采用標(biāo)準(zhǔn)PWM控制技術(shù)的直流伺服電動機(jī)升壓降壓型交直流轉(zhuǎn)換器的建模與仿真設(shè)計

1、. . . . 指導(dǎo)教師評定成績(五級制)：指導(dǎo)教師簽字：附件C：譯文 采用標(biāo)準(zhǔn)PWM控制技術(shù)的直流伺服電動機(jī)升壓降壓型交直流轉(zhuǎn)換器的建模與仿真摘要PWM控制的整流器能夠有效且經(jīng)濟(jì)地應(yīng)用于直流電機(jī)驅(qū)動上和作為中小型整流變極系統(tǒng)的前端轉(zhuǎn)換器電源 ，同時其優(yōu)越性在于結(jié)構(gòu)簡單和整流方案的操作可靠性。由于輸出的直流電壓會高于輸入的峰值電壓，所以交直流升降壓轉(zhuǎn)換驅(qū)動裝置尤其適合在變速驅(qū)動系統(tǒng)里面作為動力源前端，把輸入電壓轉(zhuǎn)換成為可變的直流電壓，這里要用到一個單相或者三相電源。在本文中，介紹了一種標(biāo)準(zhǔn)的PWM控制的單相交直流升降壓轉(zhuǎn)換直流電機(jī)驅(qū)動裝置的動態(tài)模型和穩(wěn)態(tài)等效電路，討論并檢驗(yàn)了電壓、電流波形與輸

2、入與輸出特性。闡明了測量、計算以與模擬結(jié)果之間有緊密關(guān)系，證明了該模型是有效和準(zhǔn)確的。關(guān)鍵詞:升降壓；交直流轉(zhuǎn)換器；標(biāo)準(zhǔn)PWM技術(shù)；直流電動機(jī)1 介紹 一般來講，交流（從母線或者發(fā)電機(jī)）轉(zhuǎn)換為直流是通過使用二極管接成整流橋并連接一個大容量直流電容器進(jìn)行整流器輸出的。使用普通二極管整流橋有很多缺點(diǎn)，輸入電流諧波成分高，輸入因數(shù)最大達(dá)到約0.5，直流輸出電壓不可調(diào)等。為此許多專家在盡量減少諧波電流成分和改善輸入功率因數(shù)方面做出了很多嘗試。使用半導(dǎo)體晶閘管式交直流轉(zhuǎn)換器有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，然而，它的輸入功率因數(shù)低且輸出下降外特性曲線。由二極管整流橋和直流斷路器構(gòu)成的整流器比起晶閘管式整流器有更高的輸入

3、功率因數(shù)，但仍然輸出下降的外特性曲線。為了改善這些缺點(diǎn)，各種各樣的電路結(jié)構(gòu)都使用了由高頻開關(guān)元件構(gòu)造的脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，二極管整流橋與升壓型直流斷路器相結(jié)合是需要許多元件的。關(guān)于脈沖寬度控制研究的交直流轉(zhuǎn)換器被加以報道，并且僅考慮了RL負(fù)載。本文介紹了在標(biāo)準(zhǔn)PWM單相交直流降壓直流電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)態(tài)模型方面的所做的一種嘗試。研究了在使用CUK型交直流升壓轉(zhuǎn)換器用于構(gòu)建直流伺服電機(jī)驅(qū)動器時的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性。本文擬建一個單相且只有一個開關(guān)元件的PWM交直流升降壓轉(zhuǎn)換驅(qū)動器。這種基于標(biāo)準(zhǔn)PWM控制的交直流轉(zhuǎn)換器是非常簡單和易于實(shí)現(xiàn)的。分析和闡明了這種轉(zhuǎn)換器的性能，介紹了PWM控制策略，直流電

