摘要：本文介紹了一種基于脈沖寬度調制信號，采用H橋對直流電機進行調壓調速的驅動電路，利用PWM調節導通時間來改變輸出波形的寬度，從而達到調壓調速的目的。本文的電力電子設計中采用的二極管的橋式連接和絕緣柵型三極管構成的橋式連接，來調節直流電機可逆，控制寬度調節輸出波形的時間，來實現調速。通過實驗仿真，本系統滿足了可逆和調速功能。

關鍵詞：調速；可逆；脈寬調制；H橋驅動電橋；

0引言

PWM控制技術以其控制簡單，靈活和動態響應好的優點而成為電力電子技術最廣泛應用的控制方式，也是人們研究的熱點。由于當今科學技術的發展已經沒有了學科之間的界限，結合現代控制理論思想或實現無諧振波開關技術將會成為PWM控制技術發展的主要方向之一。式，其根據相應載荷的變化來調制晶體管基極或MOS管柵極的偏置，來實現晶體管或MOS管導通時間的改變，從而實現開關穩壓電源輸出的改變。這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數字信號對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。

脈沖寬度調制是一種模擬控制方脈沖寬度調制是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域。中脈沖寬度調制是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。

自從全控型整流電力電子器件問世以后，就出現了采用脈沖寬度調制的高頻開關控制方式，形成了脈寬調制變換器—直流電動機調速系統，簡稱直流脈寬調速系統，或直流PWM調速系統。PWM系統在很多方面有較大的優越性：

主電路線路簡單，需用的功率器件少；

開關頻率高，電流容易連續，諧波少，電機損耗及發熱都較小；

低速性能好，穩速精度高，調速范圍寬，可達1：10000左右；

若與快速響應的電動機配合，則系統頻帶寬，動態響應快，動態抗干擾能力強；

功率開關器件工作在開關狀態，導通損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，因而裝置效率較高；直流電源采用不控整流時，電網效率因數比相控整流器高。

1直流電機工作原理

通電導體在磁場中會受到電磁力的作用--電磁力定律。電動機就是應用這個定律工作的。下圖為直流電動機的原理圖。

圖1直流電機原理圖

電樞繞組通過電刷接到直流電源上，繞組的旋轉軸與機械負載相聯。電流從電刷A流入電樞繞組，從電刷B流出。電樞電流Ia與磁場相互作用產生電磁力F，其方向可用左手定則判定。這一對電磁力所形成的電磁轉矩T，使電動機電樞逆時針方向旋轉。如上圖a所示。

當電樞轉到上圖b所示位置時，由于換向器的作用，電源電流Ia仍由電刷A流入繞組，由電刷B流出。電磁力和電磁轉矩的方向仍然使電動機電樞逆時針方向旋轉。

電樞轉動時，割切磁力線而產生感應電動勢，這個電動勢(用右手定則判定)的方向與電樞電流Ia和外加電壓U的方向總是相反的，稱為反電動勢Ea。它與發電機的電動勢E的作用不同。發電機的電動勢是電源電動勢，在外電路產生電流。而Ea是反電動勢，電源只有克服這個反電動勢才能向電動機輸入電流。

可見，電動機向負載輸出機械功率的同時，電源卻向電動機輸入電功率，電動機起著將電能轉換為機械能的作用。

發電機和電動機兩者的電磁轉矩T的作用是不同的。發電機的電磁轉矩是阻轉矩，它與原動機的驅動轉矩T1的方向是相反的。電動機的電磁轉矩是驅動轉矩，它使電樞轉動。電動機的電磁轉矩T必須與機械負載轉矩T2及空載損耗轉矩T0相平衡，即T＝T2十T0。當電動機軸上的機械負載發生變化時，則電動機的轉速、反電動勢、電流及電磁轉矩將自動進行調整，以適應負載的變化，保持新的平衡?？梢姡绷麟姍C作發電機運行和作電動機運行時，雖然都產生電動勢和電磁轉矩，但兩者作用截然相反。

