模擬直流電機(jī)電力電子負(fù)載的設(shè)計(jì)與研究

1、目 錄摘 要IAbstractII第1章 緒論11.1 研究背景11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3 研究主要內(nèi)容及意義2第2章 理論基礎(chǔ)42.1 電源老化實(shí)驗(yàn)42.2 電力電子負(fù)載42.3 直流電動(dòng)機(jī)特性分析52.3.1 直流電機(jī)簡(jiǎn)介52.3.2 直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型6第3章 模擬直流電機(jī)的PEL系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)93.1模擬直流電機(jī)的PEL系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則93.2 模擬直流電機(jī)的PEL系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)103.3 模擬直流電機(jī)的PEL主電路設(shè)計(jì)113.3.1 模擬直流電機(jī)的PEL主電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)113.3.2 模擬直流電機(jī)的PEL主電路參數(shù)設(shè)計(jì)133.4模擬直流電機(jī)的PEL采樣電路的設(shè)計(jì)143.5 模擬直流

2、電機(jī)的PEL驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)163.6 模擬直流電機(jī)的PEL控制電路的設(shè)計(jì)173.6.1 概述173.6.2 控制電路設(shè)計(jì)18第4章 模擬直流電機(jī)的PEL仿真實(shí)驗(yàn)204.1 SIMULINK軟件介紹204.2 模擬直流電機(jī)的PEL建模與仿真204.2.1 電機(jī)計(jì)算204.2.2 模擬直流電機(jī)的PEL建模224.2.3 波形驗(yàn)證24結(jié) 論26參考文獻(xiàn)27附錄28致 謝29摘 要電源在出廠前都要進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中能量都能被完全消耗掉。具有能量回饋功能的電力電子負(fù)載可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的負(fù)載對(duì)電源進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)能量的再生利用電力傳動(dòng)系統(tǒng)中，對(duì)電機(jī)控制裝置的測(cè)試一般采用由電機(jī)及機(jī)械負(fù)載等構(gòu)成的測(cè)試平

3、臺(tái)，文中提出利用電力電子變換器模擬電機(jī)工作特性從而取代上述測(cè)試平臺(tái)的方案，用于電機(jī)控制裝置的考核測(cè)試，構(gòu)造了基于精確電機(jī)模型的在線電機(jī)仿真器，用于實(shí)時(shí)計(jì)算電樞電流、轉(zhuǎn)速及電磁轉(zhuǎn)矩等電機(jī)狀態(tài)量，將背靠背型雙PWM變換器應(yīng)用于直流電機(jī)模擬器，分析了其模擬直流電機(jī)四象限運(yùn)行的工作原理。仿真結(jié)果驗(yàn)證了電機(jī)仿真器的在線計(jì)算值與電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)量基本一致，然后驗(yàn)證了電機(jī)模擬器的實(shí)際模擬效果，從而證明了電機(jī)模擬器的有效性和可行性。關(guān)鍵詞：電機(jī)特性模擬；電力電子負(fù)載；直流電機(jī)模擬器；背靠背雙PWM整流器 AbstractPower source should be carried out discharg

4、e test before leaving the factory. The energy have been fully consumed in the traditional energy experiment, with the energy feedback function of the power electronic load can replace traditional load in the power source discharge test to achieve energy recycling.In the power drag system, the test o

5、f driving device needs a complex load system formed by rotating motor and mechanical load. In this paper, a system of simulating DC motor and its load with power electronic converter is proposed, which can be used in the acceptance test of motor driving system. The systematic principle is derived, b

6、ased on state equation of DC motor, on the base of Boost convertor, a novel main circuit is put forward. In order to compare ,a simulating platform is established. The simulation results verify the feasibility of motor simulator.Keywords: Simulating of Motor Characteristic ； Electronic Load ； DC Mot

7、or Simulator； Dual PWM Converter II武漢理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第1章 緒論1.1 研究背景在電氣與信息化高度發(fā)達(dá)的今天，隨著電子設(shè)備以及供電技術(shù)的迅速發(fā)展，各種電源廣泛應(yīng)用于能源、化工、交通、軍事等各行各業(yè)，在我們的日常生活中廣泛使用的計(jì)算機(jī)等各種電器設(shè)備上都能經(jīng)常見(jiàn)到它們的身影，電源已經(jīng)成為人們生產(chǎn)、生活中必不可少的部分，電源的損壞將直接造成應(yīng)用機(jī)器停止正常工作，進(jìn)而影響生產(chǎn)、生活的正常運(yùn)作，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和生活帶來(lái)巨大的損失。正因?yàn)殡娫丛O(shè)備的重要性，國(guó)際、國(guó)內(nèi)、行業(yè)內(nèi)都相應(yīng)制訂了各種電源標(biāo)準(zhǔn)來(lái)嚴(yán)格考核電源產(chǎn)品質(zhì)量，各種電源產(chǎn)品在出廠前都要進(jìn)行十幾甚至幾十個(gè)小

8、時(shí)的試驗(yàn)。如老化試驗(yàn)、輸出特性試驗(yàn)等，以檢驗(yàn)其技術(shù)指標(biāo)和性能，保證出廠電源的優(yōu)良品質(zhì)。傳統(tǒng)的電源試驗(yàn)方法是采用電阻等能耗型元件作為負(fù)載，電能被無(wú)謂地消耗為熱能，這樣對(duì)能源造成很大的浪費(fèi)。此外，不同等級(jí)的電源設(shè)備需要不同負(fù)載進(jìn)行帶載試驗(yàn)，不僅需要大量的負(fù)載器件，同時(shí)需要耗用大量的人工對(duì)這些器件進(jìn)行管理，所以這種直接測(cè)試的方式存在較大的弊端：（1）電阻功率較小，在長(zhǎng)時(shí)間大電流試驗(yàn)環(huán)境下容易造成電阻老化和燒損（2）試驗(yàn)的電能全部消耗在電阻上，造成能源的巨大浪費(fèi)，且電能轉(zhuǎn)化成熱能還需要對(duì)負(fù)載進(jìn)行散熱措施，既不節(jié)能也不環(huán)保。（3）負(fù)載只能采用有極調(diào)節(jié)，具有固定組織或固定負(fù)載特性曲線，很難適應(yīng)連續(xù)變化或阻

9、值取值點(diǎn)較密的試驗(yàn)場(chǎng)合。如果考慮采用電力電子元器件構(gòu)成能饋式電源設(shè)備綜合測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)則可以很好地解決這些問(wèn)題，不僅測(cè)試設(shè)定簡(jiǎn)單，而且可以大量地節(jié)省測(cè)試時(shí)消耗的電能，是一種使用、高效的方案。隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)環(huán)境保護(hù)和能源利用效率要求的提高，對(duì)“綠色”測(cè)試方式的要求變得日益緊迫，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就此進(jìn)行了廣泛的研究，并取得了一定的研究成果。由于能量回饋型電力電子負(fù)載具有顯著的節(jié)能效果、控制靈活方便，有著廣泛的應(yīng)用前景，它的廣泛應(yīng)用能大大提高工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，非常符合我國(guó)的技能減排政策，一方面本文研究的電力電子負(fù)載能滿足測(cè)試目的，另一方面，并網(wǎng)變換器將吸收的電能以高功率因數(shù)穩(wěn)定地饋回電網(wǎng)，