4、壓控制方法和仿真方案。詳細(xì)討論了轉(zhuǎn)換器的輸入輸出特性，電壓、電流的波形以與動力特性。除此之外，該轉(zhuǎn)換器還具有輸出直流電壓調(diào)節(jié)圍寬和輸出直流電壓高于輸入交流峰值電壓，且只有一個開關(guān)元件的特點(diǎn)。該轉(zhuǎn)換器還大大減少了功率開關(guān)元件數(shù)量。這樣在小的安裝尺寸以與更少的能量損失等方面就有更加顯著的優(yōu)勢。這說明了開關(guān)元件的數(shù)量的多少對交直流轉(zhuǎn)換器的特性影響不是很大，從而說明了單開關(guān)轉(zhuǎn)換器非常適合于經(jīng)濟(jì)型直流調(diào)壓器。無論如何，使用多開關(guān)提高了開關(guān)損失與系統(tǒng)的成本，其安裝的不可調(diào)和性也是無法避免的。2電路描述與其工作原理圖1為一個獨(dú)立的給直流電機(jī)提供動力的交直流降壓升壓轉(zhuǎn)換器的示意圖。在圖中我們可以看到該P(yáng)WM驅(qū)

5、動轉(zhuǎn)換器由一個單開關(guān)元件組成的整流橋，直流電感線圈，一個由二極管連接和直流電感線圈串聯(lián)再和直流電感線圈并聯(lián)。擬建的轉(zhuǎn)換器擬采用遞升和遞降斷路器。在此結(jié)構(gòu)中，電感起這著能量存儲/轉(zhuǎn)換元件的作用，通過由可控半導(dǎo)體功率器件構(gòu)成的配電方案從而能夠很容易地得到輸出電壓的遞升、遞減特性。整個轉(zhuǎn)化過程通過兩個不同的功率階段加以完成，它們分別為整流階段和控制分配階段。在第一個階段，一個簡單的二極管橋式整流器被用來統(tǒng)一電機(jī)電流和供應(yīng)電壓。一個IGBT工作在最大頻率值且采用均勻的PWM的控制策略在第二階段被加以采用以控制輸出平均電壓的波動幅度。這樣在整流階段，負(fù)載電壓和電流的波形頻率就在相當(dāng)與輸入頻率兩倍處反復(fù)波

6、動。 圖1 交直流升降壓直流電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)化器原理圖2.1 PWM配電方案與直流電壓的控制IGBT驅(qū)動信號是由比較一個直流參考信號，可變的振幅VC,伴隨著一個鋸齒形波，一個恒定振幅的Vr和頻率fs,眾所周知的開關(guān)頻率。VC與Vr之間的比值D=Vc/Vr稱為占空因數(shù)，被定義為“導(dǎo)通”時間Ton與總的開關(guān)周期Ts=Ton+Toff之比。平均輸出電壓是通過改變可變的VC來控制占空因數(shù)D（圖表2）的。圖 1 PWM開關(guān)信號的波形圖3 操作方法操作方法與在這種由遞降遞減轉(zhuǎn)換器伺服直流電機(jī)模式之中的等效電路依靠開關(guān)條件為開關(guān)元件和二極管D。每個工作循環(huán)都取決于開關(guān)元件和二極管的狀態(tài)，且都由2個或者3個不同的傳

7、導(dǎo)模式合并起來。圖3說明了對于陽極提供電壓來說一個配電循環(huán)有3種可能的模式。這些模式如下。3.1充電模式在充電模式當(dāng)中，開關(guān)元件處于導(dǎo)通狀態(tài)，所以二極管D處于反偏壓狀態(tài)，輸入電壓的絕對值通過電感線圈。如圖3a所示，電感電流iL 將會上升并通過輸入端，使能量儲存到電感里面。在這種模式中，電機(jī)線圈接入端和輸出電容被隔離于輸入端。所以電容由上一個周期積累的電荷進(jìn)行充電，并通過電樞繞組進(jìn)行放電。系統(tǒng)會保持這種模式直到開關(guān)元件開啟開關(guān)動作。在圖3a中粗線表示在這一模式期間可能的電感電流和電機(jī)電流流通路徑。3.2放電模式放電模式是對充電模式的補(bǔ)充。當(dāng)開關(guān)元件調(diào)到關(guān)的時候系統(tǒng)就轉(zhuǎn)換到此模式并且二極管D處于正

