李雅青，李 燁

(太原工業(yè)學(xué)院， 山西 太原 030008)

0 引言

脈沖寬度調(diào)制( PWM)是十分常見的控制方法，多數(shù)應(yīng)用在電力電子系統(tǒng)中，但也較多地應(yīng)用在過程控制中。PWM控制屬于一個開關(guān)控制方式，它是一種通過改變脈沖寬度來控制輸出電壓的方法。通俗來說，如果要在輸出端輸出一個變化的電壓，可通過調(diào)節(jié)占空比在輸入電壓不變的前提下實現(xiàn)各種電壓的輸出。目前已有許多專用芯片，只要加上少量外圍元件既能滿足控制要求，簡化了設(shè)計，增加了可靠性，降低了成本，故其應(yīng)用越來越廣泛[1-3]。

隨著工業(yè)和科技的飛速發(fā)展，機電一體化產(chǎn)品在當今社會越來越豐富多彩，它涉及許多不同的領(lǐng)域，如機械、液壓、電子和控制等。在這種復(fù)雜情況下，就要求某一款建模軟件可以滲透到各個領(lǐng)域中，并將這些領(lǐng)域中的東西共同整合在一個軟件中。在這種背景下，Modelica建模語言應(yīng)運而生，它極大地方便了人們研究復(fù)雜領(lǐng)域的多變模型[4-7]。Modelica語言具有以下特性：①采用“組件”概念，假設(shè)完整系統(tǒng)均由組件組成，組件具有其特定的物理意義和作用，確定組件之間的聯(lián)系方式后，就可以輕而易舉地確定整個系統(tǒng)；②多領(lǐng)域建模，目前Modelica支持電力電子、機械、液壓、熱力學(xué)、控制等多領(lǐng)域建模；③陳述式物理建模，拋開組件之間的各種聯(lián)系，即用戶可以不管組件的輸入和輸出，通過方程描述或其他辦法來實現(xiàn)單一組件的建模；④連續(xù)—離散混合建模，在實際的物理模型及操作系統(tǒng)中，通常不是單一的有著連續(xù)時變或者離散時變的一個特征，而是二者的整合，就連續(xù)時變系統(tǒng)的建模來說，在Modelica語言中完全可以使用微分代數(shù)方程來進行定義，對于離散時變系統(tǒng)而言，重點是對一些具體時間節(jié)點發(fā)生的事件進行描述和定義，Modelica語言又可以采用差分方程、狀態(tài)表等各種各樣的表示形式對上述離散事件進行定義和描述，通過在Modelica軟件中自由構(gòu)件的模型，完全可以滿足既包含連續(xù)又包含離散的特征，也就是一般意義上的混合建模。

本文在OpenModelica環(huán)境中，使用Modelica提供的電力電子基礎(chǔ)組件，搭建了脈寬調(diào)制電路，只要提供不同的晶體管控制信號，就可以輸出不同要求的電壓。

1 脈寬調(diào)制系統(tǒng)建模

脈寬調(diào)制電路主要由直流電源、4個GTO晶體管、4個與GTO晶體管反并聯(lián)的二級管、4個控制GTO晶體管開斷的脈沖信號源以及作為負載的理想電阻組成，系統(tǒng)模型如圖1所示。晶體管采用了Modelica庫中提供的理想GTO晶體管，關(guān)斷可以瞬間完成。

圖1 脈寬調(diào)制系統(tǒng)模型

2 脈寬調(diào)制系統(tǒng)仿真

設(shè)定仿真時間為4 s，直流電源電壓為10 V，負載電阻阻值為10 Ω，GTO晶體管控制信號如圖2所示。由脈寬調(diào)制技術(shù)原理可知，改變信號源占空比，就可以改變輸出電壓，占空比定義為一個周期內(nèi)導(dǎo)通時間與周期之比。這樣只要改變電路中4個信號源的周期與導(dǎo)通時間就可以改變輸出電壓的大小和極性。

本文建立的脈寬調(diào)制電路是雙極性脈寬調(diào)制電路，即其輸出的電壓和極性可變，電路中4個GTO晶體管分成兩組(如圖1所示)，第一組為GTO1和GTO4，第二組為GTO2和GTO3，每組晶體管同時通或斷，而且總有一組晶體處在導(dǎo)通狀態(tài)。GTO晶體管的驅(qū)動信號由兩組通斷時間相對的脈沖信號源驅(qū)動。仿真中采用了50%占空比并且周期為2 s，仿真結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，經(jīng)過脈寬調(diào)制，純電阻負載電壓電流方向呈現(xiàn)交流電方式，即脈寬調(diào)制回路改變了輸出電壓的極性。

圖2 晶體管控制信號

圖3 純電阻負載的電壓U和電流I大小

接下來將負載由純電阻改成電感加電阻的形式，新加入的電感設(shè)定為1 H，仿真得到的電阻上的電壓和電流如圖4所示。圖4與圖3進行比較，可以明顯地看出電感的出現(xiàn)使得電壓得到一定的平滑，另外在極性切換的時候，二極管起到了一定的續(xù)流作用，這與理論分析結(jié)果一致[8-9]。

3 結(jié)論

本文通過Modelica在OpenModelica環(huán)境中建立了脈寬調(diào)制系統(tǒng)模型，仿真分析了不同負載條件下系統(tǒng)輸出的電壓和電流。仿真結(jié)果說明脈寬調(diào)制電路可以將直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能,當負載是純電阻時，二極管不起作用；當負載是電感性負載時，二極管起續(xù)流作用。在脈寬調(diào)制電路建好后，可以將之轉(zhuǎn)換成組件，這樣可以在其他應(yīng)用中直接進行調(diào)用。

圖4 電感加電阻負載中電阻上的電壓U和電流I大小

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