矿用电机车直流拖动的PWM控制装置的设计

摘 要矿用电机车是煤矿生产中最常见的一种电机，广泛应用于煤矿领域中。研究矿用电机车的控制，对提高控制精度和安全生产、节约能源等具有重要意义。随着计算机领域及第二代电力半导体器件的发展，脉宽控制(PWM)直流调速技术在矿用直流电机中得到了广泛的应用。本设计基于PWM的双闭环直流调速系统进行了研究，并对用于矿用直流电机车的双闭环直流调速系统做了研究。第一：对矿用电机车作了简单介绍。第二：市场上用的最多的IGBT直流斩波器。它属于全控型斩波器，它的主导器件采用国际上先进的电力电子器件IGBT，该斩波器可以作为煤矿电机车的调速装置。第三：以PWM变频调速方式作为本次设计的基础理论，做出用基于SG3525的脉宽控制的H型PWM变频调速系统的整体设计，力图在每个组成单元上都达到最好的系统性能。根据本题目所设计的方向，该PWM控制系统能够根据系统变化进行自动控制，使矿用电机车维持在最佳运行状态，延长了电机车的使用寿命，提高了管理水平。其操作方便、报警及时、维护方便、运行稳定，提高了矿用电机车的适用性。关键词：矿用直流电机车； IGBT直流斩波器； SG3525PWM控制器； PWM双闭环直流调速。AbstractThe mineral is used an electrical engineering car is a kind of the most familiar electrical engineering in the coal mine production, extensively Be applied to coal mine realm in.Study the control that the mineral is used an electrical engineering car, control accuracy and safety production towards raising, economy energy etc. has important meaning.Along with the development of the calculator realm and the next generation electric power semi-conductor spare part, the vein breadth control(PWM) direct current adjusted soon a technique to use to get an extensive application in the direct current electrical engineering in the mineral.This design shuts wreath direct current to adjust according to the PWM double the system soon carried on a research, and shut wreath direct current to adjust to the double used for a mineral to use a direct current motorcycle system to soon do a research.The first:Made simple introduction with the electrical engineering car to the mineral.The second:The IGBT direct current that uses at most on the market cuts a machine.It belongs to all control a type to cut a machine, its predominant spare part adopts the electric power electronics spare part IGBT of international top forerunner, and shoulding cut a machine can be an adjusting of the coal mine narrow gauge electrical engineering car to soon equip.The third:Become by PWM repeatedly and adjust soon the way is the foundation theory of this design, do to use to become repeatedly and adjust soon according to H type PWM of the vein breadth control of SG3525 the overall design of system, the dint diagram constitutes in each one unit up all attain the best