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1、附件 C：译文 采用标准采用标准 PWM 控制技术的直流伺服电动机升压降压型控制技术的直流伺服电动机升压降压型交直流转换器的建模与仿真交直流转换器的建模与仿真摘要摘要PWM 控制的整流器能够有效且经济地应用于直流电机驱动上和作为中小型整流变极系统的前端转换器电源 ，同时其优越性在于结构简单和整流方案的操作可靠性。由于输出的直流电压会高于输入的峰值电压，所以交直流升降压转换驱动装置尤其适合在变速驱动系统里面作为动力源前端，把输入电压转换成为可变的直流电压，这里要用到一个单相或者三相电源。在本文中，介绍了一种标准的PWM 控制的单相交直流升降压转换直流电机驱动装置的动态模型和稳态等效电路，讨论并检
2、验了电压、电流波形及输入及输出特性。阐明了测量、计算以及模拟结果之间有紧密关系，证明了该模型是有效和准确的。关键词:升降压；交直流转换器；标准 PWM 技术；直流电动机1 1 介绍介绍 一般来讲，交流（从母线或者发电机）转换为直流是通过使用二极管接成整流桥并连接一个大容量直流电容器进行整流器输出的。使用普通二极管整流桥有很多缺点，输入电流谐波成分高，输入因数最大达到约 0.5，直流输出电压不可调等。为此许多专家在尽量减少谐波电流成分和改善输入功率因数方面做出了很多尝试。使用半导体晶闸管式交直流转换器有结构简单的优点，然而，它的输入功率因数低且输出下降外特性曲线。由二极管整流桥和直流断路器构成的
3、整流器比起晶闸管式整流器有更高的输入功率因数，但仍然输出下降的外特性曲线。为了改善这些缺点，各种各样的电路结构都使用了由高频开关元件构造的脉宽调制（PWM）技术，二极管整流桥与升压型直流断路器相结合是需要许多元件的。关于脉冲宽度控制研究的交直流转换器被加以报道，并且仅考虑了 RL 负载。本文介绍了在标准 PWM 单相交直流降压直流电机驱动转换器的稳态模型方面的所做的一种尝试。研究了在使用 CUK 型交直流升压转换器用于构建直流伺服电指导教师评定成绩 (五级制)：指导教师签字：机驱动器时的稳态和瞬态特性。本文拟建一个单相且只有一个开关元件的 PWM 交直流升降压转换驱动器。这种基于标准 PWM
4、控制的交直流转换器是非常简单和易于实现的。分析和阐明了这种转换器的性能，介绍了 PWM 控制策略，直流电压控制方法和仿真方案。详细讨论了转换器的输入输出特性，电压、电流的波形以及动力特性。除此之外，该转换器还具有输出直流电压调节范围宽和输出直流电压高于输入交流峰值电压，且只有一个开关元件的特点。该转换器还大大减少了功率开关元件数量。这样在小的安装尺寸以及更少的能量损失等方面就有更加显著的优势。这说明了开关元件的数量的多少对交直流转换器的特性影响不是很大，从而说明了单开关转换器非常适合于经济型直流调压器。无论如何，使用多开关提高了开关损失及系统的成本，其安装的不可调和性也是无法避免的。2 2 电
5、路描述及其工作原理电路描述及其工作原理图 1 为一个独立的给直流电机提供动力的交直流降压升压转换器的示意图。在图中我们可以看到该 PWM 驱动转换器由一个单开关元件组成的整流桥，直流电感线圈，一个由二极管连接和直流电感线圈串联再和直流电感线圈并联。拟建的转换器拟采用递升和递降断路器。在此结构中，电感起这着能量存储/转换元件的作用，通过由可控半导体功率器件构成的配电方案从而能够很容易地得到输出电压的递升、递减特性。整个转化过程通过两个不同的功率阶段加以完成，它们分别为整流阶段和控制分配阶段。在第一个阶段，一个简单的二极管桥式整流器被用来统一电机电流和供应电压。一个 IGBT 工作在最大频率值且采