10、從而節(jié)約了大量的電能，整體來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定節(jié)能效果顯著，因此電力電子負(fù)載的研究具有較強(qiáng)的實(shí)際意義和深遠(yuǎn)價(jià)值。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，可以將電力電子負(fù)載應(yīng)用于電力系統(tǒng)動(dòng)模仿真實(shí)驗(yàn)中，將多個(gè)電力電子負(fù)載進(jìn)行矩陣式聯(lián)接，安裝于動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室中，根據(jù)中央主控計(jì)算機(jī)命令，電力電子負(fù)載可以模擬各個(gè)負(fù)載節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)情況，從而進(jìn)行電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真；還可以根據(jù)不同要求，改變所模擬負(fù)荷參數(shù)，從而改變系統(tǒng)潮流分布，設(shè)置根據(jù)日負(fù)荷曲線、月負(fù)荷曲線、年負(fù)荷曲線分析電網(wǎng)能源的分布狀況和對(duì)電網(wǎng)的相關(guān)影響，方便進(jìn)行相關(guān)潮流調(diào)度，它可以作為對(duì)電力系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的有利補(bǔ)充。還有學(xué)者提出采用電力電子負(fù)載模擬系統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)特性，形成一個(gè)更接

11、近實(shí)際系統(tǒng)負(fù)荷狀況的動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)，方便進(jìn)行各項(xiàng)電力系統(tǒng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀從上個(gè)世紀(jì)九十年代起，國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者、工程師就開始研究電力電子負(fù)載，并發(fā)表了很多學(xué)術(shù)文章。目前各類直流電力電子負(fù)載都主要運(yùn)用高頻變換器技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電能的回饋。直流電力電子負(fù)載的研究已經(jīng)比較成熟，也有一些成熟的產(chǎn)品，并且開始在電源的使用中獲得了應(yīng)用，如北京索英電氣有限公司的節(jié)能回饋式直流電子負(fù)載、美國(guó)艾德克斯電子公司的電能反饋型電子負(fù)載等。而交流電力電子負(fù)載特別是大功率電能回饋型電力電子負(fù)載目前仍然是一個(gè)研究的熱門領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)關(guān)于此類負(fù)載的文獻(xiàn)資料還是比較少，目前也沒(méi)有非常成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)。大部分的文獻(xiàn)資料

12、對(duì)交流能量電力電子負(fù)載拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究，都是采用基于電壓源型變流器作為能量回饋型單相交流電力電子負(fù)載的輸入模擬變換器和并網(wǎng)變換器1電力電子負(fù)載結(jié)構(gòu)背靠背H橋構(gòu)成23，負(fù)荷側(cè)和并網(wǎng)側(cè)都由H橋構(gòu)成?？刂品绞街饕谢陔p極性調(diào)制滯環(huán)PWM電流控制和采用重復(fù)PI控制策略的電流控制等。隨著我國(guó)工業(yè)的快速發(fā)展和能源消耗的不斷上升，電力電子負(fù)載的研究工作得到了國(guó)內(nèi)學(xué)者的關(guān)注，許多高校對(duì)其進(jìn)行了廣泛的研究工作，并取得了一定的研究成果。北京航空航天大學(xué)學(xué)者對(duì)電力電子負(fù)載中的電流控制環(huán)進(jìn)行了研究，東南大學(xué)學(xué)者提出了采用數(shù)值計(jì)算方法得到實(shí)時(shí)參考電流的方法，此外，華北電力大學(xué)學(xué)者采用DC/DC變換器作為被試直流電源與饋

13、網(wǎng)變換器接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電源設(shè)備的測(cè)試系統(tǒng),北京交通大學(xué)、浙江大學(xué)、山東大學(xué)、重慶大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)學(xué)者等進(jìn)行了直流電能測(cè)試設(shè)備的相關(guān)研究4；另外，南京航空航天大學(xué)、天津大學(xué)學(xué)者也對(duì)電力電子負(fù)載進(jìn)行了相應(yīng)研究，研究范圍涉及了交流電力電子負(fù)載、直流電力電子負(fù)載的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。1.3 研究主要內(nèi)容及意義直流電機(jī)具有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍寬、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、過(guò)載能力大能諸多優(yōu)點(diǎn)，在一些技術(shù)要求高的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中，仍大量采用以直流電機(jī)為執(zhí)行電機(jī)的直流調(diào)速系統(tǒng)5。要設(shè)計(jì)10KW的單相電力電子負(fù)載，能模擬直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載的電特性。完成負(fù)載模擬器主電路設(shè)計(jì)和控制電路設(shè)計(jì)，主器件的參數(shù)計(jì)算，并利用MATLAB進(jìn)行完成

14、系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)。本文從電力拖動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，提出了利用電力變換器模擬電機(jī)特性的電力電子負(fù)載的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。然后分析了直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，得出了利用狀態(tài)方程獲得電機(jī)電流轉(zhuǎn)速等狀態(tài)量的計(jì)算公式；提出了將背靠背型雙PWM整流器應(yīng)用于四象限運(yùn)行的直流電機(jī)的模擬，并詳細(xì)分析了其模擬側(cè)變換器的工作機(jī)理。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了在電機(jī)控制裝置測(cè)試中利用電機(jī)模擬器代替旋轉(zhuǎn)電機(jī)的方案的可行性。本文具體思路如下：（1）從系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)出發(fā)，一個(gè)完整的電力拖動(dòng)系統(tǒng)包括電機(jī)控制裝置、電動(dòng)機(jī)本體、機(jī)械負(fù)載三部分。確定直流電力電子負(fù)載的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用背靠背型雙PWM變換器組成，模擬側(cè)變換器接到電機(jī)控制裝置，控制其端口電流按照真實(shí)電

15、機(jī)接入系統(tǒng)時(shí)電流變化，并網(wǎng)側(cè)PWM變換器提供穩(wěn)定的直流電壓。（2）確定控制電路，采用DSP芯片的TMS320F2812的最小系統(tǒng)控制IGBT的通斷。（3）使用MATLAB中的SIMULINK對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模，并對(duì)系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)情況下進(jìn)行仿真，分析仿真結(jié)果，得出結(jié)論。（4）最后進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)未來(lái)提出展望。第2章 理論基礎(chǔ)2.1 電源老化實(shí)驗(yàn)各種大功率的交直流電源、電機(jī)、大容量蓄電池出廠前均要進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn)和電源輸出特性測(cè)試，傳統(tǒng)的電源試驗(yàn)方法采用電阻元件，調(diào)節(jié)不方便，不僅大量的能量被無(wú)謂地消耗掉，同時(shí)需要耗費(fèi)大量的人力、物力對(duì)其進(jìn)行管理。而電力電子器件構(gòu)成的電力電子負(fù)載則能夠有效的減少能量的消耗，而且造