system function.According to the direction designed by subject eyes, the PWMs control system can carry on an automatic control according to the system variety and make the mineral maintain in the best movement status with the electrical engineering car, prolonged the service life of electrical engineering car and raised to manage level.Its operation convenience, report to the police in time, maintenance convenience, circulate a stability, raised the applicability that the mineral is used an electrical engineering car.Keyword:The mineral is used a direct current motorcycle;The IGBT direct current cuts a machine;SG3525 PWM controller;The PWM double shuts wreath direct current to adjust soon.目 录摘 要iAbstractii第一章绪 论1第二章 矿用电机车直流拖动的PWM控制装置的设计方案的选择3第一节 矿用电机车概述3第二节 调速方案的比较与确定3第三章 矿用电机车直流拖动的PWM控制装置的主电路设计13第一节 PWM变换器及其主电路的选择13第二节 H型PWM变换器电路的控制方式18第三节 电容滤波的三相不可控整流电路21第四节 斩波调速电路23第五节 保护电路设计24第六节 PWM控制装置的参数设计25第四章 PWM控制直流调速系统控制电路设计29第一节 PWM脉冲控制器SG352529第二节 转速、电流双闭环设计34第三节 单片机的选择43第四节 双闭环直流调速系统的启动过程分析45第五节 参数的校验47第五章 软件控制设计50第一节 控制系统软件的流程图设计50第二节 数字控制器PI程序52第三节调速系统主电路图和控制电路图55总 结57参考文献58外文文献59外文文献的中文翻译64致 谢67iii第一章 绪 论当今，自动控制系统在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着主要作用，无论是在工农业生产、交通运输、国防、航天航空；还是在日常生活中的家用电器都大量使用着各式各样的电气传动系统。为了满足运行、生产、工艺的要求往往需要对另一类设备如风机、水泵等进行控制，为了减少运行损耗，节约电能也需要对电机进行调速。我国煤矿电机车仍然以直流驱动为主。其电机为直流串激电机为主,因为直流串激电机具有良好的牵引特性,其转速随负载转矩的增加相应降低。其调速方式主要是主回路串电阻法和直流斩波器调速法。主回路串电阻调速优点是调速方式简单,缺点是能耗大、有级调速、调速器维修量大等。随着电力电子器件IGBT的问世,可将煤矿电机车的调速方式改为直流斩波调速。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。30年代末期，发电机-电动机系统的出现才使调速性能优异的直流电动机得到广泛应用。这种控制方法可获得较宽的范围，较小的转速变化率和调速性能。但此方法的主要缺点是系统重量大，占地多，效率低及维修困难。近年来，随着电力电子的迅速发展，有晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统以取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能远远超过了发电机-电动机调速系统。特别是大规模集成电路技术以及计算机的飞速发展，使直流电动机调速系统的精度，动态性能，可靠性有了更大的提高。电力电子技术中的IGBT等大功率器件的发展取代晶闸管，出现了性能更好的直流调速系统。随着微控制器尤其是脉宽调制 PWM 专门控制芯片的飞速发展, 其对电机控制方面的应用起了很重要的作用, 为设计性能更高的直流控制系统提供了基础。本设计对基于单片机的直流电机 PWM 调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了单闭环直流 PWM调速系统的数学模型。用单片机硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将单片机和电力拖动控制相结合的新的控制方法，设计的研究在对控制对象全面回顾的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨。在硬件方面充分利用微机外设接口丰富，运算速度快的特点，采取软件和硬件相结合的措施，实现对转速闭环调速系统的控制。在微机控制方面，讨论了显示、PWM、光电编码盘测速的原理,并给出了软、硬件实现方案。该方案以驱动芯片与一些外围电路。通过实时测试，调节电动机的转速，此调速系统可获得快速、精确的调速效果。 第二章 矿用电机车直流拖动的PWM控制装置的设计方案的选择第一节 矿用电机车概述一、矿用电机车简单介绍矿用电机车是轨道车辆运输的一种牵引设备，按使用的动力分，有电机车和内燃机车。牵引电机(或内燃机)驱动车轮转动，借助车轮与轨面间的摩擦力，使机车在轨道上运行。这种运行方式，它的牵引力不仅受车轮与轨面间的摩擦制约，还受牵引电机(或内燃机)功率的限制。架线式电机车运行时，受电弓与架空线间难免发生火花。因此架线式电机车只能在低沼气矿井进风的主要运输巷道内使用，巷道支护必须使用不燃性材料，如在高沼气矿井进风的主要运输巷道内使用架线式电机车，必须遵守相关规定。蓄电池式电机车由车上携带的蓄电池供电，运输线路不受限制，但需要充电设施，蓄电池放电到规定值时需更换。采用双驾驶室能解决这一不安全因素，现在已有双驾驶室蓄电池式电机车。二、矿用电机车的工作过程1架线式电机车的工作过程高压交流电经牵引变流所降压、整流后，正极接到架空线上，负极接到铁轨上。机车上的受电弓与架空线接触，将电流引入车内，再经空气自动开关、控制器、电阻箱进入牵引电动机，驱动电动机运转。电动机通过传动装置带动车轮转动，从而牵引列车行驶。从电动机流出的电流经轨道流回变流所。 2蓄电池式电机车的工作过程蓄电池提供的直流电经隔爆插销、控制器、电阻箱进入电动机，驱动电动机运转。电动机通过传动装置带动车轮转动，从而牵引列车行驶。第二节 调速方案的比较与确定一、矿用电机车直流机的调速方法有三种 1调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。 2改变电动机主磁通。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。变化时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。 3改变电枢回路电阻R。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主速。改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：1旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。2静止可控整流器。用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。3直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。由于旋转变流机组缺点太多，采用汞弧整流器和闸流管这样的静止变流装置来代替旋转变流机组，形成所谓的离子拖动系统。离子拖动系统克服旋转变流机组的许多缺点，而且缩短了响应时间，但是由于汞弧整流器造价较高，体积仍然很大，维护麻烦，尤其是水银如果泄漏，将会污染环境，严重危害身体健康。目前，采用晶闸管整流供电的直流电动机调速系统（即晶闸管电动机调速系统，简称V-M系统，又称静止Ward-Leonard系统）已经成为直流调速系统的主要形式。但是，晶闸管整流器也有它的缺点，主要表现在以下方面：1晶闸管一般是单向导电元件，晶闸管整流器的电流是不允许反向的，这给电动机实现可逆运行造成困难。必须实现四象限可逆运行时，只好采用开关切换或正、反两组全控型整流电路，构成V-M可逆调速系统，后者所用变流设备要增多一倍。2晶闸管元件对于过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt十分敏感，其中任意指标超过允许值都可能在很短时间内元件损坏，因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还应保留足够的余量，以保证晶闸管装置的可靠运行。3晶闸管的控制原理决定了只能滞后触发，因此，晶闸管可控制整流器对交流电源来说相当于一个感性负载，吸取滞后的无功电流，因此功率因素低，特别是在深调速状态，即系统在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使得系统的功率因素很低，并产生较大的高次谐波电流，引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备。如果采用晶闸管整流装置的调速系统在电网中所占容量比重较大，将造成所谓的“电力公害”。为此，应采取相应的无功补偿、滤波和高次谐波的抑制措施。4晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，而且脉波数总是有限的。如果主电路电感不是非常大，则输出电流总存在连续和断续两种情况，因而机械特性也有连续和断续两段，连续段特性比较硬，基本上还是直线；断续段特性则很软，而且呈现出显著的非线性。