摘要：本文介紹了一種基于脈沖寬度調(diào)制信號，采用H橋?qū)χ绷麟姍C進行調(diào)壓調(diào)速的驅(qū)動電路，利用PWM調(diào)節(jié)導通時間來改變輸出波形的寬度，從而達到調(diào)壓調(diào)速的目的。本文的電力電子設計中采用的二極管的橋式連接和絕緣柵型三極管構(gòu)成的橋式連接，來調(diào)節(jié)直流電機可逆，控制寬度調(diào)節(jié)輸出波形的時間，來實現(xiàn)調(diào)速。通過實驗仿真，本系統(tǒng)滿足了可逆和調(diào)速功能。

關(guān)鍵詞：調(diào)速；可逆；脈寬調(diào)制；H橋驅(qū)動電橋；

0引言

PWM控制技術(shù)以其控制簡單，靈活和動態(tài)響應好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)最廣泛應用的控制方式，也是人們研究的熱點。由于當今科學技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振波開關(guān)技術(shù)將會成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。式，其根據(jù)相應載荷的變化來調(diào)制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來實現(xiàn)晶體管或MOS管導通時間的改變，從而實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字信號對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)。

脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方脈沖寬度調(diào)制是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域。中脈沖寬度調(diào)制是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。

自從全控型整流電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器—直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。PWM系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：

主電路線路簡單，需用的功率器件少；

開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較?。?/p>

低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達1：10000左右；

若與快速響應的電動機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗干擾能力強；

功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導通損耗小，當開關(guān)頻率適當時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)效率因數(shù)比相控整流器高。

1直流電機工作原理

通電導體在磁場中會受到電磁力的作用--電磁力定律。電動機就是應用這個定律工作的。下圖為直流電動機的原理圖。

圖1直流電機原理圖

電樞繞組通過電刷接到直流電源上，繞組的旋轉(zhuǎn)軸與機械負載相聯(lián)。電流從電刷A流入電樞繞組，從電刷B流出。電樞電流Ia與磁場相互作用產(chǎn)生電磁力F，其方向可用左手定則判定。這一對電磁力所形成的電磁轉(zhuǎn)矩T，使電動機電樞逆時針方向旋轉(zhuǎn)。如上圖a所示。

當電樞轉(zhuǎn)到上圖b所示位置時，由于換向器的作用，電源電流Ia仍由電刷A流入繞組，由電刷B流出。電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍然使電動機電樞逆時針方向旋轉(zhuǎn)。

電樞轉(zhuǎn)動時，割切磁力線而產(chǎn)生感應電動勢，這個電動勢(用右手定則判定)的方向與電樞電流Ia和外加電壓U的方向總是相反的，稱為反電動勢Ea。它與發(fā)電機的電動勢E的作用不同。發(fā)電機的電動勢是電源電動勢，在外電路產(chǎn)生電流。而Ea是反電動勢，電源只有克服這個反電動勢才能向電動機輸入電流。

可見，電動機向負載輸出機械功率的同時，電源卻向電動機輸入電功率，電動機起著將電能轉(zhuǎn)換為機械能的作用。

發(fā)電機和電動機兩者的電磁轉(zhuǎn)矩T的作用是不同的。發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩是阻轉(zhuǎn)矩，它與原動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T1的方向是相反的。電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，它使電樞轉(zhuǎn)動。電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T必須與機械負載轉(zhuǎn)矩T2及空載損耗轉(zhuǎn)矩T0相平衡，即T＝T2十T0。當電動機軸上的機械負載發(fā)生變化時，則電動機的轉(zhuǎn)速、反電動勢、電流及電磁轉(zhuǎn)矩將自動進行調(diào)整，以適應負載的變化，保持新的平衡?？梢?，直流電機作發(fā)電機運行和作電動機運行時，雖然都產(chǎn)生電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩，但兩者作用截然相反。

