速系统的电气原理结构图如图4-6所示。其中UPW(脉宽调制器)、GM(调制波发生器)、DLD(逻辑延时环节)、GD(电力电子器件的基极驱动器)和FA(限流保护环节)在前面已经简单介绍过(参考4.6小节)，这里不再赘述。根据图4-6的连接结构，采用面向电气原理结构图方法构建的直流脉宽调速系统的仿真模型如图4-12所示。下面介绍各部分的建模与参数设置过程。第4章 直流脉宽调速系统图4-12PWM直流调速系统的仿真模型第4章 直流脉宽调速系统1.系统的建模和模型参数设置1)主电路的建模和参数设置由PWM直流调速系统的仿真模型(图4-12)可知，主电路由三相对称交流电压源、不可
30、控二极管整流桥、滤波电容器、可控开关、直流电动机等部分组成。此处直流电动机仿真模型同以上章节。根据直流电动机的参数，可以计算出直流电动机仿真模型的参数选择值。计算得到的励磁电阻为220，电枢电感和励磁电感之间的互感Laf=0.7969 H。第4章 直流脉宽调速系统三相交流电源、直流电动机的建模和参数设置在前面各章已经作过讨论，此处着重讨论不可控二极管整流桥、滤波电容器、可控开关的建模和参数设置问题。(1)不可控二极管整流桥的建模与参数设置。二极管整流桥的建模与晶闸管整流桥相同，首先进入MATLAB环境下的Simulink模块库，在SimPowerSystem/Power Electronics
31、路径下选取“Universal Bridge(通用桥)”模块，并将标签改为“二极管整流桥”；然后打开二极管整流桥参数设置对话框。将“Power Electronic Device(电力电子设备)”选择为“Diodes(二极管)”即可。其它参数设置的原则同晶闸管整流桥。第4章 直流脉宽调速系统(2)滤波电容器的建模与参数设置。滤波电容器的建模与平波电抗器的建模相同。首先从SimPowerSystem/Power Elements路径下选取“Series RLC Branch(RLC串联分支)”模块，并将模块标签改为“滤波电容器”；然后打开滤波电容器参数设置对话框，将参数设置为R=0，L=0，C=
32、10 F，参数通过仿真实验优化而定。第4章 直流脉宽调速系统(3)可控开关的建模与参数设置。在直流脉宽调速系统的主电路中串联了一个可控开关，这是一个由电力电子器件构成的开关电路，可控开关受前面PWM信号发生器的控制，它的建模和参数设置与晶闸管整流桥相同。首先从SimPowerSystem/Power Electronics路径下选取“Universal Bridge(通用桥)”模块，并将模块标签改为“可控开关”；然后打开可控开关参数设置对话框，参数设置为默认值，将“Power Electronic Device”选择为“IGBT/Diodes”。第4章 直流脉宽调速系统2)控制电路的建模和参数
33、设置直流脉宽调速系统的控制电路包括：给定环节、速度调节器ASR、限幅器、速度反馈环节、PWM信号发生器等。除了PWM信号发生器外，其它环节都在前面章节中介绍过，下面重点讨论一下PWM信号发生器及其相关环节。首先在SimPowerSystem/Extra Library/Control Blocks 下选取“PWM Generator(PWM信号发生器)”模块。PWM信号发生器要求输入-11之间的数(包括-1和1)，输出脉冲受输入信号的控制，脉冲最大输出频率设置为100 Hz。当输入为1时，输出脉冲宽度最大，相当于完全导通；当其输入为-1时，脉冲宽度最小，相当于完全关断，在从-1到1的增长过程中
34、，脉冲宽度是呈线性增长的。第4章 直流脉宽调速系统PWM信号发生器要求的输入范围为-11，而ASR的输出范围为-200200，为了能够将这两个相差很大的数匹配，我们在ASR后加了一个限幅器，其限制范围是0200，限幅器的后面接一放大器，其放大倍数为-0.01，那么输出的数就是-20了。后面再接一加法器，加上1，那么加法器输出的数就是-11了。实现上述功能的相关环节见图4-13。第4章 直流脉宽调速系统图4-13PWM信号发生器及相关环节第4章 直流脉宽调速系统控制电路的相关参数设置如下：转速给定为10 rad/s；速度反馈系数=0.00417；转速调节器ASR和电流调节器ACR均采用PI控制器