16、價(jià)便宜。2.2 電力電子負(fù)載所謂電力電子負(fù)載，其定義通俗易懂，首先它是負(fù)載，說(shuō)明它主要起到“負(fù)荷”的作用，將其與“電力電子”放在一起，說(shuō)明這種負(fù)載不是一種純粹意義上的負(fù)荷，即與電路定義的電感、電容、電阻不同，它只是模擬其電氣特性的考核設(shè)備，所模擬負(fù)荷范圍包括與電力電子技術(shù)相關(guān)的非線性負(fù)荷。再者，電力電子負(fù)載設(shè)備簡(jiǎn)便，自動(dòng)化程度高，不需要大面積的廠房，大大降低了測(cè)試人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了大量的人力物力成本。電力電子負(fù)載是由大功率電力電子元件構(gòu)成，利用電力電子控制技術(shù)對(duì)各種電源設(shè)備進(jìn)行節(jié)能、環(huán)?？己说碾娫礈y(cè)試設(shè)備。能饋型負(fù)載使用功率半導(dǎo)體開關(guān)器件對(duì)測(cè)試電源放電進(jìn)行控制6，使用儲(chǔ)能的電感、電容元件對(duì)

17、測(cè)試電能進(jìn)行儲(chǔ)能，然后使用功率半導(dǎo)體開關(guān)器件將測(cè)試電能逆變回饋電網(wǎng)78。如果忽略無(wú)功功率和功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的損耗，則在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中測(cè)試的電能幾乎能全部反饋回電網(wǎng)，因而避免了能量的大量浪費(fèi)，特別是全世界都非常注重環(huán)保節(jié)能的今天，電力電子負(fù)載更能突出其優(yōu)越性。如下圖為電力電子負(fù)載的基本結(jié)構(gòu)圖。電網(wǎng)電能回饋裝置電力電子負(fù)載被試電源圖2.1 電力電子負(fù)載基本結(jié)構(gòu)如圖2.1，電力電子負(fù)載接被試電源，并通過(guò)電能回饋裝置將電能饋回電網(wǎng)，從而避免了能量的大量浪費(fèi)。這樣，通過(guò)采用電力電子元器件構(gòu)成電源設(shè)備的綜合測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的能耗型元件負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了綠色節(jié)能的功效。本論文中，要設(shè)計(jì)單相電力電子負(fù)

18、載，能模擬直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載的電特性，系統(tǒng)采用的電力電子負(fù)載結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。電力電子負(fù)載待測(cè)電源模擬變換器并網(wǎng)變換器電網(wǎng)圖2.2 模擬直流電機(jī)的電力電子負(fù)載基本結(jié)構(gòu)圖如圖2.2，電機(jī)控制器作為被試電源，電機(jī)及其機(jī)械負(fù)載作為負(fù)載。電機(jī)模擬器就是利用電力電子變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)輸出電流的控制并提供電機(jī)機(jī)械狀態(tài)的反饋量，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)及其負(fù)載的模擬。將電機(jī)控制裝置等效為直流電壓源。負(fù)載側(cè)變換器通過(guò)控制輸入濾波電感電流實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)四象限運(yùn)行的模擬9，并網(wǎng)側(cè)變換器穩(wěn)定直流電壓并向電網(wǎng)回饋能量10。2.3 直流電動(dòng)機(jī)特性分析2.3.1 直流電機(jī)簡(jiǎn)介在電機(jī)發(fā)展史上，直流電機(jī)發(fā)明的較早，它的電源是電池。它具有以下突出

19、的有點(diǎn)：（1）調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)速；（2）啟動(dòng)、制動(dòng)和過(guò)載轉(zhuǎn)矩大；（3）易于控制，可靠性較高。直流電動(dòng)機(jī)是由定子部分和轉(zhuǎn)子部分構(gòu)成的，定子和轉(zhuǎn)自靠?jī)蓚€(gè)端蓋連接。定子部分主要包括有機(jī)座、主磁極、換向極和電刷裝置等。一般直流電機(jī)都采用整體機(jī)座，一個(gè)機(jī)座同時(shí)起兩方面的作用：一方面起導(dǎo)磁的作用，一方面起機(jī)械支撐的作用。主磁極又叫主極，它的作用是在電樞表面外的氣隙空間里產(chǎn)生一定形狀分布的氣隙磁密。電刷裝置可以把電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的電流引出到靜止的電路，或者反過(guò)來(lái)把靜止電路里的電流引入到旋轉(zhuǎn)的電路里。直流電機(jī)轉(zhuǎn)子部分包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、風(fēng)扇、轉(zhuǎn)軸和軸承等。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，直流電機(jī)的額定數(shù)據(jù)有：額定

20、容量（功率）PN(kW)、額定電壓PN（kW）、額定電流IN(A)、額定轉(zhuǎn)速nN轉(zhuǎn)速（r/min）、 勵(lì)磁方式和額定勵(lì)磁電流IfN（A）。有些物理量雖然不標(biāo)在銘牌上，但它也是額定值，例如在額定運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)矩、效率分別成為額定轉(zhuǎn)矩、額定效率等。2.3.2 直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型一個(gè)帶有儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的線性物理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程可以用線性微分方程描述，微分方程的解即系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，它包括兩部分：動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)解。在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，從施加給定輸入值時(shí)刻開始，到輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值以前，是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，即可用穩(wěn)態(tài)解來(lái)描述系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。圖2.3 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路圖2.3為他勵(lì)直流電動(dòng)

21、機(jī)在額定勵(lì)磁下的等效電路，其中電樞回路總電阻R和電感L包含電力電子變換器內(nèi)阻、電樞電阻和電感及可能在主電路中接入的其他電阻和電感。假定主電路電流連續(xù)，動(dòng)態(tài)電壓方程為 （2.1）忽略粘性摩擦以及彈性轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為 （2.2）式中TL包括電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（）;GD2電力拖動(dòng)裝置折算到電動(dòng)機(jī)軸上的飛輪慣量（）額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩分別為 （2.3） （2.4）式中Cm為電動(dòng)機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)(),。定義時(shí)間常數(shù)：為電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)（s），；為電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)（s），。代入式（2.1）和（2.2），并考慮式（2.3）和（2.4），整理后得 （2.5

