一种基于双极性斩波电路控制直流电机调速的研究

ｌ　匐　出　一种基于双极性斩波电路控制直流电机调速的研究　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ＤＣ　ｍｏｔｏｒ　ｓｐｅｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｂｉｐｏｌａｒ　ｃｈｏｐｐｅｒ＿ｃｉｒｃｕｉｔ　吴德明　ＷＵ　Ｄｅ—ｍｉｎｇ　（重庆电子工程职业学院，重庆４０１３３１）　摘　要：双极性斩波电路在电动汽车、电力机车、储能系统、电能质量调节以及可再生能源发电等领域　具有广阔的应用前景。本文紧密围绕双极性ＤＣ—ＤＣ变换器的电路结构、ＰＷＭ技术、直流电饥　与ＤＣ—ＤＣ电路输入端电源之间的能量转换以及ＤＣ—ＤＣ电路输出电压与控制信号的线性关系等　问题进行系统深入的研究。　关键词；ＰＷＭ技术；ＤＣ—ＤＣ电路；输出电压；线性关系；占空比　中图分类号：ＴＭ３３　文献标识码：Ａ　文章编号：１　００９—０１　３４（２０１　３）１１（ｉ－）一０００９—０３　Ｄｏｉ：１　０．３９６９／Ｊ．ｉｓｓｎ．１　００９－０１　３４．２０１　３．１１（上）．０３　０引言　变化，经过滤波器后就能得到大小可调的直流电　双极性斩波电路是复合式ＤＣ—ＤＣ变换器的一　压。如果载波Ｕ。的频率越高，得到的ＰＷＭ信号频　种，它作为直流电动机的电源，可使电动机实现　率就高，则开关器件的通断频率就高，就越容易　四象限运行。近年来随着电力电子技术、微电子　得到纹波小的直流电压。调节直流调制信号Ｕ　的大　技术、自动控制技术的发展和电力电子器件的功　小，就可以改变ＰＷＭ波脉冲的宽度。　率化发展，在ＤＣ—ＤＣ变换电路中应用ＰＷＭ控制技　２双极性ＤＣ－ＤＣ电路控制直流电机　术，实现了对直流电力机车、电动汽车直流电机　四象限运行　调速的有效控制，双极性斩波电路控制直流电机调　速在生产实践中的应用日益广泛，这种控制方式可　使输出电压平均值Ｕ　随控制信号ｕｒ线性变化。　１　ＰＷＭ的控制原理　ＰＷＭｍｔ脉冲宽度调制，是英文“Ｐｕｌｓｅ　Ｗｉｄｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ”的缩写，简称脉宽调制。ＰＷＭ控制　技术是以采样控制理论中的一个重要结论“冲量　图１双极性ＤＣ—ＤＣ电路　相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上　双极性电压开关ＰＷＭ控制是输入幅度不变的　时，其效果基本相同”为理论基础，对半导体开　直流电压Ｕ　，在不同的控制方式下，输出是幅度　关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一　和极性均可变的直流电压Ｕ　。双极性ＤＣ—ＤＣ电路　系列幅值相等而宽度不等的脉冲，用这些脉冲来　由两个半桥ＤＣ—ＤＣ电路组成，如图１所示。Ｔ　、　代替直流、正弦波或其他所需要的波形。