由于以上种种原因，所以选择了脉宽调制变换器进行改变电枢电压的直流调速系统。二、PWM控制的调速系统PWM控制的基本原理实质上是用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存于微机中，通过查表的方式生成PWM信号来控制开关器件的通断。即把脉冲宽度进行调制的一种直流斩波器，脉宽调制，是利用电力电子开关器件的导通与关断，将直流电压变成连续的直流脉冲序列，并通过控制脉冲的宽度或周期以达到变压的目的。PWM控制的实现方法有以下几种：1等面积法该方案实际上就是PWM法原理的直接阐释，用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替正弦波，然后计算各脉冲的宽度和间隔，并把这些数据存于微机中，通过查表的方式生成PWM信号控制开关器件的通断，以达到预期的目的。由于此方法是以PWM控制的基本原理为出发点，可以准确地计算出各开关器件的通断时刻，其所得的的波形很接近正弦波，但其存在计算繁琐，数据占用内存大，不能实时控制的缺点。2硬件调制法硬件调制法是为解决等面积法计算繁琐的缺点而提出的，其原理就是把所希望的波形作为调制信号，把接受调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角波作为载波，当调制信号波为正弦波时，所得到的就是PWM波形。其实现方法简单，可以用模拟电路构成三角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时刻对开关器件的通断进行控制，就可以生成PWM波。但是，这种模拟电路结构复杂，难以实现精确的控制。3软件生成法由于微机技术的发展使得用软件生成SPWM波形变得比较容易，因此，软件生成法也就应运而生。软件生成法其实就是用软件来实现调制的方法，其有两种基本算法，即自然采样法和规则采样法。4自然采样法以正弦波为调制波，等腰三角波为载波进行比较，在两个波形的自然交点时刻控制开关器件的通断，这就是自然采样法。其优点是所得SPWM波形最接近正弦波，但由于三角波与正弦波交点有任意性，脉冲中心在一个周期内不等距，从而脉宽表达式是一个超越方程，计算繁琐，难以实时控制。5规则采样法规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，一般采用三角波作为载波。其原理就是用三角波对正弦波进行采样得到阶梯波，再以阶梯波与三角波的交点时刻控制开关器件的通断，从而实现SPWM法。当三角波只在其顶点（或底点）位置对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期（即采样周期）内的位置是对称的，这种方法称为对称规则采样。当三角波既在其顶点又在底点时刻对正弦波进行采样时，由阶梯波与三角波的交点所确定的脉宽，在一个载波周期（此时为采样周期的两倍）内的位置一般并不对称，这种方法称为非对称规则采样。规则采样法是对自然采样法的改进，其主要优点就是是计算简单，便于在线实时运算，其中非对称规则采样法因阶数多而更接近正弦。其缺点是直流电压利用率较低，线性控制范围较小。以上两种方法均只适用于同步调制方式中。6低次谐波消去法低次谐波消去法是以消去PWM波形中某些主要的低次谐波为目的的方法。其原理是对输出电压波形按傅氏级数展开，表示为u（t）=ansinnt，首先确定基波分量a1的值，再令两个不同的an=0，就可以建立三个方程，联立求解得a1，a2及a3，这样就可以消去两个频率的谐波。该方法虽然可以很好地消除所指定的低次谐波，但是，剩余未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大，而且同样存在计算复杂的缺点。该方法同样只适用于同步调制方式中。7.梯形波与三角波比较法前面所介绍的各种方法主要是以输出波形尽量接近正弦波为目的，从而忽视了直流电压的利用率，如SPWM法，其直流电压利用率仅为86.6。因此，为了提高直流电压利用率，提出了一种新的方法-梯形波与三角波比较法。该方法是采用梯形波作为调制信号，三角波为载波，且使两波幅值相等，以两波的交点时刻控制开关器件的通断实现PWM控制。由于当梯形波幅值和三角波幅值相等时，其所含的基波分量幅值已超过了三角波幅值，从而可以有效地提高直流电压利用率。但由于梯形波本身含有低次谐波，所以输出波形中含有5次、7次等低次谐波。三、PWM系统在很多方面具有较大的优越性1PWM调速系统主电路线路简单，需用的功率器件少。2开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。3低速性能好，稳速精度高，调速范围广，可达到1：10000左右。4如果可以与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，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整流时，电网功率因数比相控整流器高。 