22、） （2.6）式中為負(fù)載電流（A），。在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉普拉斯變換，得到電壓與電流間的傳遞函數(shù)為 （2.7）電流與電動(dòng)勢(shì)間的傳遞函數(shù)為 （2.8）式（2.7）和（2.8）的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖分別畫在圖2.4的a和b中。將兩圖合在一起，并考慮到，即得額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2.4c所示。 - +-（a）（b） -（c）圖2.4 額定勵(lì)磁直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（a）電壓電流間的結(jié)構(gòu)框圖（b）電流電動(dòng)勢(shì)間的結(jié)構(gòu)框圖（c）直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖由圖2.4（c）可以看出，直流電動(dòng)機(jī)有兩個(gè)輸入量，一個(gè)是施加在電樞上的理想空載電壓Ud0，令一個(gè)是負(fù)載電流IdL前者是控制輸入量，后者是擾動(dòng)輸

23、入量。而對(duì)于比例積分控制器而言，比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，又克服了各自的缺點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，互相補(bǔ)充。比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除了穩(wěn)態(tài)誤差。第3章 模擬直流電機(jī)的PEL系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1模擬直流電機(jī)的PEL系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則通常一個(gè)完整的電力拖動(dòng)系統(tǒng)包括電機(jī)控制裝置、電動(dòng)機(jī)本體、機(jī)械負(fù)載三部分，如圖3.1所示。由圖可知，模擬電機(jī)變換器接到被試電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)端口特性的模擬；并網(wǎng)側(cè)PWM變換器提供穩(wěn)定的直流電壓，當(dāng)模擬電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，將電機(jī)模擬側(cè)從MDS吸收的能量及時(shí)的回饋到電網(wǎng)，從而減少實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的電能消耗，當(dāng)模擬電機(jī)電動(dòng)制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，并網(wǎng)變換器從電網(wǎng)吸收能

24、量維持直流電壓恒定。而在電機(jī)控制裝置的研制考核實(shí)驗(yàn)中，電機(jī)控制器作為被試電源，電機(jī)及其機(jī)械負(fù)載作為負(fù)載，其中MDS與電機(jī)之間直接相互影響的物理量主要有三種：端口電壓，端口電流和電機(jī)機(jī)械狀態(tài)量。電機(jī)控制裝置通過(guò)提供特定的端口電壓來(lái)控制電機(jī)的機(jī)械狀態(tài)，而端口電流由電機(jī)控制裝置的輸出電壓、電機(jī)本體參數(shù)和電機(jī)機(jī)械負(fù)載等共同確定。電網(wǎng)電機(jī)控制裝置并網(wǎng)變換器模擬電機(jī)的變換器并網(wǎng)控制器電流控制器電流指令生成采樣圖3.1模擬直流電機(jī)的電力電子負(fù)載結(jié)構(gòu)圖在電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，電機(jī)控制裝置（Motor Driving System）簡(jiǎn)稱MDS，它的功能是提供電能并調(diào)控電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，為了確保MDS的優(yōu)良品質(zhì)，在其研制和

25、調(diào)試過(guò)程中都必須經(jīng)歷嚴(yán)格的動(dòng)態(tài)穩(wěn)態(tài)考核測(cè)試。對(duì)電機(jī)控制裝置的調(diào)試和考核一般需要依賴“電機(jī)控制裝置-電動(dòng)機(jī)-電機(jī)負(fù)載系統(tǒng)”構(gòu)成的電力拖動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。其中“電動(dòng)機(jī)-電動(dòng)機(jī)負(fù)載系統(tǒng)”又包括了“電動(dòng)機(jī)+機(jī)械阻力設(shè)備”、“電動(dòng)機(jī)+同軸發(fā)電機(jī)+電阻負(fù)載”、“電動(dòng)機(jī)+同軸發(fā)電機(jī)+電力變換器+并網(wǎng)”等多種實(shí)現(xiàn)形式，這類利用旋轉(zhuǎn)電機(jī)的測(cè)試方式雖然可以直接測(cè)試MDS的工作性能，但是卻要利用旋轉(zhuǎn)電機(jī)，更需提供相應(yīng)的機(jī)械復(fù)雜你，存著效率低、特性不靈活等缺點(diǎn)。如果采用電力電子變換器作為MDS的負(fù)載，使得其端口電流和帶真實(shí)電機(jī)的端口電流一致，并同時(shí)給MDS反饋與實(shí)際電機(jī)一致的轉(zhuǎn)速成轉(zhuǎn)矩等狀態(tài)量，使得MDS的輸出電壓電流

26、量與反饋的電機(jī)狀態(tài)量與直接拖動(dòng)電機(jī)時(shí)完全一致。則對(duì)MDS而言，該電力電子變換器就等同于電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)的模擬，簡(jiǎn)稱電機(jī)模擬器11。換言之，電機(jī)模擬器作為電機(jī)控制器的負(fù)載，可以取代電機(jī)及其機(jī)械負(fù)載，靈活的模擬電機(jī)起動(dòng)制動(dòng)帶載甚至故障運(yùn)行等各種工況，進(jìn)行MDS的各種動(dòng)態(tài)穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)；同時(shí)還通過(guò)并網(wǎng)變換器將MDS吸收的電能直接回饋電網(wǎng)，具有節(jié)省測(cè)試成本，綠色節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。3.2 模擬直流電機(jī)的PEL系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)圖3.2 模擬直流電機(jī)PEL系統(tǒng)電路拓?fù)鋱D圖3.2為模擬直流電機(jī)電力電子負(fù)載系統(tǒng)的拓?fù)鋱D,采用PWM VSR作為電力電子負(fù)載的輸入負(fù)載模擬變換器與并網(wǎng)變換器12，通過(guò)直流電容連接成背靠背式的拓

27、撲結(jié)構(gòu)，Q1-Q4作為負(fù)載模擬變換器主開關(guān)器件，L1作為輸入電感，起到傳遞能量、抑制高次諧波和平衡橋臂中斷電壓和電網(wǎng)電壓的作用。采用Q5-Q8作為并網(wǎng)變換器的主開關(guān)器件，L2作為并網(wǎng)變換器輸出電感，并網(wǎng)變換器需要準(zhǔn)確跟蹤電網(wǎng)的相位與頻率，將電能以高功率因數(shù)饋回電網(wǎng)，C為直流母線支撐電容，在電力電子負(fù)載工作時(shí)，母線電壓恒定，輸入、輸出功率在此進(jìn)行交換并達(dá)到平衡。T為并網(wǎng)連接變壓器，它確保電力電子負(fù)載與電網(wǎng)電氣隔離，避免因?yàn)楸辉囯娫礊榉歉綦x電源可能造成的電氣短路狀況發(fā)生。3.3 模擬直流電機(jī)的PEL主電路設(shè)計(jì)3.3.1 模擬直流電機(jī)的PEL主電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)主電路即電機(jī)模擬變換器，電機(jī)模擬器就是利用電

