采用标准pwm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

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1、指导教师评定成绩(五级制)：指导教师签字：附件C：译文采用标准PWM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

2、置的动态模型和稳态等效电路，讨论并检验了电压、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

3、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R－L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

4、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

5、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

6、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2.1PWM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

7、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。图1PWM开关信号的波形图3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

8、下。3.1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。