正因为如此，变频调速很快为广大电动机用户所接受，成为了一种最受欢迎的调速方法，在一些中小容量的动态高性能系统中更是已经完全取代了其他调速方式。由此可见，变频调速是非常值得自动化工作者去研究的。在变频调速方式中，PWM调速方式尤为大家所重视，这是我们选取它作为研究对象的重要原因。四、IGBT斩波器的选择20世纪80年代，以晶闸管为功率开关器件的斩波调压调速器以其无级、高效、节能而得到大力推广，但晶闸管斩波调速器不中之处是：晶闸管一旦被触发，其关断必须依赖换流电容和换流电感振荡产生反压来实现，增加了装置的成本和换流损耗；电源电压下降还会导致换流失败，使系统的可靠性降低；此外，由于晶闸管的开、关时间比较长，加上存在换流环节，使得斩波器的工作频率不能太高（一般在300以下），电机上的力矩脉动和电流脉动比较严重，并且在深调速下谐波含量很大，电磁兼容装置能够减小谐波对其他敏感设备的影响，但其体积相对较大。随着现代电力电子技术的发展，以IGBT为代表的新型自关断电力电子器件为基础的现代直流传动系统可以较好地满足用户对系统提出的高技术要求，尤其在一些大功率、有特殊要求的使用环境，现代直流传动系统有更高的适应性。国内外已经把直流斩波器广泛地应用在电力牵引机上，例如地铁、城市无轨电车、升降机等等。利用直流斩波器能够比较容易地实现平稳起动，无级调速以及再生制动，电能损耗可大为减少。电机车通常采用串激式直流电动机传动，这是由于串激式直流电动机具有起动转矩大、过载能力强、机械特性软、有空载车速行、重载慢行的自然特点，并适用于多机并联运行。矿用电机车处在经常频繁起动、变速、制动和停车的运行工作状态下。为了提高工作效率节省电能，可采用斩波器调速，实行再生制动，把部分能量回馈给电网，节约电能将是非常可观的。新型高速大功率绝缘栅晶体管（IGBT）开关元件的问世和应用，使大功率变换器又上一个新的台阶。IGBT开关工作频率可超过音频（大于1000HZ）。耐压高，电流大，输入阻抗高（基本上是电压控制元件），导通压降低，它集功率场效应管（Power MOSFET）和大功率晶体管（GTR）的特点于一身，而且关断速度高于GTR，是目前较理想的功率开关元件。目前,市场上用的最多的IGBT直流斩波器,它是属于全控型斩波器，它的主导器件采用国际上先进的电力电子器件IGBT，由门极电压控制，从根本上克服了晶闸管斩波器及GTR 斩波器的缺点。这种斩波器既能为煤矿窄轨电机车配套的调速装置，针对不同的负载对象，做一些少量的改动又可用于其它要求供 电电压可调的直流负载上。与可控硅脉冲调速方式和电阻调速方式相比，具有明显的优点。IGBT的优点：1IGBT的开关速度高，开关损耗小。2在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。3IGBT的通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。4IGBT的输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。5与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时可保持开关频率高的特点。在众多PWM变换器实现方法中，又以H型PWM变换器更为多见。这种电路具备电流连续、电动机四象限运行、无摩擦死区、低速平稳性好等优点。因此本次设计以H型PWM直流控制器为主要研究对象。五、整流变压器变压器在生产、输送、分配和使用电能的电力系统中是一个十分重要的装置，它起着使电能传输经济、运行安全、使用方便的作用。在电力系统中，主要应用变压器作为信号传输的元件，在国民经济的各个部门，也广泛地使用各种类型的变压器，以提供特种电源或满足特殊的需要。但是在应用于实际时需要进行整流。所以引入整流变压器，整流变压器一次侧接交流电网，二次侧接连接整流装置。1 整流变压器的作用(1) 变换整流器的输入电压等级。由于要求整流器输出直流电压一定，若整流桥路的交流输入电压太高，则晶闸管运行时的触发延迟角需要较大；若整流器输入电压过低，则可能在触发延迟角最小时仍不能达到负载要求的电压额定值。所以，通常采用整流变压器变换整流器的输入电压等级，以得到合适的二次电压。(2) 利用变压器漏抗限制晶闸管导通时，整流器短路时电流上升率di/dt增大。(3) 实现电网与整流装置的电气隔离，改善电源电压波形，减小整流装置的谐波对电网的干扰。2 整流变压器的特点(1) 由于整流器的各桥臂在一周期内轮流导通，整流变压器二次绕组电流并非正弦波（近似方波），电流中含有直流分量，而一次电流不含直流分量，使整流变压器视在功率比直流输出功率大。(2) 当整流器短路或晶闸管击穿时，变压器中可能流过很大的短路电流。为此要求变压器阻抗要大些，以限制短路电流。(3) 整流变压器由于通过非正弦电流引起较大的漏抗压。六、矿用电机车的斩波调速斩波调速与液力调速的工作原理：斩波调速通过改变电机的转差，来实现电机转速的调节。由流体力学理论可知，转速减小时电机的轴功率将以其三次方的速率下降，同时将节约的电能回馈电网，因此,斩波调速的节电效果非常显著，属于高效节能的一种调速方式。