2PWM控制調(diào)速原理

直流電機PWM調(diào)速的基本原理圖如圖2所示?？煽亻_關(guān)S以固定的周期重復地接通和斷開，當開關(guān)S接通時，直流供電電源U通過開關(guān)S施加到直流電機兩端，電機在電源作用下轉(zhuǎn)動，同時電機電樞電感儲存能量；當開關(guān)S斷開時，供電電源停止向電動機提供能量，但此時電樞電感所儲存的能量將通過續(xù)流二極管VD使電機電樞電流繼續(xù)維持，電樞電流仍然產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩使得電機繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。開關(guān)S重復動作時，在電機電樞兩端就形成了一系列的電壓脈沖波形，如圖3所示。

電樞電壓平均值Uav的理論計算式為:

其中α為占空比，即導通時間與脈沖周期之比。

由式（1）可知，平均電壓由占空比及電源電壓決定，保持開關(guān)頻率恒定，改變占空比能夠相應地改變平均電壓，從而實現(xiàn)了直流電動機的調(diào)壓調(diào)速。

圖2簡單直流PWM控制電路

圖3電壓及電流波形

3脈寬調(diào)制變換器

在干線鐵道電力機車、工礦電力機車、城市電車和地鐵電機車等電力牽引設備上，常采用直流串勵或復勵電動機，由恒壓直流電網(wǎng)供電。過去用切換電樞回路電阻來控制電機的起動、制動和調(diào)速，在電阻中耗電很大。為了節(jié)能，并實行無觸電控制，現(xiàn)在多改用電力電子開關(guān)器件，如快速晶閘管，GTO，IGBT等。采用簡單的單管控制時，稱作直流斬波器，后來逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開關(guān)的電路，統(tǒng)稱為脈寬調(diào)制變換器。

直流斬波器-電動機系統(tǒng)的原理如圖4（a）所示，其中VT用開關(guān)符號表示任何一種電力電子器件，VD表示續(xù)流二極管。當VT導通時，直流電源電壓Us加到電動機上；當VT關(guān)斷時，直流電源與電機脫開，電動機電樞經(jīng)VD續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復，得到電樞端電壓波形u=f(t),如圖4（b）所示，好象是電源電壓Us在ton時間內(nèi)被接上，又在（T-ton）內(nèi)被斬斷，故稱為“斬波”。這樣，電動機得到的平均電壓為：

Ud=(ton/T)*Us=ρ*Us

式中T---功率開關(guān)器件的開關(guān)周期

ton---開通時間

ρ---占空比，ρ=ton/T=ton*f，其中f為開關(guān)頻率。

a）原理圖b)電壓波形圖

圖4脈寬調(diào)制變換器-電動機系統(tǒng)的原理圖和電壓波形圖

4系統(tǒng)仿真調(diào)試

直流PWM的主電路作為電能變換的功率平臺已事先做好，只需將控制板安放在主電路上方，并將主電路板上J3和J6、J7與控制板上對應的J3和J6、J7用排線相連，就可進行調(diào)試，主電路和控制電路中所有可接觸部分的電壓均在30V以下，不會出現(xiàn)電擊現(xiàn)象。為了方便調(diào)試及保證電路安全，增設調(diào)試盒一個。整個系統(tǒng)的連接關(guān)系如圖5所示。

圖5調(diào)試系統(tǒng)的組成

調(diào)試盒上面安放2個開關(guān)、2個指示燈和1個電流表，其系統(tǒng)調(diào)試合面板如圖6所示。S1用于開關(guān)總電源，L1為其上電指示。S2用于接通或斷開H橋的直流電源（可用于電機的啟停控制），L2為其上電指示。電流表M1用于檢測負載電流。主電路中H橋（即IPM模塊）前串入的電阻R1和R2，阻值各為5歐姆，用于限制短路電流，保護IPM。Ra為電機電樞回路的電流取樣電阻（阻值為1歐姆），用于觀測電樞電流的波形。

圖6系統(tǒng)調(diào)試盒的面板

在整個調(diào)試過程中，系統(tǒng)各部分均正常，電流表上的電流指示值在0.5A以內(nèi)。

5結(jié)論

脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方脈沖寬度調(diào)制是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域。本文的電力電子設計中采用的二極管的橋式連接和絕緣柵型三極管構(gòu)成的橋式連接，來調(diào)節(jié)直流電機可逆，控制寬度調(diào)節(jié)輸出波形的時間，來實現(xiàn)調(diào)速。通過實驗仿真，本控制系統(tǒng)適合電機可逆和調(diào)速功能。