28、力電子裝置如IGBT組成的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)控制裝置的輸出電流的控制并提供電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的狀態(tài)量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)及其機(jī)械負(fù)載的模擬，從而代替了機(jī)械負(fù)載，起到了節(jié)能的作用。由于主電路等效為模擬變換器，因此通過(guò)采樣電機(jī)的工作特性，來(lái)控制四組IGBT的通斷時(shí)間，進(jìn)而就能模擬電機(jī)工作特性，所以等效為電機(jī)模擬變換器131415。為了簡(jiǎn)化分析，將電機(jī)控制裝置等效為直流電壓源。圖3.3 帶緩沖電路的電機(jī)模擬變換器電路拓?fù)淙鐖D3.3，電機(jī)模擬變換器采用四組IGBT和二極管反并聯(lián)組成H橋的電路結(jié)構(gòu)，由于PWM整流器具有能量雙向流動(dòng)，端口電流可控的特點(diǎn)，由雙PWM整流器構(gòu)成的背靠背型電力電子變換器拓?fù)潆娐芬呀?jīng)廣泛應(yīng)用

29、于模擬線性負(fù)載的單相電力電子負(fù)載系統(tǒng)中。將這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)同樣可應(yīng)用于模擬直流電機(jī)。對(duì)電機(jī)模擬變換器而言，通過(guò)分別控制Q1-4各開關(guān)管的狀態(tài)就可以模擬直流電機(jī)的四象限運(yùn)行。當(dāng)Q4保持導(dǎo)通，Q2和Q3斷開，控制開關(guān)管Q1的通斷，就可以模擬直流電機(jī)運(yùn)行在正向電動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)Q4保持導(dǎo)通，Q1和Q2斷開，控制開關(guān)管Q3的通斷，就可以模擬直流電機(jī)運(yùn)行在正向制動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)Q2保持導(dǎo)通，Q3和Q4斷開，控制開關(guān)管Q1的通斷，就可以模擬直流電機(jī)運(yùn)行在反向電動(dòng)狀態(tài)。以正向電動(dòng)或正向制動(dòng)狀態(tài)為例，此時(shí)Q4導(dǎo)通，Q2斷開，簡(jiǎn)化圖形如圖3.4所示。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，保持Q3斷開，Q1按照PWM通斷控制。當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通

30、時(shí)，D3自然截止，在輸入電流電壓的作用下，電感電流線性增加；當(dāng)Q1關(guān)斷，D3導(dǎo)通時(shí)，由于直流母線電壓高于MDS處電壓，電感電流減小。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在制動(dòng)狀態(tài)使得電流反向時(shí)，此時(shí)保持開關(guān)管Q1斷開，開關(guān)管Q3按照周期性開斷。電感電流經(jīng)Q3或D1構(gòu)成回路，如下圖3.5所示。當(dāng)Q3導(dǎo)通時(shí)D1自然截止，電感電流增加；當(dāng)Q3斷開時(shí),D1續(xù)流導(dǎo)通，電感電流減小?？梢?jiàn)通過(guò)對(duì)開關(guān)管Q1Q3的通斷控制就能控制電感電流的大小方向和變化趨勢(shì)，從而模擬實(shí)際的電機(jī)點(diǎn)數(shù)電流，使得其電流與計(jì)算的掃旋轉(zhuǎn)電機(jī)的點(diǎn)數(shù)電流變化規(guī)律一致。同時(shí)將虛擬的電機(jī)機(jī)械狀態(tài)量反饋給MDS，就能完成對(duì)電機(jī)運(yùn)行狀況的模擬，實(shí)現(xiàn)對(duì)MDS的試驗(yàn)16。圖3.

31、4 Q3斷開時(shí)電流通路圖3.5 Q3導(dǎo)通時(shí)電流通路3.3.2 模擬直流電機(jī)的PEL主電路參數(shù)設(shè)計(jì)IGBT的門級(jí)電壓與短路耐量以及與集射極間電壓之間關(guān)系非常密切，如果門級(jí)電壓過(guò)低，通態(tài)電壓增大，靜態(tài)損耗要增加。如果門級(jí)電壓過(guò)高，負(fù)載短路與故障時(shí)短路電流要增大，短路耐量隨之降低，選定門級(jí)電壓時(shí)，考慮到門級(jí)電壓的最大極限與集電極電流的使用范圍，另外門級(jí)電路與期間參數(shù)的分散性，因此，電壓選為15V最佳。另外，對(duì)于小容量的變換器中IGBT不加負(fù)偏壓也能正常工作，可是對(duì)于大中容量的變換器，為了保證IGBT可靠關(guān)斷，加一定量的負(fù)偏壓，不僅可以防止IGBT關(guān)斷瞬間因過(guò)高造成的誤開通，提高被驅(qū)動(dòng)IGBT的抗干擾

32、能力，還可以減少集電極浪涌電流，降低損耗。主電路中IGBT的緩沖電路應(yīng)考慮的因素主要有：功率電路的布局結(jié)構(gòu)、功率等級(jí)、工作頻率和成本。圖3.6 IGBT的RCD緩沖電路圖圖3.6為IGBT的緩沖電路充放電RCD緩沖電路圖，由于開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)，緩沖電容充放電電流回路不同，因而規(guī)避了增加開關(guān)管流過(guò)電流負(fù)擔(dān)的問(wèn)題。起始電壓的尖峰（）是由緩沖電路的寄生電感和緩沖二極管的正向恢復(fù)聯(lián)合引起的。如果緩沖二極管采用IGBT匹配的快恢復(fù)二極管，則該電壓尖峰主要取決于緩沖電感，在此情況下，可估算出為： （3.1）式中為緩沖電路的等效寄生電感；為關(guān)斷瞬間或二極管恢復(fù)瞬間的。在典型的IGBT功率電路中，最嚴(yán)重情況

33、下的接近0.02。如果的限值已確定，則可以用值來(lái)估算緩沖電路允許的最大電感量。例如：設(shè)定一個(gè)IGBT功率電路的工作峰值電流為300A，限定為100V，則最差情況下的約為 （3.2）用（3.1）式解得： 。通過(guò)上面計(jì)算可以得知大功率IGBT電路必須有極低電感量的緩沖電路，否則將不能很好地抑制瞬變電壓。3.4模擬直流電機(jī)的PEL采樣電路的設(shè)計(jì)采樣電路具有一個(gè)模擬信號(hào)輸入，一個(gè)控制信號(hào)輸入和一個(gè)模擬信號(hào)輸出。該電路的作用是在某個(gè)規(guī)定的時(shí)刻接收輸入電壓，并在輸出端保持該電壓直至下次采樣開始為止。采樣電路通常有一個(gè)模擬開關(guān)，一個(gè)保持電容和一個(gè)單位增益為1的同相電路構(gòu)成。采樣工作在采樣狀態(tài)和保持狀態(tài)的兩種