8、向?qū)?。如圖3b所示，電感電流iL變小并流過輸出端和輸出電容C以與直流電機(jī)。電感電壓方向與其極性相反，并使二極管D 正向?qū)?。存儲在電感里面的能量被轉(zhuǎn)化到電機(jī)且電感電流將會下降直到開關(guān)元件在下一個工作循環(huán)重新調(diào)到開的狀態(tài)或者電感電流減少到零的時候?yàn)橹梗Ｊ?）。電容是依照電感電流的下降來實(shí)現(xiàn)充電的。3.3模式3在模式3中開關(guān)元件一直處于關(guān)閉的狀態(tài)帶是電路條件會引起電感電流iL下降到0以使二極管D處于反偏狀態(tài)。開關(guān)元件處于導(dǎo)通的狀態(tài)的話這種模式將會一直持續(xù)。系統(tǒng)也將會停留在放電模式達(dá)由系統(tǒng)參數(shù)決定的一周期。當(dāng)然，這段時間不會超過開關(guān)元件的關(guān)閉時間段。如果電感電流iL假定是連續(xù)的，模式3就會消失。

9、圖3c表示了在這一工作模式時間段的等效電路。(a)模式1 IGBT導(dǎo)通；二極管D斷開(b)模式2 IGBT斷開；二極管D導(dǎo)通(c)模式3 IGBT和二極管D同時斷開圖3 工作模式和正半循環(huán)電流路徑4 模型仿真這一部分，將討論交直流降壓升壓轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)與穩(wěn)態(tài)分析。假設(shè)功率電子元件是理想的，開關(guān)頻率比起供電頻率高出很多，這樣在每一個開關(guān)周期就可以把輸入和輸出電壓看作常數(shù)。4.1瞬態(tài)分析可變狀態(tài)描述了一個由交直流升降壓轉(zhuǎn)換器伺服的分激直流電動機(jī)的動力表現(xiàn)同時取決于開關(guān)元件和二極管D。三種工作模式在圖3中以插圖的形式被加以考慮。上面總共介紹的三種模式，二極管橋式連接輸出電壓被求出一般的分激直流電機(jī)電壓

10、方程式能被表示如下而電磁轉(zhuǎn)矩方程式如下這里km是電機(jī)常數(shù)且求出為可推出電磁轉(zhuǎn)矩Te可以求出為分析以無顯著特征形式存在即與每個供應(yīng)循環(huán)的脈沖數(shù)量沒有關(guān)系。更進(jìn)一步分析和解決方案要由實(shí)驗(yàn)證明。為了分析目的輸入電壓假設(shè)為正弦曲線。根據(jù)圖3所示的所選的電流方向，下面的不同模式的狀態(tài)或者性能方程式都能在下面發(fā)現(xiàn)：4.2穩(wěn)態(tài)分析穩(wěn)態(tài)分析旨在為轉(zhuǎn)換器建立模型，從而獲得一個與交直流升降壓轉(zhuǎn)換器相似等效電路。圖4顯示了在一個完整的開關(guān)循環(huán)期間相應(yīng)的連續(xù)和非連續(xù)的電感電流和電壓波形?；趯Ω唛_關(guān)頻率的使用，假設(shè)輸入電壓在開關(guān)周期為常數(shù)。電感電壓VL在充電模式期間是輸入電壓V，在放電模式期間是輸出電壓V0。因?yàn)楹愣?/p>