6、用均匀的 PWM 的控制策略在第二阶段被加以采用以控制输出平均电压的波动幅度。这样在整流阶段，负载电压和电流的波形频率就在相当与输入频率两倍处反复波动。图 1 交直流升降压直流电机驱动转化器原理图 2.12.1 PWMPWM 配电方案及直流电压的控制配电方案及直流电压的控制IGBT 驱动信号是由比较一个直流参考信号，可变的振幅 VC,伴随着一个锯齿形波，一个恒定振幅的 Vr和频率 fs,众所周知的开关频率。VC与 Vr之间的比值D=Vc/Vr称为占空因数，被定义为“导通”时间 Ton与总的开关周期 Ts=Ton+Toff之比。平均输出电压是通过改变可变的 VC来控制占空因数 D（图表 2）的。
7、图 1 PWM 开关信号的波形图3 操作方法操作方法操作方法及在这种由递降递减转换器伺服直流电机模式之中的等效电路依靠开关条件为开关元件和二极管 D。每个工作循环都取决于开关元件和二极管的状态，且都由 2 个或者 3 个不同的传导模式合并起来。图 3 说明了对于阳极提供电压来说一个配电循环有 3 种可能的模式。这些模式如下。3.1 充电模式充电模式在充电模式当中，开关元件处于导通状态，所以二极管 D 处于反偏压状态，输入电压的绝对值通过电感线圈。如图 3a 所示，电感电流 iL 将会上升并通过输入端，使能量储存到电感里面。在这种模式中，电机线圈接入端和输出电容被隔离于输入端。所以电容由上一个周
8、期积累的电荷进行充电，并通过电枢绕组进行放电。系统会保持这种模式直到开关元件开启开关动作。在图 3a 中粗线表示在这一模式期间可能的电感电流和电机电流流通路径。3.2 放电模式放电模式放电模式是对充电模式的补充。当开关元件调到关的时候系统就转换到此模式并且二极管 D 处于正向导通。如图 3b 所示，电感电流 iL变小并流过输出端和输出电容 C 以及直流电机。电感电压方向与其极性相反，并使二极管 D 正向导通。存储在电感里面的能量被转化到电机且电感电流将会下降直到开关元件在下一个工作循环重新调到开的状态或者电感电流减少到零的时候为止（模式 3） 。电容是依照电感电流的下降来实现充电的。3.3 模
9、式模式 3在模式 3 中开关元件一直处于关闭的状态带是电路条件会引起电感电流 iL下降到 0 以使二极管 D 处于反偏状态。开关元件处于导通的状态的话这种模式将会一直持续。系统也将会停留在放电模式达由系统参数决定的一周期内。当然，这段时间不会超过开关元件的关闭时间段。如果电感电流 iL假定是连续的，模式 3就会消失。图 3c 表示了在这一工作模式时间段的等效电路。(a)模式 1 IGBT 导通；二极管 D 断开(b)模式 2 IGBT 断开；二极管 D 导通(c)模式 3 IGBT 和二极管 D 同时断开图 3 工作模式和正半循环电流路径4 4 模型仿真模型仿真这一部分，将讨论交直流降压升压转
10、换器的瞬态及稳态分析。假设功率电子元件是理想的，开关频率比起供电频率高出很多，这样在每一个开关周期就可以把输入和输出电压看作常数。4.14.1 瞬态分析瞬态分析可变状态描述了一个由交直流升降压转换器伺服的分激直流电动机的动力表现同时取决于开关元件和二极管 D。三种工作模式在图 3 中以插图的形式被加以考虑。上面总共介绍的三种模式，二极管桥式连接输出电压被求出一般的分激直流电机电压方程式能被表示如下而电磁转矩方程式如下这里 km是电机常数且求出为可推出电磁转矩 Te可以求出为分析以无显著特征形式存在即与每个供应循环的脉冲数量没有关系。更进一步分析和解决方案要由实验证明。为了分析目的输入电压假设为
11、正弦曲线。根据图 3 所示的所选的电流方向，下面的不同模式的状态或者性能方程式都能在下面发现：4.2 稳态分析稳态分析稳态分析旨在为转换器建立模型，从而获得一个与交直流升降压转换器相似等效电路。图 4 显示了在一个完整的开关循环期间相应的连续和非连续的电感电流和电压波形。基于对高开关频率的使用，假设输入电压在开关周期内为常数。电感电压 VL在充电模式期间是输入电压 V，在放电模式期间是输出电压V0。因为恒定的开关频率和近似稳态的开关转换器分析，在每一个开关循环平均电感电压能够求出断路器的占空因数 D 函数(a)连续型运转(b)非连续型运转图 4 一个开关周期电感电压及电流波形这里的 V(t)和