35、，其参数设置为Kpn=23.5，n=0.52；上下限幅值为200，-200；其它不作说明的参数设为系统默认值。因为PWM直流脉宽调速系统加到直流电动机上的电压为脉冲信号，为了使输出转速波形平滑，直流电动机参数对话框中的粘度摩擦系数应设为1。第4章 直流脉宽调速系统2.系统的仿真参数设置仿真中所选择的算法为ode23tb，仿真开始时间(Start time)设为0，仿真结束时间(Stop time)设为2.5 s，其它与上一章的系统相同。第4章 直流脉宽调速系统3.系统仿真及其仿真结果分析当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真。图4-14所示为仿真示波器给出的双闭环PWM直流调速系统的转速曲线
36、和电枢电流曲线，图4-15给出用MATLAB命令绘制的转速和电枢电流曲线。从仿真结果可以看出，转速和电流最终都可以稳定。另外，因为这种脉宽控制是在直流回路中直接使用可控开关，所以电路中的谐波多，仿真结果电流波形比较粗糙。第4章 直流脉宽调速系统图4-14双闭环PWM直流调速系统的仿真曲线第4章 直流脉宽调速系统图4-15用MATLAB命令绘制的双闭环PWM直流调速系统的仿真曲线第4章 直流脉宽调速系统本章小结(1)电力晶体管直流脉宽调速系统与晶闸管直流调速系统都是直流电动机调压调速系统。前者用晶体管直流脉宽调制(PWM)变换器取代了后者的晶闸管变流器，使得直流调速系统的频率特性、控制特性等都有
37、明显的改善。随着GTR电压、电流定额的不断提高以及功率集成电路的开发，直流脉宽调速系统的应用将越来越广泛。第4章 直流脉宽调速系统(2)PWM变换器常用的结构形式为H型变换器，根据控制方式的不同，可分成双极式可逆PWM变换器、单极式PWM变换器和受限单极式可逆PWM变换器三种。(3)直流PWM调速系统的控制电路由脉宽调制电路与驱动电路组成。在控制电路中必须设置防止直流电源直通的保护环节。(4)直流PWM调速系统一般采用转速、电流双闭环控制系统，转速调节器ASR和电流调节器ACR均采用PI控制器。第4章 直流脉宽调速系统(5)单环和多环直流调速系统主电路的建模都是一样的，主电路由交流电源、同步脉
38、冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。可逆直流调速系统和脉宽调速系统与前面所述的系统相比较，控制电路和主电路都有区别，需要根据系统的结构进行具体建模。第4章 直流脉宽调速系统习题与思考题4-1从系统组成、功能、工作原理、特性等方面比较PWM直流调速系统与晶闸管直流调速系统的异同点。4-2什么样的波形称为PWM波形？怎样产生这种波形？4-3简述典型PWM变换器电路的基本结构。4-4可逆和不可逆PWM变换器在结构形式和工作原理上有什么特点？4-5说明脉宽调制器在PWM放大器中的作用。第4章 直流脉宽调速系统4-6如何通过PWM控制来实现直流电动机的调速？4-7PWM变换器的开关
39、频率是如何选择的？4-8PWM放大器中是否必须设置续流二极管？为什么？4-9直流可逆PWM变换器主电路有哪几种结构？简述其优缺点。4-10双极性工作方式中系统的电枢电流是否发生断续现象？为什么？4-11在PWM直流调速系统中，当电动机停止不动时，电枢两端是否还有电压？电路中是否还有电流？为什么？第4章 直流脉宽调速系统4-12试就电流脉动值大小、调速范围、开关器件总功率损耗大小和控制的方便性等指标，对H型单极式和双极式PWM直流调速系统作一比较。4-13PWM直流调速系统通常要采取哪些保护措施？4-14采用面向控制系统电气原理结构图的建模与仿真方法，对本章所介绍的PWM直流调速系统自行进行建模与仿真练习，并探讨该仿真模型的调速范围和抗负载扰动能力。