11、的開關(guān)頻率和近似穩(wěn)態(tài)的開關(guān)轉(zhuǎn)換器分析，在每一個開關(guān)循環(huán)平均電感電壓能夠求出斷路器的占空因數(shù)D函數(shù)(a)連續(xù)型運(yùn)轉(zhuǎn)(b)非連續(xù)型運(yùn)轉(zhuǎn)圖4 一個開關(guān)周期電感電壓與電流波形這里的V(t)和V0(t)是平均調(diào)整電壓和直流轉(zhuǎn)換器在一個開關(guān)周期之間的輸出電壓。兩個電壓是各自獨(dú)立的，假設(shè)V0(t)與V(t)極性相反。電感電壓可以由此求得這里的iL(t)是每個開關(guān)周期的平均電感電流。電感電流即在放電模式期間產(chǎn)生輸出電流是由輸入電流在充電模式期間引起的。因此，便可以得出下列關(guān)于輸入和輸出電流的關(guān)系：這里的is(t)和i0(t)分別表示在一個開關(guān)周期里面的平均輸入電流和平均輸出電流。從方程式(17)和(18)可以

12、得到下面的關(guān)系式：把方程式(20)代入(21)得到方程式(22)表示了如圖5所示的一個交直流降壓升壓轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)態(tài)等效電路。從圖中可以得到下面的電流關(guān)系式：一定要注意的是輸出電容一定要充分的大以使輸出直流電壓變得平滑，使其頻率在兩倍輸入頻率處上下波動，就像傳統(tǒng)橋式整流器一樣。在穩(wěn)態(tài)為了務(wù)必獲得一個大的輸出電容，假設(shè)輸出電壓V0(t)和電流i0(t)的平均值是常數(shù)；方程式(22)的第二個代數(shù)式假設(shè)等于0；這樣考慮到輸入電壓就可以得到輸出電壓的轉(zhuǎn)移函數(shù)如下上面的等式可以推導(dǎo)一個關(guān)于輸出電壓和直流整流電壓之間的關(guān)系。從方程式(24)可以看出擬建的整流器，當(dāng)占空因數(shù)D0.5時工作在遞升模式，D0.5時工

13、作在遞降模式。當(dāng)D0.5時，輸出電壓與直流整流電壓相等。 實(shí)際上工作模式3的時間間隔非常短，只有如本文描述的在開關(guān)頻率足夠高的情況下才存在這種情況。忽略模式3的工作就如在圖1所示的交直流轉(zhuǎn)換器可以用圖5所示的直流等壓電路來表示，轉(zhuǎn)換器可以被一種完全的整流輸出電壓V(t)且D是開關(guān)元件的占空因數(shù)的直流直流轉(zhuǎn)換器來替代。一種升壓降壓調(diào)整器提供一種高于或者低于輸入電壓的補(bǔ)償電壓，所以該調(diào)整器被稱為升降壓。這種轉(zhuǎn)換器也被稱為反向轉(zhuǎn)換器，因?yàn)檩敵鲭妷簶O性跟其整流階段輸入電壓極性相反。圖5 交直流升降壓轉(zhuǎn)換器的相似等效電路圖5 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果仿真研究：正如在分析里面所知，假設(shè)轉(zhuǎn)換器工作由理想的電路元件組成

14、且其轉(zhuǎn)化處于理想狀態(tài)。方程式(6)-(16)是采用數(shù)學(xué)上的第四種容格庫塔法描述了轉(zhuǎn)換器的所有工作模式。為確保工作模式之間正確的轉(zhuǎn)換，態(tài)變數(shù)的初始條件在每個模式開始的時候就由上一態(tài)變數(shù)的結(jié)果計算出來。基于MATLAB-SIMULINK軟件的仿真結(jié)果被加以采用且該結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相差很小。為了檢驗(yàn)工作原理的可行性和理論結(jié)果的正確性，一個額定2.2KW(220V,10A)的小功率原型在實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)。PWM交直流升降壓轉(zhuǎn)換器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功率回路如圖表1所示。它由以下幾個部分組成：主功率回路，一個PSB35/14(1400V，35A)二極管橋式整流器，一個MG50J2YS1(600V，50A)絕緣柵型場效應(yīng)