液力调速是通过控制液力偶合器工作腔内工作油液的动量矩变化，来传递电动机能量并改变输出转速的，电动机通过液力耦合器的输入轴拖动其主动工作轮，对工作油进行加速，被加速的工作油再带动液力耦合器的从动工作涡轮，把能量传递到输出轴和负载，这样，可以通过控制工作腔内参与能量传递的工作油多少来控制输出轴的力矩，达到控制负载的转速的目的。液力调速属于机械控制、低效节能的一种调速方式。 斩波调速与液力调速的其他性能比较： 1 运行可靠性 当斩波调速装置出现故障时，控制系统自动将电机从调速状态切换到工频运行状态。无需停电机检修。当调速装置检修完毕，装置能直接切入调速运行状态。使整个系统运行更加可靠。但液力耦合器出现了故障，必须停电机检修，就会影响生产，给用户带来较大的经济损失。 2 调节及控制特性 液力耦合器依靠调节工作腔油量大小来改变输出转速，因此响应慢、调节精度较低。而斩波调速属于数字控制，可以实现精确控制电机的转速。 3 起动性能 采用斩波调速时，如电动机保持额定转矩起动，电网输入起动电流小于电动机额定电流的1.5倍，对于风机泵类负载，其起动电流更小。而且起动的全过程可控，起动点和爬坡时间可设置。而液力耦合器不能直接改善起动性能，起动电流将是额定电流的2倍以上，对电动机和电网的冲击相当大，造成电压短时下降，干扰其它设备运行。七、调速系统方案确定电源电路通常是由整流电路、滤波电路和稳压电路组成的，220V的交流电压通过电源插头送到变压器的初级线圈，再感应到次级线圈，次级线圈两端得到较低的交流电压，该电压经二极管桥式整流电路转换成直流电压并送到滤波电路，滤波电路对送来的有波动的直流电压进行平滑处理，经IGBT组成的直流斩波电路然后送到稳压电路进行稳压，结果稳压电路输出很稳定的直流电压供给负载，使负载在稳定的电压下正常工作。由于CW494内部有两个放大器，很容易实现电压负反馈，并且为了实现限流保护，可采用电流截止反馈，加入继电器，过电流时可切断主电路，IGBT栅极由CW494集成脉宽调制器对主电路进行控制，从而使该系统调压调速。直流电机以其良好的线性特性、优异的控制性能等特点成为大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择。特别随着计算机在控制领域和高开关频率、全控型第二代电力半导体器件的发展，脉宽调制(PWM)直流调速技术的应用，直流电机得到广泛应用。直流电动机转速的控制方法可分励磁控制法与电枢电压控制法两类。励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制；而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法，调节电阻R即可改变端电压，达到调速目的。这种传统的调压调速方法效率低。所以采用转速电流双闭环控控制，同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。另外由于单闭环速度反馈调速系统，采用PI控制器时，可以保证系统稳态速度误差为零。但是如果对系统的动态性能要求较高，如果要求快速起制动，突加负载动态速降小等，单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照要求来控制动态过程的电流或转矩。另外，单闭环调速系统的动态抗干扰性较差，当电网电压波动时，必须待转速发生变化后，调节作用才能产生，因此动态误差较大。在要求较高的调速系统中，一般有两个基本要求：一是能够快速启动制动；二是能够快速克服负载、电网等干扰。通过分析发现，如果要求快速起动，必须使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩，即最大的恒定允许电枢电流，当电枢电流保持最大允许值时，电动机以恒加速度升速至给定转速，然后电枢电流立即降至负载电流值。如果要求快速克服电网的干扰，必须对电枢电流进行调节。以上两点都涉及电枢电流的控制，所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量，即组成转速、电流双闭环调速系统。第三章 矿用电机车直流拖动的PWM控制装置的主电路设计第一节 PWM变换器及其主电路的选择一、PWM变换器介绍脉宽调速系统的主要电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。PWM变换器有不可逆和可逆两类，可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等多种电路。下面分别对各种形式的PWM变换器做一下简单的分析。1 不可逆PWM变换器分为无制动作用和有制动作用两种。图3-1（a）所示为无制动作用的简单不可逆PWM变换器主电路原理图，其开关器件采用全控型的电力电子器件。电源电压一般由交流电网经不可控整流电路提供。电容C的作用是滤波，二极管VD在电力晶体管VT关断时为电动机电枢回路提供释放电储能的续流回路。（a）原理图 （b）电压和电流波型图3-1 简单的不可逆PWM变换器电路电力晶体管VT的基极由频率为f，其脉冲宽度可调的脉冲电压驱动。