四象限斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)研究

李一鳴,榮 軍,鄧 斌,易學(xué)良(.湖南理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院,湖南 岳陽 44006; .湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院,湖南 岳陽 44006)

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四象限斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)研究

李一鳴1,榮 軍2,鄧 斌1,易學(xué)良1
(1.湖南理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院,湖南 岳陽 414006; 2.湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院,湖南 岳陽 414006)

摘 要:直流電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速范圍廣以及調(diào)速精度高的特點(diǎn),因此在要求調(diào)速和制動(dòng)性能高的工業(yè)領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用.本文首先介紹了直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,給出其調(diào)速的三種方法,最后選擇改變電樞電壓作為其調(diào)速的方法.然后詳細(xì)分析了四象限斬波控制直流調(diào)速的工作原理,并且在Matlab/Simulink中建立了四象限斬波控制直流調(diào)速模型,并給出了其仿真結(jié)果.仿真結(jié)果與理論分析完全一致,驗(yàn)證了四象限斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)理論分析和建模仿真的正確性.最后通過與其它兩種斬波直流調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果比較,顯示了四象限斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)越性.

關(guān)鍵詞:直流調(diào)速; 四象限; 斬波控制; 建模與仿真

引言

直流電機(jī)調(diào)速與交流調(diào)速系統(tǒng)相比,具有優(yōu)良的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)性能,能實(shí)現(xiàn)頻繁的無級(jí)快速起動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)以及反轉(zhuǎn),另外還有調(diào)速范圍廣和調(diào)速精度高的優(yōu)點(diǎn),因此能夠滿足大多數(shù)工業(yè)生產(chǎn)過程中自動(dòng)化系統(tǒng)的特殊要求[1,2],一直以來在調(diào)速傳動(dòng)領(lǐng)域中占有一席之地.在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活中,有些生產(chǎn)機(jī)械需要電機(jī)經(jīng)常處于正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、電動(dòng)以及制動(dòng)的四種工作狀態(tài),比如常見的可逆軋鋼機(jī)等.如果要實(shí)現(xiàn)直流調(diào)速工作的四種狀態(tài),就必須應(yīng)用四象限斬波電路.基于此,本文對(duì)四象限斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究,介紹其工作原理,對(duì)其進(jìn)行建模和仿真,并與其他兩種直流斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行比較研究.研究結(jié)果表明四象限斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好以及調(diào)速范圍廣等優(yōu)點(diǎn).

1　直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型及調(diào)速方式

1.1 直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型

直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型的基本方程[3]包括:

勵(lì)磁電路電壓方程:

其中uF和iF分別為勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流,RF和LF分別為勵(lì)磁回路的電阻和電感.電樞電路電壓方程:

其中ua和ia分別為電樞電壓和電流,Ra和La分別為電樞回路的電阻和電感,E為電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,CE為電動(dòng)勢(shì)常數(shù).

電機(jī)轉(zhuǎn)矩方程:

其中Te為電磁轉(zhuǎn)矩,ω為電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度,J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,Bm為干摩擦系數(shù),Tf為庫侖摩擦轉(zhuǎn)矩,KT為轉(zhuǎn)矩系數(shù).

1.2 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方式

對(duì)直流電機(jī)調(diào)速進(jìn)行分類比較,可以更好地弄清各種調(diào)速方法的工作原理和特點(diǎn),根據(jù)其特點(diǎn)可以選擇最合適的調(diào)速方法,從而提高電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用的效率.

直流電機(jī)調(diào)速的種類[4]有:

(1)調(diào)節(jié)電樞電壓Ua

改變電樞電壓是要降低電樞電壓,讓電動(dòng)機(jī)從額定轉(zhuǎn)速向下降低轉(zhuǎn)子速度,屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速.其優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速平滑性好、范圍大,對(duì)于需要在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來講,這種方法比較好.此外,其調(diào)速反應(yīng)時(shí)間常數(shù)比較小,能夠快速響應(yīng),調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能比較好.缺點(diǎn)則是需要較大容量可以調(diào)節(jié)的直流電源,前期投入比較大.

(2)改變勵(lì)磁繞組的主磁通Φ

通過改變勵(lì)磁電流大小,來改變磁通,能夠?qū)崿F(xiàn)無級(jí)平滑調(diào)速,調(diào)速穩(wěn)定性好,但只能弱磁調(diào)速,調(diào)速范圍不大,調(diào)速方向是往上調(diào),屬于恒功率調(diào)速方法.而且調(diào)速系統(tǒng)的響應(yīng)速度比較慢,相比較改變電樞電壓調(diào)試它所需要的電源容量比較小,前期投資費(fèi)用不高.