34、狀態(tài)之一。在采樣狀態(tài)下，開關(guān)接通，它盡可能快地跟蹤模擬輸入信號(hào)的電平變化，直到保持信號(hào)的到來(lái)；在保持狀態(tài)下，開關(guān)斷開，跟蹤過(guò)程停止，它一直保持在開關(guān)斷開前輸入信號(hào)的瞬時(shí)值。采樣電路圖如圖3.7圖3.7 模擬直流電機(jī)的PEL采樣電路圖采樣電路由I/V變換和信號(hào)調(diào)理電路組成，信號(hào)調(diào)理電路包括電壓跟隨、加法電路和反向電路三個(gè)部分組成。首先將待采樣電流信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣電阻R10進(jìn)行電壓采樣，電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電壓信號(hào)，這里我們將轉(zhuǎn)換電壓通過(guò)采樣電阻R10匹配為-2.5V+2.5V的電壓信號(hào)；再經(jīng)過(guò)電壓跟隨器得到V1電壓信號(hào)。V1信號(hào)經(jīng)過(guò)加法電路，與參考電壓值V2相加，得到提升后的電壓信號(hào)V3，V2=5V，選

35、取R11=R12=10K，R9=20K，V3為-50V的電壓信號(hào)，再經(jīng)反相器后輸出05V范圍的全正電壓的正弦信號(hào)V4，再加濾波電路。下圖為采樣電路流程圖。市電電壓霍爾I/V變換電壓提升反向等比例放大有源二階濾波圖3.8 模擬直流電機(jī)的PEL采樣電路流程圖本論文中，通過(guò)實(shí)時(shí)采樣端口電壓和機(jī)械轉(zhuǎn)矩信息，就可以實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻電機(jī)的理論電樞電流和轉(zhuǎn)速等狀態(tài)信息。本文采用上述的模式構(gòu)造出一個(gè)在線電機(jī)仿真模塊，實(shí)時(shí)計(jì)算電機(jī)的理論電樞電流和轉(zhuǎn)速信息。將所計(jì)算的電樞電流作為電機(jī)模擬器的電流指示，控制變換器的輸入電流與其一致，同時(shí)將計(jì)算的電機(jī)轉(zhuǎn)速信息反饋給被試MDS，使得MDS能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制。3.5 模擬

36、直流電機(jī)的PEL驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)隨著PWM技術(shù)在變頻、逆變頻等領(lǐng)域運(yùn)用越來(lái)越廣泛，以及IGBT、POWER MOSFET等功率型開關(guān)器件的快速發(fā)展，使得PWM控制的高壓大功率電源向著小型化、高頻化、智能化、高效率的方向發(fā)展。本文才用的驅(qū)動(dòng)芯片選擇了高壓懸浮驅(qū)動(dòng)器IR2110芯片，來(lái)驅(qū)動(dòng)IGBT。IR2110是美國(guó)IR公司生產(chǎn)的高壓、高速POWER MOSFET和IGBT的理想驅(qū)動(dòng)器。該芯片采用HVIC和閂鎖抗干擾制造工藝，集成DIP、SOIC封裝。其主要特性包括：懸浮通道電源采用自舉電路，其電壓最高可達(dá)500V；功率器件柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍為10V-20V；輸出電流峰值為2A；邏輯電源范圍5V-20

37、V，而且邏輯電源地和功率地之間允許5V的偏移量；帶有下拉電阻的CMOS施密特輸入端，可以方便地與LSTTL和CMOS電平匹配；獨(dú)立的低端和高端輸入通道，具有欠電壓同時(shí)鎖定兩通道功能；兩通道的匹配延時(shí)為10ms；開關(guān)通斷延時(shí)小，分別為120ns和90ns工作頻率達(dá)500KHz。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括邏輯輸入，點(diǎn)平轉(zhuǎn)換及輸出保護(hù)等。驅(qū)動(dòng)電路圖如圖3.9所示。圖3.9 模擬直流電機(jī)的PEL驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)鋱D3.6 模擬直流電機(jī)的PEL控制電路的設(shè)計(jì)3.6.1 概述控制電路作為電力電子負(fù)載的控制核心，其作用主要是綜合處理外部輸入的電壓、電流信號(hào)，通過(guò)分析計(jì)算，按一定的控制策略向功率變換器發(fā)出控制信號(hào)，通過(guò)控制

38、開關(guān)管的通斷以控制系統(tǒng)的運(yùn)行模式，使裝置能夠按照預(yù)期的方式工作，并且能夠滿足設(shè)計(jì)和工藝方面的技術(shù)要求。PWM（Pulse Width Modulation）控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過(guò)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要的波形。直流斬波電路就是把電流電壓“斬”成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來(lái)獲得所需要的輸出電壓。改變脈沖的占空比就是對(duì)脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制，只是因?yàn)檩斎腚妷汉退枰妮敵鲭妷憾际侵绷麟妷海虼嗣}沖既是等幅的也是等寬的，僅僅是對(duì)脈沖的占空比進(jìn)行控制，這是PWM控制中最為簡(jiǎn)單的一種情況。數(shù)字信號(hào)處理器DSP運(yùn)算功能強(qiáng)大，數(shù)據(jù)傳輸速度特別快，存儲(chǔ)能力強(qiáng)，內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換

39、，多端口I/O口，這些特點(diǎn)使得其在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。其中，美國(guó)TI公司生產(chǎn)的高性能DSPTMS320F2812是一款高性能的數(shù)字控制芯片?？刂齐娐返年P(guān)鍵為DSP最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。TMS320F2812是TI公司生產(chǎn)的高速數(shù)字處理芯片，主要用于電動(dòng)機(jī)的數(shù)字化控制器和電源的逆變技術(shù)領(lǐng)域。此芯片具有數(shù)字處理性能更快、外設(shè)集中電路簡(jiǎn)單、程序存儲(chǔ)器空間打以及A/D轉(zhuǎn)換速度快等優(yōu)點(diǎn)，是DSP系列中的佼佼者。32位的DSP2812具有微控制器與DSP的綜合特性，運(yùn)算速度非?？?，能在一個(gè)周期內(nèi)完成32X32位的數(shù)學(xué)運(yùn)算。另外，此芯片具有快速的中斷管理模塊，使中斷延遲時(shí)間變小，能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。TMS3

40、20F2812芯片把高性能的DSP內(nèi)核，高精度的模擬外設(shè)，數(shù)字通信及控制外設(shè)、內(nèi)部Flash等集成在內(nèi)部，這就為實(shí)現(xiàn)高性能控制提供了硬件基礎(chǔ)，此芯片的主要功能模塊包括Flash、內(nèi)存時(shí)間管理器、增強(qiáng)的控制外設(shè)、A/D轉(zhuǎn)換器、CAN模塊串行通信接口、串行外圍接口、多信道緩沖串行端口、直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)等。3.6.2 控制電路設(shè)計(jì)圖3.10 控制電路電路拓?fù)淙鐖D3.10為控制電路的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。TMS320F2812部分引腳功能為：（1）XMP/MC:為高時(shí)DSP當(dāng)做CPU，為低時(shí)用作微機(jī)模式。（2）XHOLDA、XHOLD：第一個(gè)相對(duì)DSP是輸出信號(hào)，另外一個(gè)相對(duì)DSP是輸入信號(hào)，當(dāng)DSP使用外部