在一个开关周期T内，当Error! No bookmark name given.时，为正，VT饱和导通，电源电压通过VT加到电动机电枢两端；当时，为负，VT截止，电枢失去电源，经二极管VD续流。电动机电枢两端的平均电压为 式中，PWM电压的占空比，又称负载电压系数。的变化范围在01之间，改变，即可以实现对电动机转速的调节。图3-1（b）绘出了稳态时电动机电枢的脉冲端电压、平均电压和电枢电流的波型。由图可见，电流是脉动的，其平均值等于负载电流（负载转矩， 直流电动机在额定磁通下的转矩电流比）。由于VT在一个周期内具有开关两种状态，电路电压平衡方程式也分为两阶段，即在期间 在期间 式中，R，L电动机电枢回路的总电阻和总电感；E电动机的反电动势。PWM调速系统的开关频率都较高，至少是14kHz，因此电流的脉动幅值不会很大，再影响到转速n和反电动势E的波动就更小，在分析时可以忽略不计，视n和E为恒值。这种简单不可逆PWM电路中电动机的电枢电流不能反向，因此系统没有制动作用，只能做单向限运行，这种电路又称为“受限式”不可逆PWM电路。这种PWM调速系统，空载或轻载下可能出现电流断续现象，系统的静、动态性能均差。图3-1（a）所示为具有制动作用的不可逆PWM变换电路，该电路设置了两个电力晶体管VT1和VT2，形成两者交替开关的电路，提供了反向电流的通路。这种电路组成的PWM调速系统可在第I、II两个象限中运行。VT1和VT2的基极驱动信号电压大小相等，极性相反，即。当电动机工作在电动状态时，在一个周期内平均电流就为正值，电流分为两段变化。在期间，为正，VT1饱和导通；为负，VT2截止。此时，电源电压加到电动机电枢两端，电流沿图中的回路流通。在期间，和改变极性，VT1截止，原方向的电流沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使VT2不可能导通。因此，电动机工作在电动状态时，一般情况下实际上是电力晶体管VT1和续流二极管VD2交替导通，而VT2则始终不导通，其电压、电流波型如图3-2（b）所示，与图3-1没有VT2的情况完全一样。2 如果电动机在电动运行中要降低转速，可将控制电压减小，使的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使电动机电枢两端的平均电压降低。但是由于惯性，电动机的转速n和反电动势E来不及立刻变化，因而出现的情况。这时电力晶体管VT2能在电动机制动中起作用。在期间，VT2在正的和反电动势E的作用下饱和导通，由E产生的反向电流沿回路3通过VT2流通，产生能耗制动，一部分能量消耗在回路电阻上，一部分转化为磁场能存储在回路电感中，直到t=T为止。在（也就是）期间，因变负，VT2截止，只能沿回路4经二极管VD1续流，对电源回馈制动，同时在VD1上产生的压降使VT1承受反压而不能导通。在整个制动状态中，VT2和VD1轮流导通，VT1始终截止，此时电动机处于发电状态，电压和电流波型图3-2（c）。反向电流的制动作用使电动机转速下降，直到新的稳态。这种电路构成的调速系统还存在一种特殊情况，即在电动机的轻载电动状态中，负载电流很小，在VT1关断后（即期间）沿回路2径VD2的续流电流很快衰减到零，如在图3-2（d）中的期间的时刻。这时VD2两端的压降也降为零，而此时由于为正，使VT2得以导通，反电动势E经VT2沿回路3流过反向电流，产生局部时间的能耗制动作用。到了期间，VT2关断，又沿回路4经VD1续流，到时衰减到零，VT1在作用下因不存在而反压而导通，电枢电流再次改变方向为沿回路经VT1流通。在一个开关周期内，VT1、VD1、VT2、VD1四个电力电子开关器件轮流导通，其电流波形示图3-2（d）。 (a) (b) (c) (d)图3-2 具有制动作用的不可逆PWM变换电路综上所述，具有制动作用的不可逆PWM变换器构成的调速系统，电动机电枢回路中的电流始终是连续的；而且，由于电流可以反向，系统可以实现二象限运行，有较好的静、动态性能。由具有制动作用的不可逆PWM变换器构成的直流调速系统，电动机有两种运行状态，在电动状态下，依靠电力晶体管VT1的开和关两种状态，在发电制动状态下则依靠VT2的开和关两种状态。两种工作状态下电路电压平衡方程式都分为两个阶段，情况同简单的不可逆的PWM变换器电路相同，即在期间为式，在期间为式R，只不过两种状态下电流的方向相反，即在制动状态时为。二、可逆PWM变换器主电路可逆PWM变换器主电路的结构形式有T型和H型两种，其基本电路如图3-3所示，图中（a）为T型PWM变换器电路，（b）为H型PWM变换器电路。（a）T型 （b）H型图3-3可逆PWM变换器主电路的结构T型电路由两个可控电力电子器件和与两个续流二极管组成，所用元件少，线路简单，构成系统时便于引出反馈，适用于作为电压低于50V的电动机的可控电压源；但是T型电路需要正负对称的双极性直流电源，电路中的电力电子器件要求承受两倍的电源电压，在相同的直流电源电压下，其输出电压的幅值为H型电路的一半。