按一定　Ｔ３和Ｔ　、Ｔ　成对作ＰＷＭ控制，并且Ｔ，、Ｔ　和Ｔ　、　规则对各脉冲的宽度进行调制，既可控制电力电　Ｔ　的驱动脉冲工作在互补状态（图３），即在Ｔ，、　子电路输出电压的大小，也可改变输出电压的波　Ｔ，导通时，Ｔ２、Ｔ　关断；在Ｔ２、Ｔ４导通时，Ｔ　、Ｔ３　形和频率。　关断，Ｔ　、Ｔ３和Ｔ　、Ｔ　交替导通和关断。双极性　用等腰三角载波Ｕ　与直流调制信号（控制信　ＤＣ—ＤＣ电路在两种工作状态、四种工作模式下工　号）Ｕｒ进行调制，所得到的便是与直流调制信号　作。对应的电压、电流波形如图３所示。　等效的ＰＷＭ信号Ｕ　。利用Ｕ　对ＤＣ．ＤＣ变换电路中　１）工作模式一，ｔ　时Ｔ　、Ｔ，同时　开关器件的通断进行控制，使输出端Ｕ。得到一系　驱动导通，Ｔ：、Ｔ　关断，电流ｉ。　自电源　列幅值相等的方波，这些方波的频率不变而宽度　ｕｄ十一Ｔ１一Ｒ—Ｌ—ＥＭ—Ｔ３一Ｕｄ一，电感Ｌ的电流上　收稿日期：２０１３－０８－１４　基金项目：重庆市教委科学技术项目：大型风电齿轮箱耦合非线性动态特性分析与可靠性稳健优化设计（ＫＪ１３２２０５）　作者简ｆｆ：吴德明（１９６３一），男，重庆涪陵人，副教授，本科，研究方向为机电设备控制、电力电子技术和机器人技术。　第３５卷第１１期２０１３－１１（上）　【９】　ｌ　匐　化　升，ｅＬ和ＥＭ极性如图２（ａ）所示。　卜　ｊ２　Ｉ－ｔ￣ｌｔ３　（ａ）工作模式一　卜　卜　（ｂ）工作模式二　卜“ｊ　卜Ｕｌｉ３　（Ｃ）工作模式三　叫　毒Ｄ，　一¨一　“…　＜ｒ．　　卒Ｄ．蜘　ｊ　　卜　ｐ　（ｄ）工作梗式四　图２双极性ＤＣ—ＤＣ电路工作模式　２）工作模式二，在ｔ２时Ｔ。、Ｔ３关断，Ｔ２、Ｔ４驱　动，因电感电流不能立即为０，这时电流ｉ。　的通路　是Ｕｄ一一Ｄ４一Ｒ—Ｌ—ＥＭ—Ｄ２一ｕｄ＋，电感Ｌ的电流　下降。因为电感经Ｄ：、Ｄ　续流，短接了Ｔ：和Ｔ　，Ｔ　和Ｔ４虽已经被触发，但是并不能导通。ｅ　和ＥＭ极性　如图２（ｂ）所示。　在模式一和模式二时，电流ｉ。的方向是　Ａ—Ｂ，电动机正转，设Ｔ　、Ｔ　导通时间为Ｔ　关　断时间为Ｔ。行。在Ｔ　导通时Ａ点电压为＋Ｕ　，Ｔ，导　通时Ｂ点电压为一Ｕ　，因此ＡＢ间的输出平均电压　为：　。＝等　一等　：争　一　…　＝（二　一１）【，ｄ＝（２　ｌ一１）　ｄ　式中，　１＝　／　是第一组开关的占空比　［１ｏ１　第３５卷第１１期２０１３—１１（上）　（第二开关的占空比为０ｃ，＝ｌ一０ｃ　）。　在Ｔ。　＝Ｔ时，０ｃ１＝１；在Ｔ。　＝０时，　１＝０，　可见，第一组开关占空比的调节范围为０　０ｃ，　ｌ　（当然，第二组开关占空比的变化范围也为　０　０ｃ，　１）。在模式一、二情况时，ｔ。　＞Ｔ／２，　＞０．５，Ｕｏ＞０，电动机正转，电压电流波形如　图３（ａ）所示。　ｌ　ｌ　｛　２“　Ｉ　ｌ　ｆ。　一占一　　一　　一：　ｌ　ｌ　；　Ｊ　ｒ　０　　：ｊ．＋　ｄ　“　　０　一　ｏ　ｔＯｌ，＼ｌｏ２；ｉ　０【————————————　————————　——．．—————．