(3)電樞回路串電阻調(diào)速Ra

通過在電樞回路串聯(lián)電阻進(jìn)行調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便,運(yùn)行成本低廉.缺點(diǎn)是調(diào)速平滑性差,只能夠進(jìn)行有級(jí)調(diào)速,而且調(diào)速穩(wěn)定性差,機(jī)械特性比較軟,空載時(shí)沒有什么調(diào)速作用,調(diào)速電阻會(huì)消耗大量能量,從而導(dǎo)致整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)效率低下.

綜上所述,在直流電動(dòng)機(jī)的三種調(diào)速方法中,調(diào)節(jié)電樞供電電壓Ua是一種性能相對(duì)比較優(yōu)越的調(diào)速方法,本文選擇改變電樞電壓作為直流電機(jī)的調(diào)速方法.

2　四象限斬波控制電路的工作原理

為了弄清四象限斬波控制電路的工作原理,本文首先介紹降壓斬波電路和升壓斬波電路,因?yàn)檫@兩種斬波電路是分析四象限斬波控制電路的基礎(chǔ).

2.1 降壓斬波電路工作原理介紹

降壓斬波電路的工作電路以及工作波形圖如圖1(a)和(b)所示[5].圖1(a)中電路使用一個(gè)全控器件IGBT,即為VT.VD為續(xù)流二極管,為了在VT關(guān)斷時(shí)給負(fù)載電感電流提供通道,在拖動(dòng)直流電機(jī)等負(fù)載時(shí),會(huì)出現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)Em.在圖1(b)所示的波形為VT的柵射電壓UGE波形,在t =0時(shí)驅(qū)動(dòng)VT導(dǎo)通,電源E向負(fù)載電路供電,此時(shí)負(fù)載電壓U0= E ,iL呈指數(shù)曲線上升.當(dāng)t= t1時(shí),控制VT關(guān)斷,iL經(jīng)過二極管VD續(xù)流,負(fù)載電壓接近為零,iL按指數(shù)曲線下降.一般串聯(lián)的電感值較大,為了使負(fù)載電流不斷流且脈動(dòng)小,負(fù)載電壓平均值為:

其中α為導(dǎo)通的占空比.由式(6)可知,輸出電壓平均值U0最大為E,若減小占空比α,則U0也減小.假設(shè)圖1(a)電路中的負(fù)載是直流電動(dòng)機(jī),則電機(jī)只能工作在第一象限.

圖1 降壓斬波電路的原理圖和波形圖

2.2 升壓斬波電路的工作原理

化簡(jiǎn)得

圖2 升壓斬波電路的原理圖和波形圖

2.3 電流可逆斬波電路的工作原理

由上面分析可知在升壓和降壓斬波電路中,電樞電流的方向不同,但是都只能在一個(gè)方向流動(dòng).而電流可逆斬波電路將升壓和降壓電路結(jié)合起來,拖動(dòng)直流電機(jī)運(yùn)行時(shí),其電機(jī)電樞電流可正可負(fù),只是電壓只有一種極性,因此電機(jī)可以工作在第一和第二象限.圖3(a)和(b)給出了電流可逆斬波電路的工作電路和工作波形圖[6].在圖3(a)電路中,T1和VD2構(gòu)成降壓斬波電路,電源向直流電機(jī)供電,電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài),此時(shí)電機(jī)工作在第一象限.T2和VD1構(gòu)成升壓斬波電路,把直流電機(jī)的動(dòng)能變?yōu)殡娔芊答伒紼,并存儲(chǔ)在電源E中,此時(shí)電機(jī)處于再生制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài),電機(jī)工作在第二象限.