12、 V0(t)是平均调整电压和直流转换器在一个开关周期之间的输出电压。两个电压是各自独立的，假设 V0(t)与 V(t)极性相反。电感电压可以由此求得这里的 iL(t)是每个开关周期的平均电感电流。电感电流即在放电模式期间产生输出电流是由输入电流在充电模式期间引起的。因此，便可以得出下列关于输入和输出电流的关系：这里的 is(t)和 i0(t)分别表示在一个开关周期里面的平均输入电流和平均输出电流。从方程式(17)和(18)可以得到下面的关系式：把方程式(20)代入(21)得到方程式(22)表示了如图 5 所示的一个交直流降压升压转换器的稳态等效电路。从图中可以得到下面的电流关系式：一定要注意的
13、是输出电容一定要充分的大以使输出直流电压变得平滑，使其频率在两倍输入频率处上下波动，就像传统桥式整流器一样。在稳态为了务必获得一个大的输出电容，假设输出电压 V0(t)和电流 i0(t)的平均值是常数；方程式(22)的第二个代数式假设等于 0；这样考虑到输入电压就可以得到输出电压的转移函数如下上面的等式可以推导一个关于输出电压和直流整流电压之间的关系。从方程式(24)可以看出拟建的整流器，当占空因数 D0.5 时工作在递升模式，D0.5 时工作在递降模式。当 D0.5 时，输出电压与直流整流电压相等。实际上工作模式 3 的时间间隔非常短，只有如本文描述的在开关频率足够高的情况下才存在这种情况。
14、忽略模式 3 的工作就如在图 1 所示的交直流转换器可以用图 5 所示的直流等压电路来表示，转换器可以被一种完全的整流输出电压V(t)且 D 是开关元件的占空因数的直流直流转换器来替代。一种升压降压调整器提供一种高于或者低于输入电压的补偿电压，所以该调整器被称为升降压。这种转换器也被称为反向转换器，因为输出电压极性跟其整流阶段输入电压极性相反。图 5 交直流升降压转换器的相似等效电路图5 仿真和实验结果仿真和实验结果仿真研究：正如在分析里面所知，假设转换器工作由理想的电路元件组成且其转化处于理想状态。方程式(6)-(16)是采用数学上的第四种容格库塔法描述了转换器的所有工作模式。为确保工作模式
15、之间正确的转换，态变数的初始条件在每个模式开始的时候就由上一态变数的结果计算出来。基于 MATLAB-SIMULINK软件的仿真结果被加以采用且该结果与实际结果相差很小。为了检验工作原理的可行性和理论结果的正确性，一个额定2.2KW(220V,10A)的小功率原型在实验室做实验。PWM 交直流升降压转换器实验系统的功率回路如图表 1 所示。它由以下几个部分组成：主功率回路，一个PSB35/14(1400V，35A)二极管桥式整流器，一个 MG50J2YS1(600V，50A)绝缘栅型场效应管(IGBT)作为开关元件，一个额定功率为 1.25KW 的直流电动机，一个180V，8.6A，735rp
16、m 的发电机与之相配作为电动机的负载。选择一个的330 F输出电容来得到一个近似的输出电压波形图。仿真实验性的主回路常数和条件罗列在表格 1 中。开关频率为 1.8Hz。占空因数为 0.8 额定电压 180V 的电动机最大交流供应电压为 70.69V。表格 1仿真电路及测试电动机参数参数符号数值最大输入电压输入频率开关频率电容电枢电阻电枢电感电动机常数电感转动惯量VsmffsCRmLmKmLJ70.69V50Hz1.8KHz330 F2.956.0mH2.11V(rad/s)95.8mH0.25kgm2通过仿真实验估算得到且由占空因数决定的平均输出电压特性在图 6 中用曲线表示出来。从图中可以看到可以通过调节占空因数把输出电压从 0 调节到比最大输入峰值电压还大的值。平均输出电压与占空因数的变化密切相关且平均输出电流因为因数(1-D)总是小于电感电流。这里需要图表注意，在没有一个转化装置的情况下升降压转换器提供的输出电压极性相反且其高效率是因为采用另外单开关元件。图 7 说明了电动机转速随着占空因数的变化而变化的情况。能够通过控制占空因数来进行宽范围的