H型电路是实际上广泛应用的可逆PWM变换器电路，它由四个可控电力电子器件（以下以电力晶体管为例）和四个续流二极管组成的桥式电路，这种电路只需要单极性电源，所需电力电子器件的耐压相对较低，但是构成调速系统的电动机电枢两端浮地。第二节 H型PWM变换器电路的控制方式一、 可逆PWM变换器双极式可逆PWM变换器的主电路如图3-4（b）所示。四个电力晶体管分为两组，VT1和VT4为一组，VT2和VT3为一组。同一组中两个电力晶体管的基极驱动电压波形相同，即，VT1和VT4同时导通和关断；，VT2和VT3同时导通和关断。而且，和，相位相反，在一个开关周期内VT1，VT4和VT2，VT3两组晶体管交替地导通和关断，变换器输出电压在一个周期内有正负极性变化，这是双极式PWM变换器的特征，也是“双极性”名称的由来。由于电压极性的变化，使得电枢回路电流的变化存在两种情况，其电压、电流波形如图3-4所示。（a）电动机负载较重时 （b）电动机负载较轻时图3-4 双极式PWM变换器电压和电流波形如果电动机的负载较重，平均负载电流较大，在时，和为正，VT1和VT4饱和导通；而和为负，VT2和VT3截止。这时，加在电枢AB两端，电枢电流沿回路流通（见图3-4（b），电动机处于电动状态。在时，和为负，VT1和VT4截止；和为正，在电枢电感释放储能的作用下，电枢电流经二极管VD2和VD3续流，在VD2和VD3上的正向压降使VT2和VT3的c-e极承受反压而不能导通，电枢电流沿回路2流通，电动机仍处于电动状态。有关参量波形图示于图3-4（a） 如果电动机负载较轻，平均电流小，在续流阶段电流很快衰减到零，即当时，。于是在时，VT2和VT3的c-e极两端失去反压，并在负的电源电压（）和电动机反电动势E的共同作用下导通，电枢电流反向，沿回路3流通，电动机处于反接制动状态。在（）时，和变负，VT2和VT3截止，因电枢电感的作用，电流经VD1和VD4续流，使VT1和VT4的c-e极承受反压，虽然和为正，VT1和VT4也不能导通，电流沿回路4流通，电动机工作在制动状态。当时，VT1和VT4才导通，电流又沿回路1流通。有关参量的波形示于图3-4（b）。这样看来，双极式可逆PWM变换器与具有制动作用的不可逆PWM变换器的电流波形差不多，主要区别在于电压波形；前者，无论负载是轻还是重，加在电动机电枢两端的电压都在和之间变换；后者的电压只在和0之间变换。这里并未反映出“可逆”的作用。实现电动机制可逆运行，由正、负驱动电压的脉冲宽窄而定。当正脉冲较宽时， ，电枢两端的平均电压为正，在电动运行时电动机正转；当正脉冲较窄时，平均电压为负，电动机反转。如果正、负脉冲宽度相等，平均电压为零，电动机停止运转。因为双极式可逆PWM变换器电动机电枢两端的平均电压为 若仍以来定义PWM电压的占空比，则双极式PWM变换器的电压占空比为。改变即可调速，的变化范围为。为正值，电动机正转；为负值，电动机反转；，电动机停止运转。在时，电动机虽然不动，但电枢两端的瞬时电压和流过电枢的瞬时电流都不为零，而是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增加了电动机的损耗，当然是不利的。但是这个交变电流使电动机产生高频微振，可以消除电动机正、反向切换时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用，有利于快速切换。二、双极式可逆PWM变换器的H桥电路单极式可逆PWM变换器和双极式变换器在电路构成上完全一样，不同之处在于驱动信号不一样。图3-3（b）中，左边两个电力电子器件的驱动信号，具有和双极式一样的正、负交替的脉冲波形，使VT1和VT2交替导通；右边两个器件VT3、VT4的驱动信号则按电动机的转向施加不同的控制信号：电动机正转时，使恒为负，恒为正，VT3截止VT4常通；电动机反转时，则使恒为正，恒为负，VT3常通VT4截止。这种驱动信号的变化显然会使不同阶段各电力电子器件的开关情况和电流流通的回路与双极式变换器相比有不同。当电动机负载较重时电流方向连续不变；负载较轻时，电流在一个开关周期内也会变向。由于本次设计要求电机能实现启动、制动、正反转，并且能进行无极调速等。又根据双极式H型可逆PWM变换器具有的优点：电流一定连续，可以使电动机实现四象限动行；电动机停止时的微振交变电流可以消除静摩擦死区；低速时由于每个电力电子器件的驱动脉冲仍较宽而有利于折可靠导通；低速平稳性好，可达到很宽的调速范围。所以，本设计我们选择双极式H型可逆PWM变换器。主电路如图3-5所示。图3-5 H桥主电路第三节 电容滤波的三相不可控整流电路在电容滤波的三相不可控整流电路中，最常用的是三相桥式结构，下图给出了其电路及理想的工作波形。图3-6 控整流电路一、基本原理该电路中，当某一对二极管导通时，输出直流电压等于交流侧线电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。当没有二极管导通时，由电容向负载放电，ud按指数规律下降。设二极管在距线电压过零点角处开始导通，并以二极管VD6和VD1开始导通的时刻为时间零点，则线电Uab= U2sin() 而相电压为 ua= U2sin(/6)在t = 0时，二极管VD