圖3 電路可逆斬波電路的原理圖和波形圖

2.4 四象限斬波控制電路的工作原理

由于電流可逆斬波電路提供的電樞電壓為單極性,而電樞電流為雙極性,所以電機(jī)只能工作在兩象限狀態(tài).如果要使電機(jī)處于電動(dòng)和制動(dòng)工作狀態(tài),可以考慮將兩個(gè)電流可逆電路組合起來,分別向電機(jī)提供正向和反向電壓即可,這就是本文所研究的四象限斬波控制電路,其工作電路原理圖[6]如圖4所示.當(dāng)V4保持導(dǎo)通狀態(tài)時(shí),V4、V1和VD1組成四象限斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)向電機(jī)提供正向電壓,可以使得電機(jī)工作在第一和第二象限,即正轉(zhuǎn)電動(dòng)和正轉(zhuǎn)再生制動(dòng)狀態(tài).此時(shí),需要防止V3導(dǎo)通造成電路短路.當(dāng)V2保持導(dǎo)通狀態(tài)時(shí),V3、VD3、V4和VD4構(gòu)成可逆斬波電路,向電機(jī)提供反向電壓,可以使得電機(jī)工作在第三和第四象限,其中V3和VD3構(gòu)成降壓斬波電路,使得電機(jī)工作在第三象限,即反轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài),V4和VD4構(gòu)成升壓斬波電路,使得電機(jī)工作在第四象限,即反轉(zhuǎn)再生制動(dòng)狀態(tài).

圖4 四象限斬波控制電路原理圖

圖5 四象限斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型

3　四象限斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)的建模與仿真

3.1 四象限斬波控制直流調(diào)速電路的仿真模型晶閘管直流雙閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)建模與仿真

四象限斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)在MATALB/Simulink中的仿真模型[6～10]如圖5所示.其中圖5(a)為調(diào)速系統(tǒng)整體仿真模型,它主要由五個(gè)部分組成: 直流電動(dòng)機(jī)模塊、斬波器模塊、電流控制器模塊、速度控制器模塊以及開關(guān)模塊.調(diào)速系統(tǒng)仿真模型采用雙閉環(huán)控制,內(nèi)環(huán)采用電流控制,外環(huán)采用轉(zhuǎn)速控制.轉(zhuǎn)速控制器模塊的仿真模型如圖5(b)所示.轉(zhuǎn)速給定N*和反饋信號(hào)N經(jīng)過采樣開關(guān)輸入,轉(zhuǎn)矩給定N*經(jīng)過加減速限制環(huán)節(jié),以避免在突然增加給定時(shí)引起電樞過電流.轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)N經(jīng)過低通濾波器,PI調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)與電流調(diào)節(jié)器相同,調(diào)節(jié)器輸出是電樞電流的給定,如果是轉(zhuǎn)矩控制方式,則轉(zhuǎn)速控制不起作用.電流控制器模塊仿真模型如圖5(c)所示.端口Ia輸入的電樞電流反饋經(jīng)過零階保持器低通濾波器濾波,輸入電流調(diào)節(jié)器,電流控制器的輸出為PWM生成的脈寬控制信號(hào),由PWM模塊生成IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Pulse.

3.2 仿真結(jié)果及分析

四象限斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖6所示.圖6(a)為電樞電壓仿真波形,從圖6(a)可以看出直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓為有正有負(fù)的矩形波.如果通過改變調(diào)速系統(tǒng)的占空比,那么其電樞電壓的輸出有效值也發(fā)生變化,從而可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速,這就是所謂的改變電樞電壓調(diào)速.圖6(b)為直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電樞電流仿真波形,從圖6(b)可以看出電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行過程.具體工作過程為電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)給定的轉(zhuǎn)速為500r/min,電動(dòng)機(jī)從靜止開始啟動(dòng),在1.3s時(shí)上升到500r/min,上升加速度為400r/min2,電樞電流也勻速上升.當(dāng)電動(dòng)機(jī)速度達(dá)到給定值500r/min后進(jìn)入穩(wěn)定正轉(zhuǎn)狀態(tài),電樞電流略有下降,因?yàn)椴恍枰偌铀賰H需要與負(fù)載轉(zhuǎn)矩保持平衡.在2s時(shí)轉(zhuǎn)速給定改為?1184r/min,由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用,使電樞電壓和電樞電流下降,電磁轉(zhuǎn)矩也隨之減小,電動(dòng)機(jī)開始減速.在3s時(shí),電流反向,產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩.到3.25s時(shí),轉(zhuǎn)速下降到零,在反向電流作用下,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速改變,并且負(fù)載轉(zhuǎn)矩也隨轉(zhuǎn)速變負(fù),電動(dòng)機(jī)以?400 r/min2加速度反方向加速,在6.3s時(shí)到達(dá)?1184r/min,完成了電機(jī)從500r/min的正轉(zhuǎn)到?1184r/min的反轉(zhuǎn)過程的調(diào)速過程.從圖6可以得出以下結(jié)論: 四象限斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定性非常好,而且可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速,并且可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn),滿足各種場(chǎng)合的應(yīng)用.