2PWM控制調速原理

直流電機PWM調速的基本原理圖如圖2所示。可控開關S以固定的周期重復地接通和斷開，當開關S接通時，直流供電電源U通過開關S施加到直流電機兩端，電機在電源作用下轉動，同時電機電樞電感儲存能量；當開關S斷開時，供電電源停止向電動機提供能量，但此時電樞電感所儲存的能量將通過續流二極管VD使電機電樞電流繼續維持，電樞電流仍然產生電磁轉矩使得電機繼續旋轉。開關S重復動作時，在電機電樞兩端就形成了一系列的電壓脈沖波形，如圖3所示。

電樞電壓平均值Uav的理論計算式為:

其中α為占空比，即導通時間與脈沖周期之比。

由式（1）可知，平均電壓由占空比及電源電壓決定，保持開關頻率恒定，改變占空比能夠相應地改變平均電壓，從而實現了直流電動機的調壓調速。

圖2簡單直流PWM控制電路

圖3電壓及電流波形

3脈寬調制變換器

在干線鐵道電力機車、工礦電力機車、城市電車和地鐵電機車等電力牽引設備上，常采用直流串勵或復勵電動機，由恒壓直流電網供電。過去用切換電樞回路電阻來控制電機的起動、制動和調速，在電阻中耗電很大。為了節能，并實行無觸電控制，現在多改用電力電子開關器件，如快速晶閘管，GTO，IGBT等。采用簡單的單管控制時，稱作直流斬波器，后來逐漸發展成采用各種脈沖寬度調制開關的電路，統稱為脈寬調制變換器。

直流斬波器-電動機系統的原理如圖4（a）所示，其中VT用開關符號表示任何一種電力電子器件，VD表示續流二極管。當VT導通時，直流電源電壓Us加到電動機上；當VT關斷時，直流電源與電機脫開，電動機電樞經VD續流，兩端電壓接近于零。如此反復，得到電樞端電壓波形u=f(t),如圖4（b）所示，好象是電源電壓Us在ton時間內被接上，又在（T-ton）內被斬斷，故稱為“斬波”。這樣，電動機得到的平均電壓為：

Ud=(ton/T)*Us=ρ*Us

式中T---功率開關器件的開關周期

ton---開通時間

ρ---占空比，ρ=ton/T=ton*f，其中f為開關頻率。

a）原理圖b)電壓波形圖

圖4脈寬調制變換器-電動機系統的原理圖和電壓波形圖

4系統仿真調試

直流PWM的主電路作為電能變換的功率平臺已事先做好，只需將控制板安放在主電路上方，并將主電路板上J3和J6、J7與控制板上對應的J3和J6、J7用排線相連，就可進行調試，主電路和控制電路中所有可接觸部分的電壓均在30V以下，不會出現電擊現象。為了方便調試及保證電路安全，增設調試盒一個。整個系統的連接關系如圖5所示。

圖5調試系統的組成

調試盒上面安放2個開關、2個指示燈和1個電流表，其系統調試合面板如圖6所示。S1用于開關總電源，L1為其上電指示。S2用于接通或斷開H橋的直流電源（可用于電機的啟?？刂疲?，L2為其上電指示。電流表M1用于檢測負載電流。主電路中H橋（即IPM模塊）前串入的電阻R1和R2，阻值各為5歐姆，用于限制短路電流，保護IPM。Ra為電機電樞回路的電流取樣電阻（阻值為1歐姆），用于觀測電樞電流的波形。

圖6系統調試盒的面板

在整個調試過程中，系統各部分均正常，電流表上的電流指示值在0.5A以內。

5結論

脈沖寬度調制是一種模擬控制方脈沖寬度調制是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域。本文的電力電子設計中采用的二極管的橋式連接和絕緣柵型三極管構成的橋式連接，來調節直流電機可逆，控制寬度調節輸出波形的時間，來實現調速。通過實驗仿真，本控制系統適合電機可逆和調速功能。