15、管(IGBT)作為開關(guān)元件，一個額定功率為1.25KW的直流電動機(jī)，一個180V，8.6A，735rpm的發(fā)電機(jī)與之相配作為電動機(jī)的負(fù)載。選擇一個的輸出電容來得到一個近似的輸出電壓波形圖。仿真實(shí)驗(yàn)性的主回路常數(shù)和條件羅列在表格1中。開關(guān)頻率為1.8Hz。占空因數(shù)為0.8額定電壓180V的電動機(jī)最大交流供應(yīng)電壓為70.69V。表格 1仿真電路與測試電動機(jī)參數(shù)參數(shù)符號數(shù)值最大輸入電壓輸入頻率開關(guān)頻率電容電樞電阻電樞電感電動機(jī)常數(shù)電感轉(zhuǎn)動慣量VsmffsCRmLmKmLJ70.69V50Hz1.8KHz6.0mH2.11V(rad/s)95.8mH0.25kgm2通過仿真實(shí)驗(yàn)估算得到且由占空因數(shù)決定

16、的平均輸出電壓特性在圖6中用曲線表示出來。從圖中可以看到可以通過調(diào)節(jié)占空因數(shù)把輸出電壓從0調(diào)節(jié)到比最大輸入峰值電壓還大的值。平均輸出電壓與占空因數(shù)的變化密切相關(guān)且平均輸出電流因?yàn)橐驍?shù)(1-D)總是小于電感電流。這里需要圖表注意，在沒有一個轉(zhuǎn)化裝置的情況下升降壓轉(zhuǎn)換器提供的輸出電壓極性相反且其高效率是因?yàn)椴捎昧硗鈫伍_關(guān)元件。圖7說明了電動機(jī)轉(zhuǎn)速隨著占空因數(shù)的變化而變化的情況。能夠通過控制占空因數(shù)來進(jìn)行寬圍的速度控制。從圖6中可以看出，輸出電壓隨著占空因數(shù)的變化而變化。占空因數(shù)從0到0.9之間變化時輸出電壓在0到410V之間隨之變化。在實(shí)驗(yàn)過控制占空因數(shù)在0到0.8之間與額定的電動機(jī)電壓控制輸出電

17、壓在0到180V 之間。同樣，在圖7中可以看到電動機(jī)速度值理論和實(shí)驗(yàn)但中都受控于占空因數(shù)。電動機(jī)速度為0時對應(yīng)的D=0，而電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速765rpm所對應(yīng)的D0.8。圖6證明了擬建的模型包括遞升遞降運(yùn)轉(zhuǎn)。 圖 6 計算和實(shí)驗(yàn)上輸出電壓的變化曲線圖 7 計算和實(shí)驗(yàn)上的電動機(jī)速度變化曲線圖8說明了實(shí)驗(yàn)得出的穩(wěn)態(tài)電壓和電流波形。如圖8b所示，使用一個比大的電容加以代替來使得電動機(jī)電流連續(xù)和自由波形。電感電流也是連續(xù)的。在充電模式(模式1)電感電流逐漸升高，在放電模式(模式2)逐漸下降。在模式3由于高開關(guān)頻率的使用電感電流消失。然而，輸入電流是離散的，在充電模式它等于電感電流；在放電模式它等于0。圖8