41、擴(kuò)展總線時(shí)可以使用這兩個(gè)信號(hào)請(qǐng)求仲裁，得到應(yīng)答后DSP就不驅(qū)動(dòng)外部總線，可以有外部的MCU或者其他器件控制DSP總線。（3）X1/XCLKIN：時(shí)鐘模塊，為處理器和外設(shè)提供時(shí)鐘信號(hào)。需接1.8V的數(shù)字電源，數(shù)字電壓一定不能超過(guò)1.8V。（4）TESTSEL：測(cè)試腳，必須接地。TMS320F2812在本論文中的應(yīng)用為，通過(guò)從電機(jī)控制裝置采樣的理論電流、轉(zhuǎn)矩信息，產(chǎn)生PWM控制波形來(lái)控制電機(jī)模擬器的四組IGBT的通斷時(shí)間，從而使電機(jī)模擬器的指標(biāo)與輸入電流一致。通過(guò)通用定時(shí)器和全比較單元都能獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)輸出，兩者的功能基本相似。要產(chǎn)生一個(gè)PWM波形，需用一個(gè)可以循環(huán)技術(shù)的通用定時(shí)器來(lái)不斷產(chǎn)生

42、連續(xù)相同PWM周期以及一個(gè)比較寄存器來(lái)存取調(diào)制值。本系統(tǒng)由于采用H橋式變換器PWM控制方式，故可由TMS320F2812的PWM產(chǎn)生部分，即2812的兩個(gè)事件管理器EVA和EVB，每個(gè)事件管理模塊可以同時(shí)產(chǎn)生8路脈寬調(diào)制信號(hào)，包括3對(duì)由完全比較單元產(chǎn)生的死區(qū)可編程PWM信號(hào)以及有通用定時(shí)器產(chǎn)生的2路獨(dú)立的PWM信號(hào)。第4章 模擬直流電機(jī)的PEL仿真實(shí)驗(yàn)4.1 SIMULINK軟件介紹SIMULINK是MATLAB最重要的組件之一，它提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無(wú)需大量書寫程序，而只需要通過(guò)簡(jiǎn)單直觀的操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng)。SIMULINK具有適應(yīng)面廣、結(jié)構(gòu)和

43、流程清晰及仿真精細(xì)、貼近實(shí)際、效率高、靈活等優(yōu)點(diǎn)，并基于以上優(yōu)點(diǎn)SIMULINK已被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。同時(shí)有大量的第三方軟件和硬件可應(yīng)用于或被要求應(yīng)用于SIMULINK。SIMULINK同時(shí)也是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是一種基于MATLAB的框圖設(shè)計(jì)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個(gè)軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號(hào)處理的建模和仿真中。SIMULINK可以用連續(xù)采樣時(shí)間、離散采樣時(shí)間或兩種混合的采樣時(shí)間進(jìn)行建模，它也支持多速率系統(tǒng)，也就是系統(tǒng)中的不同部分具有不同的采樣速率。為了創(chuàng)建動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，SIMULINK提供了

44、一個(gè)建立模型方塊圖的圖形用戶接口，這個(gè)創(chuàng)建過(guò)程只需單擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就能完成，它提供了一種更快捷、直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。本設(shè)計(jì)的電力電子負(fù)載，主要是對(duì)電路的控制進(jìn)行研究，能模擬直流電機(jī)的工作特性。因此使用SIMULINK進(jìn)行仿真，可以得到比較準(zhǔn)確的、可信度比較高的結(jié)果。4.2 模擬直流電機(jī)的PEL建模與仿真4.2.1 電機(jī)計(jì)算不同于電阻電感電容等靜態(tài)負(fù)載，電機(jī)時(shí)一個(gè)多變量強(qiáng)耦合的動(dòng)態(tài)非線性負(fù)載，其運(yùn)行過(guò)程中存在著起動(dòng)、制動(dòng)、加載、減載等動(dòng)態(tài)運(yùn)行、空載和帶載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行等多種狀態(tài)。對(duì)常見(jiàn)的直流電動(dòng)機(jī)而言，其輸入量是端口電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩，輸出量是電樞電流、轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩等狀

45、態(tài)量。在端口電壓和負(fù)載轉(zhuǎn)矩已知時(shí)，電機(jī)的各種電氣及機(jī)械狀態(tài)量都可以通過(guò)數(shù)學(xué)模型直接求解。為了簡(jiǎn)化分析，以直流永磁電動(dòng)機(jī)為例，并忽略固有機(jī)械損耗。由電動(dòng)勢(shì)平衡方程：U=Ladiadt+Raia+Cen (4.1)式中，U為電機(jī)端口電壓，La為電樞電感，ia為電樞電流，Ra為電樞電阻，Ce為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，為勵(lì)磁磁通，n為電動(dòng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速。功率平衡方程：P1=Pem+Pcu (4.2)式中，P1為輸入功率，Pem為電磁功率，Pcu為銅耗。轉(zhuǎn)矩平衡方程：Tem=TL+Jdwdt (4.3)式中Tem為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，TL為機(jī)械轉(zhuǎn)矩，J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，W為電機(jī)角速度。綜合（4.1）（4.2）（4.3）可以計(jì)算電機(jī)

46、各狀態(tài)量。本文選擇電樞電流和轉(zhuǎn)子角速度為狀態(tài)變量，得到以下?tīng)顟B(tài)方程：iaw=-RaLaCTLaCTJ0iaw+1La00-1JUTL (4.4)式中CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。根據(jù)以上狀態(tài)方程并利用后向差分法可以獲得電樞電流和輸出轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式。Ia（k）=Ia（k-1）+Ts（-RaLaIak-1-CTLawk-1+UaLa） (4.5)wk=wk-1+Ts（CTJIak-1-TLJ) (4.6)式中Ia（k-1）為第k-1個(gè)采樣點(diǎn)的電流數(shù)值，Ia（k）為第k個(gè)采樣點(diǎn)的電流數(shù)值，wk-1為第k-1個(gè)采樣點(diǎn)的電機(jī)角速度，wk為第k個(gè)采樣點(diǎn)的電機(jī)角速度，Ts為采樣時(shí)間。根據(jù)（4.5）（4.6）可知，通過(guò)實(shí)時(shí)

47、采樣端口電壓和機(jī)械轉(zhuǎn)矩信息，就可以實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻電機(jī)的理論電樞電流和轉(zhuǎn)速等狀態(tài)信息。本文采用上述的模式構(gòu)造出一個(gè)在線電機(jī)仿真模塊，實(shí)時(shí)計(jì)算電機(jī)的理論電樞電流和轉(zhuǎn)速信息，將所計(jì)算的電樞電流作為電機(jī)模擬器的電流指令，控制變換器的輸入電流與其一致，同時(shí)將計(jì)算的電機(jī)轉(zhuǎn)速信息反饋給被試電機(jī)控制裝置，使得電機(jī)控制裝置能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制。直流電機(jī)與模擬器的參數(shù)如下表所示。表4.1 直流電機(jī)本體參數(shù)表電機(jī)參數(shù)/Motor paraments數(shù)值/Values勵(lì)磁電流If/A2電樞電阻Ra/歐姆0.6電樞電感La/mH12感應(yīng)電感Laf/H1.8轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J/kg.m21表4.2 電機(jī)模擬器參數(shù)表模擬器參數(shù)/M