——　———————　正Ｄ２Ｄ４　（ａ）正向电流（电机正转）　Ｍ　ｌ　ｌ　Ｉ　“Ｆ２“　￡ｌ　ｆ２　’　Ｉ　Ｉ　Ｉ　一　“０　一　＇　＋　０　一　ｚ０　０　Ｉ里　：墨王：呈　：　Ｉ／　（ｂ）反向电流（电机反转）　“　Ｍ　ｌ　ｌ　Ｉ　ｌ　三　Ｆ２　ｌ￡ｌ　２　ｉ　Ｉ　ｉ　ｆ　ｊ　—　Ｕ０　－　－　＇　＋　ｄ　ｆ　０　一　０　０　（ｃ）零电流（电机停止）　图３电动机正反转控制波形　务ｌ　３）工作模式三，如图２（Ｃ）所示。如果　一匐　似　从式（１）式可知，　的大小和极性只受占空　０　ｌ　０ｃ＜０，Ｕ０＜０，即ＡＢ间电压反向，在Ｔ２、Ｔ４　被驱动导通后，　ｉ。　的流向是　比　１的控制，而与输出电流　无关。在直流电机　的驱动中，可方便地实现可逆调速，并且输出电　压平均值　与　，线性变化。根据图４可写出等腰　三角波表达式：　一Ｕｄ＋一Ｔ２一ＥＭ—Ｌ—Ｒ—Ｔ４一ｕ　一，电感Ｌ的电流反向　上升，ｅＩ和ＥＭ极性如图２（ｃ）所示，电动机反转。　４）工作模式四，如图２（ｄ）所示。在电动机反　×　（０　＜Ｔ／４）　（２）　转状态，如果Ｔ：、Ｔ　关断，电感Ｌ电流要经Ｄ　和Ｄ　续　流，ｉ０４的流向是Ｕｄ一一Ｄ３一ＥＭ—Ｌ—Ｒ—Ｄ１一Ｕｄ十，　电感Ｌ电流反向下降。　在模式三和模式四时，电流ｉ。的方向是　Ｂ—Ａ，电动机反转。ＡＢ间的输出平均电压仍为　丁　０＝二　ｄ一　Ｕｄ＝（２　ｌ一１）　ｄ，　只是，　』　』　ｔ。　＜ｒ／２，ＣＺ】＜０．５，Ｕ　＜０，电动机反转，电　压电流波形如图３（ｂ）所示。　可见，该ＤＣ—ＤＣ电路的输出电压可在－Ｕ　到　＋Ｕ　之间变化，这是双极性ＤＣ－ＤＣ电路的特点。　３　ＤＣ—ＤＣ电路的输出电压平均值随　控制信号线性变化　ＤＣ—ＤＣ电路采用ＰＷＭ控制，是将具有正负值　的等腰三角形载波　与直流控制信号（调制信　号）Ｕ，在比较器中进行比较，比较器输出ＰＷＭ的　驱动信号去控制ＤＣ—ＤＣ电路开关管工作。　Ｏ　图４双极型电压ＰＷＭ控制输出波形　在ｔ＝ｔ１时，　，＝　。，式（２）可写成：　ｔ　Ｕｒ＝Ｕｃｍ×　（３）　观察图４的波形可知，第一组开关管Ｔ。、Ｔ：开　通的时间ｔ。　为：　ｆ　＝２ｆ１＋　（４）　考虑到式（３）和式（４），可得第一组开关　管占空比为：　，：　：　（１＋　）　（５）　２　将式（５）代入式（１）可得：　０＝　＝ｋｕ，　（６）　Ｕ　式中，ｋ＝Ｕｄ／　为常数。　很明显，在ＰＷＭ控制方式中该ＤＣ—ＤＣ电路输　出电压的平均值　随控制信号Ｕ，线性变化。　４结束语　对于直流电机，采用ＰＷＭ控制技术构成的无　级调速系统，起停时对直流系统无冲击，并且具　有启动功耗小、运行稳定的特点。双极性ＤＣ—ＤＣ　电路输出电流ｊｏ可正可负，在Ｉ　＞０时，直流电　源　向负载端传送能量；在Ｉ。＜０时，负载向直　流电源　端传输能量。　参考文献：　【ｌ】浣喜明，姚为正．电力电子技术【Ｍ】．北京：高等教育出版　社，２０１１．　【２】洪乃刚．电力电子技术基础【Ｍ］．北京：清华大学出版　社，２００８．　【３】卢伟国，周雒维，罗全明．反馈稳定控制电流模式ＤＣ／ＤＣ　变换器［Ｊ】＿电工技术学报，２０１１（３）：８０—８７．　［４】汤才刚，红涛，李莉，陈国桥．基于ＰＷＭ的逆变电路分析【Ｊ１．　现代电子技术，２００８（１）：１５９—１６０＋１６３．　第３５卷第１１期２０１３—１１（上）　［１１１