圖7為四象限斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)占空比不同時(shí)的電樞電壓仿真波形,其中(a)和(b)分別為第1s時(shí)和第6s時(shí)的電樞電壓占空比仿真波形.從圖7(a)所示的占空比仿真波形可以看出電機(jī)第1s時(shí),正向電樞電壓占空比比反向電樞電壓占空比大,說明電動(dòng)機(jī)處于正向加速正轉(zhuǎn)狀態(tài).從圖7(b)所示的占空比仿真波形可以看出在電機(jī)第6s時(shí),反向電樞電壓占空比明顯比正向的電樞電壓占空比大,說明電動(dòng)機(jī)處于反向加速反轉(zhuǎn)狀態(tài).

圖6 四象限斬波控制直流調(diào)速仿真波形

圖7 四象限斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)的電樞電壓占空比的仿真波形

為了說明四象限斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)與一象限斬波控制以及二象限斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)的差別,本文也給出了它們的仿真結(jié)果,如圖8和圖9所示.其中圖8(a)為一象限斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速n仿真波形.從圖8(a)可以看出一象限斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速n有明顯的波動(dòng),并且有不小的超調(diào)現(xiàn)象,說明一象限斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性要比四象限斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)差.圖8(b)為電樞電流和電樞電壓仿真波形.從圖8(b)可以看出電機(jī)的電樞電壓和電流都為正,所以電機(jī)只能工作在正向電動(dòng)狀態(tài)和第一象限,而不能像四象限斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)可以工作在四個(gè)象限,因此應(yīng)用范圍小很多.

圖8 一象限直流斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真波形

圖9 二象限直流斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真波形

圖9(a)為二象限斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速n仿真波形,從圖9(a)可以看出其轉(zhuǎn)速n波動(dòng)情況大,因此穩(wěn)定性要比四象限斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)差.圖9(b)為電樞電流和電樞電壓仿真波形.從圖9(b)可以看出電樞電壓并未改變方向,但是電流為正負(fù)交替改變,所以二象限斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)可以使電機(jī)工作在正轉(zhuǎn)電動(dòng)和正轉(zhuǎn)再生制動(dòng)狀態(tài),分別工作在第一、二象限.

4　結(jié)論

本文首先介紹了直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型,闡述了直流電機(jī)調(diào)速的三種基本方式,通過比較,選擇改變電樞電壓作為直流電機(jī)的調(diào)速方法.根據(jù)改變電樞電壓調(diào)速,研究了四象限斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理,并在Matlab/Simulink中對(duì)其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證.仿真結(jié)果表明四象限斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)可以使電機(jī)在四個(gè)象限工作,并可處于正轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)、正轉(zhuǎn)再生制動(dòng)狀態(tài)、反轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)以及反轉(zhuǎn)再生制動(dòng)狀態(tài).最后還給出了一象限和二象限斬波控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真結(jié)果,與四象限斬波控制系統(tǒng)相比較可知,四象限調(diào)速范圍更寬,穩(wěn)定性更好,因此四象限斬波控制直流調(diào)速應(yīng)用范圍更廣,而且精度更高.

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Technology Research of DC Speeding for Four-quadrant Chopper Control System

LI Yi-ming1,RONG Jun2,DENG Bin1,YI Xue-liang1
(1.College of Computer Science，Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006,China; 2.College of Information and Communication Engineering，Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006,China)

Abstract:DC motor has wide speeding range and high precision,and it has very important application for the industrial fields required to speeding and braking performance.Firstly,the mathematical model of DC motor is introduces,and the three methods of its speed regulation are given,and the method of changing the armature voltage is chosen as the method of its speed regulation.Then the working principle of DC speeding system for four-quadrant chopper control is analyzed in detail,and the models is established based on Matlab/Simulink,and the simulation results are given.Through the analysis of simulation results,the simulation results are consistent with the theoretical analysis,and the correctness of theoretical analysis and modeling simulation of DC speed control system for the four-quadrant chopper control is verified.Finally,the advantages of DC speed control system for the four-quadrant chopper control are highlighted by comparing the simulation results with the other two kinds of chopper DC drive system.

Key words:DC speeding,four-quadrant,chopper controlling,modeling and simulation

作者簡(jiǎn)介:李一鳴(1979?),女,湖南岳陽人,碩士,湖南理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院講師.主要研究方向: 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)

基金項(xiàng)目:車輛安全性設(shè)計(jì)與可靠性技術(shù)湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助(KF1608,2014kfjj01); 湖南省教育廳一般項(xiàng)目(15C0620,15C0622)

收稿日期:2015-12-08

中圖分類號(hào):TP341

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1672-5298(2016)01-0042-06