48、otor paraments數(shù)值/Values濾波電感L/mH2直流電壓Uc/V0.6控制器Kp12控制器Ki1.8開關(guān)頻率fc/kHz14.2.2 模擬直流電機(jī)的PEL建模圖4.1 模擬直流電機(jī)的PEL系統(tǒng)仿真圖如圖4.1為模擬直流電機(jī)的PEL系統(tǒng)仿真圖，該仿真圖的上部為模擬直流電機(jī)的電力電子負(fù)載的電路圖，下部為電機(jī)的部分。由圖可知，系統(tǒng)仿真的原理為，通過(guò)采樣模擬器電路的電流，將其與電機(jī)部分電樞電流進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器以及增益為1/100的控制之后，將信號(hào)送入到PWM產(chǎn)生部分，即產(chǎn)生的調(diào)制波與給定的載波進(jìn)行調(diào)制比較，產(chǎn)生PWM波控制IGBT的通斷，從而使模擬器的電流緊緊跟隨電機(jī)電樞電流的

49、變化，從而實(shí)現(xiàn)電力電子負(fù)載能模擬直流電機(jī)的特性。系統(tǒng)主要部分的仿真圖如下：圖4.2 他勵(lì)電機(jī)模塊圖4.2為他勵(lì)電機(jī)部分，其中DCP的s-function為電機(jī)參數(shù)的計(jì)算，并通過(guò)增益為0.2287的反饋系數(shù)構(gòu)成單閉環(huán)系統(tǒng)。將其輸出的電樞電流與模擬器的電流進(jìn)行比較。圖4.3 PWM調(diào)制模塊圖4.3為PWM調(diào)制模塊的仿真圖，由圖可知，將電機(jī)的電樞電流與模擬器電流進(jìn)行對(duì)比進(jìn)行PI調(diào)節(jié)輸入的調(diào)制波與給定的載波進(jìn)行比較，載波為等腰三角形波，當(dāng)調(diào)制波的值減去載波的值大于0，則輸出的脈沖信號(hào)為高電平，反之則輸出低電平。4.2.3 波形驗(yàn)證圖4.4 電機(jī)電樞電流波形圖圖4.5 電機(jī)模擬器電流波形圖圖4.6電機(jī)電

50、樞電流與電機(jī)模擬器電流對(duì)比圖圖4.7電機(jī)電樞電流與電機(jī)模擬器電流對(duì)比圖如圖4.4和圖4.5為電機(jī)電樞電流與電機(jī)模擬器的電流仿真波形圖，圖4.6為電機(jī)電樞電流與電機(jī)模擬器電流對(duì)比圖。圖4.7為局部放大的電機(jī)電樞電流與電機(jī)模擬器電流對(duì)比圖。圖中階梯波為電樞電流，而鋸齒波為電機(jī)模擬器的電流。由圖可知，電力電子變換器構(gòu)成的電機(jī)模擬器的模擬電流可以完美的跟蹤理論計(jì)算電樞電流，與電機(jī)模型的電樞電流幾乎沒(méi)有任何差別，從而實(shí)現(xiàn)了模擬電機(jī)的功能。結(jié) 論本文研究的是一種用于交流電源測(cè)試的能量回饋型交流電力電子負(fù)載。它通過(guò)控制被試電源的放電電流等效為被試電源所帶負(fù)載的特性就可以模擬各種負(fù)載；后級(jí)逆變部分具有能量回饋

51、功能，不僅實(shí)現(xiàn)能量的再生利用，且實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)饋網(wǎng)。本文通過(guò)分析電力拖動(dòng)的結(jié)構(gòu)，分析了直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并詳細(xì)分析了用背靠背型H橋電路模擬電機(jī)的運(yùn)行特性。完成了模擬直流電機(jī)電力電子負(fù)載系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，以及主電路、控制電路、采樣電路、驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與分析。最后通過(guò)理論分析和仿真對(duì)比驗(yàn)證了利用電力電子變換器構(gòu)成電機(jī)模擬器的方案一方面可以靈活準(zhǔn)確的模擬電機(jī)的各種運(yùn)行工況，另一方面還可以將所吸收的電能及時(shí)的回饋到電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能。不僅如此，由于電機(jī)模擬器的本體結(jié)構(gòu)參數(shù)和機(jī)械負(fù)載參數(shù)都已經(jīng)數(shù)字化，可以靈活修改，使得這種電機(jī)模擬器不僅可以測(cè)試MDS在帶不同參數(shù)的電機(jī)運(yùn)行特性時(shí)具有很大的靈活性；而且可

52、以考核電機(jī)拖動(dòng)各種特性的機(jī)械負(fù)載時(shí)MDS的適用性。同時(shí)如將以上電機(jī)模擬系統(tǒng)應(yīng)用于交流系統(tǒng)，便可構(gòu)造出模擬各種交流電機(jī)的交流電機(jī)模擬器，用于各類電機(jī)軟啟動(dòng)器，變頻器，調(diào)壓裝置的考核測(cè)試，具有廣泛的應(yīng)用前景。通過(guò)理論分析、仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)電力電子負(fù)載進(jìn)行的研究，但研究的內(nèi)容還不算很深入，如果以后有機(jī)會(huì)有更高的實(shí)驗(yàn)和研究條件，我將更加努力地對(duì)直流和交流電力電子負(fù)載進(jìn)行更深入的研究。參考文獻(xiàn)1 賈凱. 基于大功率負(fù)載模擬裝置的單相電壓型 PWM 整流器研究D. 華中科技大學(xué), 2007.2 陳堅(jiān). 電力電子學(xué): 電力電子變換和控制技術(shù)M. 高等教育出版社, 2004.3 黃俊, 電力電子, 王兆安, 等.

53、 電力電子技術(shù)M. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2000.4 張瑞平. 單相能量饋網(wǎng)系統(tǒng)的研制 DD. 北京工業(yè)大學(xué), 2007.5 陳伯時(shí), 阮毅, 陳維鈞, 等. 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng): 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)M. 機(jī)械工業(yè)出版社, 2003.6 任國(guó)海, 陳琢, 杜鵬英, 等. 磁粉制動(dòng)器對(duì)異步電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的測(cè)量J. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2006, 10(3): 275-277.7 Ryu H M, Kim S J, Sul S K, et al. Dynamic load simulator for high-speed elevator systemC/Power Conversion Conference, 2002. PCC Osaka 2002. Proceedings of the. IEEE, 20