一、两种建模方法的异同
相同点:都存在PWM、H桥、电动机等模块
不同点:直流电机模块所使用的的建模方式不同,第一种建模方式采用传递函数来代替直流电机;第二种建模方式使用电阻、电感、和受控电压源(反电动势)来作为直流电机模块。
二、直流电机电感参数的计算
根据第45页已知条件如下
其中,电枢回路总电阻
,电磁回路时间常数
根据
我们可以求得电感
此时直流电机的电感模块即可求得,当我们在MATLAB选择直流电机中的电阻值时输入已知,而电感值输入此处求得的即可,剩下的反电动势由受控电压源来替代,受控电压源的电压则可根据上方公式可求得。
三、直流电机模型的搭建原理
根据35页的直流电动机的动态结构框图,如下
可在MATLAB中搭建简易的直流电机模型(无PWM及H桥模块),如下
最后仿真结果如下
电机转速n结果如下:
反电动势E结果如下:
此模型仿真后的转速n结果与所发模型的转速n结果相同,两者等效。
四、PWM原理
PWM即脉冲宽度调制,是一种模拟控制方式,根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置,来实现晶体管或MOS管导通时间的改变,从而实现开关稳压电源输出的改变。这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定,是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。脉冲宽度调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术,广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
我们使用PWM的方式来代替直流源,为什么要使用PWM?例如,应用场景如四驱车,放一个新电池会特别快,当电池电量下降,转速也会下降,在四驱车玩具这里可以忍受,但在工业商用电动汽车不能越开越慢,应车速可控,也就要求直流电源可控,直流电压可控。
在MATLAB中,如果给一个100V的直流电池,只能一直100V,不能在车运行时一直换电池。100V的电池只有10%在工作那就相当于10V的电池一直工作。
引入PWM,在保证直流侧电压足够的前提下,我们可以线性的变换出0~100V这样的电压,此时就不需要物理性的换电池,PWM是弱电控制信号,我们可以通过MCU或DSP或PGA硬件在计算机中给一个信号去生成对应的占空比PWM实现这样的调速。
它可以非常方便的实现线性的变换。
五、H桥原理
H桥(H-Bridge),因外形与H相似故得名,常用于逆变器(DC-AC转换,即直流变交流)。通过开关的开合,将直流电(来自电池等)逆变为某个频率或可变频率的交流电,用于驱动交流电机(异步电动机等)。
下方先介绍用于直流电动机时的原理,H桥可以控制电动机的正反转,以及通过PWM来控制H桥进行电机的调速。
h桥用于直流电机工作原理:
上图中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿,而电机就是H中的横杠(注意:图只是示意图,而不是完整的电路图,其中三极管的驱动电路没有画出来)。
H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转,必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况,电流可能会从左至右或从右至左流过电机,从而控制电机的转向。
要使电机运转,必须使对角线上的一对三极管导通。例如,如下图所示,当Q1管和Q4管导通时,电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机,然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示,该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时,电流将从左至右流过电机,从而驱动电机按特定方向转动(电机周围的箭头指示为顺时针方向)。
上图所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况,电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时,电流将从右至左流过电机,从而驱动电机沿另一方向转动(电机周围的箭头表示为逆时针方向)。
h桥用于逆变器工作原理:
如上图所示单相桥式逆变电路工作原理开关T1、T4闭合,T2、T3断开:u0=Ud;开关T1、T4断开,T2、T3闭合:u0=-Ud;当以频率fS交替切换开关T1、T4和T2、T3时,则在负载电阻R上获得交变电压波形(正负交替的方波),其周期Ts=1/fS,这样,就将直流电压E变成了交流电压uo。uo含有各次谐波,如果想得到正弦波电压,则可通过滤波器滤波获得。
主电路开关T1~T4,它实际是各种半导体开关器件的一种理想模型。逆变电路中常用的开关器件有快速晶闸管、可关断晶闸管(GTO)、功率晶体管(GTR)、功率场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅晶体管(IGBT)。
在实际运用中,开关器件存在损耗:导通损耗(conducTIonlosses)和换相损耗(commutaTIonlosses)和门极损耗(gatelosses)。其中门极损耗极小可忽略不计,而导通损耗和换相损耗随着开关频率的增加而增加。
六、模型中各模块介绍(简单介绍所用的模块)
Powergui
:是跨越simulink模块和power system模块的一个桥梁,它是一种转折,将电气仿真的一种逻辑或者信号结果转换成了simulink处理的一种方式
Step
:输出阶跃函数
Gain
:增益模块
Integrator
:积分模块
Add
:加法运算法
Sum
:加减运算,可以加减标量、向量和矩阵;
Saturation
:饱和度模块,用来限幅,可用来限制符号上下限
Repeating sequence
:三角波发生器
Relay
;这是一个滞环比较器,一般用来作为调节有波动的系统时的缓冲
Not
:输入为0时输出为1. 输入非0时输出为0
Current Measurement
:电流表,测量电流
Voltage Measurement
:电压表,测量电压
Mosfet
:金属氧化物半导体场效应管
Scope
:示波器,可以将电流或者电压等参数以曲线的方式显示出来
Transfer-Fcn
:线性传递函数模型,此处用来替代直流电机
Series RLC Branch
:里面包含电阻、电感、电容模块,可自由选择一个或多个,此处选择了电阻及电容
Controlled Voltage Source
:受控电压源,此处用来做反电动势