基于直流可变脉宽调制系统的设计

李久超++姚兆

摘 要：基于使用了PI操纵器，PWM操纵器等当代生产控制常用的操纵部件及具体设计理念。主要分析了直流可变电机PWM操纵系统方法，分析了变速系统，总结了直流PWM的机械特性，最终总结了PWM操纵与更改器的模型。

关键词：直流 可变脉宽调制系统 操纵系统

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）09（c）-0006-02

1 直流可变电机PWM操纵系统

1.1 直流可变电机PWM操纵系统原理

脉冲调制操纵方法以往是可改频内容的重要技术之一。它采用电源计数器的方法，脉冲占空比被改变用来对一个采样模拟信号的信号进行控制。

直流可变电机PWM操纵系统有可变和不可变系统两种。可变系统是指电机能够前后两个角度旋转；不可变系统是指电机只能在一个方向上旋转。对于可变系统，能够区分为单极性转动和多方向驱动两种不同。该文只分析多方向驱动。

1.2 H型多方向驱动可变PWM操纵系统控制方法

“H”型是多方向驱动电路的典型电路，也叫做桥式电路。其内部是由4个三极管和4个稳压二极管构造，单电源开关。4个三极管分为两组，V1和V4为一组，V2和V3为另一组。相同的三极管同步导通或关断，不同的三极管导通与关断正好不同。

在每个脉冲调制周期里，当控制采样Vi1高电平时，三极管V1和V4导通，此时Vi2为低电平，因此V2和V3不通。电枢绕组流过从A到B的正向信号；当控制采样Vi1为低电平时，三极管V1和V4截止，此时Vi2为高电平，因此V2和V3导通，电枢绕组流过从B到A的反向信号，这就是所谓的“多方向”。

因为在一个脉冲周期里电枢信号经历了正反两次不同，因此其兩次电压U0可以用下式总结：

U0=US=（2b-1）US=（2a-1）US （1）

由此，多方向可变脉冲工作时，电枢内部所经过的每次电压取决于占空比α的多少。当α=0时，U0=-US，可变电机反转，且转速高值；当α=1时，U0=US，可变电机正转，转速高值；此时，α=1/2时U0=0，可变电机停止，但电枢内部中仍然有交变电流交互，使电机产生持续振荡，这种振荡能够克服电机负载的碰撞，提高转速性能。

2 操纵系统的构建

面向一个操纵系统，最核心的是操纵器的构建，操纵器构建的好坏关系到操纵系统性能的能力。操纵器要求实时性高，通用性高，掌握较强的核心，在达到性能指标的要求下应尽可能的方便。

PI操纵器采用在系统中填入了一个位于原点的开环核心，而且也增加了一个内部S左半平面的开环中心。填入原点的核心可以提高系统的能力，以消除或增强系统的稳态误差，改善系统的稳态指标。而填入的负实中心则用来增强系统的阻尼系数，缓和PI操纵器核心对系统稳定性产生的不利因素。只要结算时间常数Ti足够高，PI操纵器对系统稳定性的不利内容可大为改变。在操纵系统中，PI操纵器主要能够改善操纵系统的稳态指标[2]。

闭环可变系统的改变和电流整流器都采用PI操纵器。采用PI操纵器的自动控制方式。

经过传递函数看，自动调节系统为：

WP1（S）=KP+M （2）

当变频信号ε是阶跃采样时，模拟部分会突然升高，而结算部分则按线性升高，通过一定时间后，U1比例达到限幅值。而实际应用中，阶跃采样ε只是一开始突跳，随着模拟信号USC的升高，采样信号ε便逐渐减少，U1是否能够挺高到限幅值，就要看U1的听声和ε的衰减哪一方突然。因为调节信号的时间系数远大于操纵器的时间核心，则ε下降阶跃，由于操纵器的结算作用，尽管在改变，U1仍继续升高，在ε改变到零以前U1还来得及升到提升值。如果采样对象的时间常数不高，则ε改变较快，当操纵量还来不及把U1提升到限幅值作用，ε已经改变到零，U1也就不能再提升，这时操纵器不会饱和。

在改变过程中，PI操纵器输出信号U1是否饱和对系统的信号波形很有改变。若U1一旦结算，只有ε变负，即U1>Us时，才有可能使它重复变频，因此必然过压。

3 可变脉宽操纵系统的内部特性

因为应用了脉宽操纵，因此，即使在不变情况下，脉宽操纵系统的转矩和转速也都是改变的。所谓不变，是指电机的一般电磁转矩与负载采样相一致的情况，内部特性是一般转速与平均信号（采样）的链接。

引进不同机构的PWM操纵器，系统的内部特性也不同。对于多方向式控制的改变采样，信号的方向是交互的，无论是内部还是外部，信号波形都是密集的，因而内部特性关系式比较合适。

U0=Rid+L+E（0≤t

-U0=Rid+L+E（ton≤t

式中的R.L分别为操纵器电枢内部的电阻和电感。

电枢内部在一个周期内的内部电压是U0=US。内部电流和转矩分别用Id和Te表示，平均转速n=E/Ce，而操纵器电感L的平均值在连续时应为0。

4 PWM可变操纵器的数学模型

PWM可变操纵器的内部数学模型和三极管与二极管的触发与整流装置基本相同。按照对PWM可变操纵器原理和波形的整理，当控制信号UC变动时，PWM操纵器输出平均电压Ud按线形规律升高，但其信号会有延迟，最大的延迟是一个整流周期T。因此，PWM可变操纵器（简称PWM装置）也可以看成是一个后置装置，其表示函数可以总结：

WS（S）=Kse-TS （5）

式中，KS为PWM装置的传递系数；

TS为PWM装置的采样时间，TS≤T。

因为PWM装置的数学公式与开关管装置相同，在操纵系统中的地位也一样，因此WS（S），KS和KS都采用一样的表示。

不过，此式是相似的传递函数，因为PWM装置不是一个线形系统，而是具有持续特性的非线形系统。继电操纵系统能够在一定条件下产生自激采样，因此采用线形操纵理论的传递采样不能分析出来。一旦在实际系统中遇到这类情况，解决办法是改变操纵器的结构和参数，如果这样做不能成功，可以在系统内部施加高频的周期采样，人为地改变高频内部振荡，从而产生系统中的振荡。

参考文献

[1] 陈伯时.自动控制系统原理[M].2版.北京：机械工业出版社，2003.

[2] 李锡雄.PWM技术应用[M].2版.武汉：华中理工大学出版社，2000.