18、 實(shí)驗(yàn)電壓和電流波形(a)電樞電壓;(b)電樞電流；(c)電感電壓；(d)電感電流 圖9說明了電動機(jī)電壓，電感電流，輸入電流，轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)轉(zhuǎn)速各自分別具有短暫的迅速爬升特性。根據(jù)由方程式(6)到(16)描述的數(shù)學(xué)模型計算當(dāng)空戰(zhàn)因數(shù)為0.8且一般負(fù)載轉(zhuǎn)矩(8.5Nm)的結(jié)果與從MATLAB-SIMULINK軟件得出的結(jié)果相比較。計算和仿真的特性不同之處主要有開關(guān)元件損失，但損失不會計算在分析模型當(dāng)中。圖 9比較計算和仿真爬升特性(a)電樞電壓;(b)電樞電流;(c)電感電流(d)輸入電流(e)轉(zhuǎn)矩(f)電動機(jī)轉(zhuǎn)速圖10和11說明了在穩(wěn)態(tài)時電動機(jī)的這種瞬變特性取決與電動機(jī)的瞬加載荷。圖10 說明了

19、計算系統(tǒng)對轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)以與電動機(jī)轉(zhuǎn)速從半載狀態(tài)(8.5Nm)到空載運(yùn)行只需2秒。電動機(jī)轉(zhuǎn)速從765rpm升到815rpm。從圖11可以看出，以下改變負(fù)荷轉(zhuǎn)矩有半載改為滿載也是2秒，電動機(jī)轉(zhuǎn)速由765rpm下降到710rpm。這兩組結(jié)果都是在空占因數(shù)為0.8時所得出的。同樣，從圖12可以看出，改變空占因數(shù)也會改變電動機(jī)穩(wěn)態(tài)特性。它說明了當(dāng)空占因數(shù)在兩秒由0.8變?yōu)?.7時電動機(jī)電樞電壓和電動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化。平均電樞電壓由空占因數(shù)為0.8時的180V下降到空占因數(shù)為0.7時的105V，而平均電動機(jī)轉(zhuǎn)速由空占因數(shù)為0.8時的765rpm下降到空占因數(shù)為0.7時的423rpm。圖10空占因數(shù)為0.8時負(fù)載

20、轉(zhuǎn)矩從8.5Nm 圖11 空占因數(shù)為0.8時負(fù)載轉(zhuǎn)矩由8.5Nm在2秒下降到空載：(a)轉(zhuǎn)矩；(b)電動機(jī)轉(zhuǎn)速 在2秒上升到17Nm：(a)轉(zhuǎn)矩;(b)電動機(jī)轉(zhuǎn)速 討論的升降壓轉(zhuǎn)換器的方案對例如功率供應(yīng)和電動機(jī)驅(qū)動的中小功率應(yīng)用是合適的。它也可以用于直流電動機(jī)的啟動來限制啟動電流在期望值以下。其方法是通過在啟動階段控制空占因數(shù)來保證必需的電樞電壓。6結(jié)論本文介紹了一個穩(wěn)態(tài)等效電路和一個關(guān)于單相的采用標(biāo)準(zhǔn)PWM控制技術(shù)的直流伺服電動機(jī)升壓降壓型交直流轉(zhuǎn)換器的動態(tài)模型。討論和求證了電動機(jī)電壓、電流波形圖，電感電流波形圖以與轉(zhuǎn)換器的輸入輸出特性。聯(lián)系緊密地對測試，仿真與計算加以闡述，并證明了該模型是

21、準(zhǔn)確和切實(shí)有效的。研究了在啟動期間和那些處于穩(wěn)態(tài)電動機(jī)基于突變負(fù)載時的瞬時現(xiàn)象，以與空占因數(shù)對電動機(jī)穩(wěn)態(tài)特性的影響。對于那些大于峰值電壓的有用補(bǔ)償，電壓直流升壓降壓型交直流轉(zhuǎn)換器尤其適合作為前端電源。它在變速驅(qū)動當(dāng)中去轉(zhuǎn)換有效補(bǔ)償電壓成為一個可變直流串聯(lián)單相或者三相的可用電源。參考文獻(xiàn)1 S.B. Dewan, Input and output filters for a single-phase rectifier powersupply, IEEE Trans. Ind. Appl. IA-17 (32) (1981) 282.2 A.R. Prasad, P.D. Ziogas, S.

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