死区时间的影响与形成

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逆变器死区时间对永磁同步电动机系统的影响

逆变器死区时间对永磁同步电动机系统的影响

I GB T 的集电极流到发射极 ,因此电流仍流过续流二
极管 ,如图 3 的 ④所示 。进入间隔 ⑤,左侧的上 I G2
B T 截止 ,下管子不能立即导通 ,这时仍由二极管续
流 ,当下侧管子的延时时间结束时 ,左侧下方的管子
导通 ,进入时间间隔 ⑥,输出电压变为 0 。
由以上分析可知 ,当电流 ia < 0 时 ,忽略寄生电
和直轴电流 。
根据式 (10) 对某永磁同步电动机系统进行仿真 ,
得到不同负载 ( iq) 情况下逆变器期望输出电压与电 机转速曲线 ,如图 8 所示 。考虑逆变器延时时间的永
进行分析就足够了 。图 2 和图 3 分别是电机一相负
载 H 桥结构逆变器的时序和拓扑电路示意图 。在图
2

,
V
a0表示期望的逆变器输出电压
,
V
+ aG
,
V
a-G分别
表示左侧桥臂上 、下功率开关管的门极驱动信号 ; V a
© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
在永磁同步电机系统中 ,电流调节器的输出与三 角波 (载波) 在比较器中比较后产生 SPWM 信号 ,经 过延时互锁和驱动电路后驱动功率器件 I GB T ,使逆 变器的输出电压很好地跟踪电流调节器输出 ,实现了 电机的准矢量控制[1 ,2 ] 。SPWM 逆变器的结构示意
收稿日期 :2000 04 24
12 微特电机 2001 年第 3 期
图如图 1 所示 。在一些文献中 ,把功率逆变器的作用 等效为一个放大环节 , 用增益 Ks 代替 。理想情况 下 ,逆变器一个桥臂的上下两个功率开关总是互补地 导通和关断 。为了防止上下开关瞬时的同时导通引 起直流母线电压的短路直通 ,在 I GB T 的门极驱动信 号引入比实际开关时间要长的延时时间 (也称为死区 时间) t d[3 ,4 ] 。死区时间的引入使逆变器的输出产生 死区效应 ,输出电压与期望的电压存在偏差 ,引起基 波电压的降低 ,并且使输出电压中产生谐波 。

mos管的死区时间 -回复

mos管的死区时间 -回复

mos管的死区时间-回复Mosfet(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,金属氧化物半导体场效应晶体管)是一种常用的半导体器件,广泛应用于电子设备中。

它具有高开关速度和低功耗的特点,因此在数字电路和功率放大器中被广泛使用。

而Mosfet的死区时间(Dead Time)则是指在开关过程中,导通与关断之间的一段时间,它对于Mosfet的正常工作非常重要。

本文将一步一步地回答关于Mosfet死区时间的问题,并解释其影响和应对措施。

首先,让我们了解一下什么是Mosfet的死区时间。

在电子设备中,Mosfet 通常用于开关功率。

当信号输入到Mosfet时,它会切换导通或关断,从而控制电流的流动。

然而,由于Mosfet内部的电荷积累和释放过程需要一定的时间,无法实现一个瞬间的过渡,这就导致了死区时间的存在。

具体来说,在Mosfet的驱动电路中,由于开关过程的信号延迟,可能会出现导通和关断之间的重叠现象。

这种重叠存在的时间段就是死区时间。

如果在这段时间内,两个Mosfet同时导通,会导致电流突然过高,可能引发故障甚至损坏设备。

了解了Mosfet死区时间的定义后,接下来我们来探讨死区时间对Mosfet 工作的影响。

首先,较长的死区时间会导致Mosfet的开关速度变慢。

当信号需要在两个Mosfet之间切换时,等待死区时间会导致整体开关速度下降,影响电路的响应速度。

其次,死区时间还会影响Mosfet的功耗。

在死区时间内,两个Mosfet 同时导通,会产生短暂的短路电流,这会增加功耗。

当死区时间过长时,这种短路电流会频繁出现,导致功率损耗增加,降低电路的效率。

现在,对于Mosfet的死区时间,我们需要采取一些措施来应对。

首先,可以通过适当的设计来减小死区时间,以提高Mosfet的开关速度。

例如,选择合适的驱动电路和驱动信号,可以减少信号延迟,从而减小死区时间。

电荷泵死区时间

电荷泵死区时间

电荷泵死区时间电荷泵是一种将电荷从低电位输送到高电位的装置,用于产生高电压。

在电荷泵的工作过程中,存在着一个重要的参数,即死区时间。

本文将对电荷泵死区时间进行详细介绍。

一、电荷泵的工作原理电荷泵是一种基于电容器充电和放电的原理来实现电荷输送的装置。

它由一系列开关和电容器组成,通过不断地充电和放电来实现电荷的输送。

在充电过程中,电荷被输送到高电位端,而在放电过程中,电荷被释放到低电位端,从而实现电荷的输送。

二、电荷泵死区时间的定义电荷泵死区时间是指在电荷泵工作过程中,由于开关操作的延迟和电容器充放电的时间,导致电荷泵无法连续工作的时间间隔。

在这个时间间隔内,电荷泵无法继续将电荷输送到高电位端,从而影响了电荷泵的输出效果。

三、电荷泵死区时间的影响因素电荷泵死区时间受到多种因素的影响,包括开关操作的延迟时间、电容器充放电时间以及电荷泵的工作频率等。

其中,开关操作的延迟时间是主要的影响因素之一。

当开关操作的延迟时间较长时,电荷泵的死区时间也会相应增加。

此外,电容器充放电时间也会对死区时间产生一定的影响,充放电时间越长,死区时间越长。

另外,电荷泵的工作频率也会对死区时间产生影响,频率越高,死区时间越短。

四、电荷泵死区时间的影响电荷泵死区时间的增加会对电荷泵的输出效果产生一定的影响。

首先,死区时间会降低电荷泵的输出电压。

在死区时间内,电荷泵无法将电荷输送到高电位端,导致输出电压降低。

其次,死区时间的增加会降低电荷泵的输出效率。

由于死区时间的存在,电荷泵无法连续工作,导致输出效率降低。

此外,死区时间的增加还会增加电荷泵的功耗,降低其能效。

五、减小电荷泵死区时间的方法为了减小电荷泵死区时间,可以采取一些措施。

首先,可以通过优化开关电路设计来减小开关操作的延迟时间,从而降低死区时间。

其次,可以选择合适的电容器来减小其充放电时间,以达到减小死区时间的目的。

此外,还可以通过提高电荷泵的工作频率来减小死区时间。

六、电荷泵死区时间的应用电荷泵死区时间的大小对于电荷泵的输出效果和性能有着重要的影响,因此在电荷泵的设计和应用中需要对死区时间进行充分的考虑。

mos管的死区时间

mos管的死区时间

mos管的死区时间MOS管是一种金属氧化物半导体场效应管,具有高频和低功耗的特点,广泛应用于各种电子设备和电路中。

然而,MOS管在工作过程中存在一个重要参数——死区时间,这是影响其性能和稳定性的关键因素之一。

本文将对MOS管的死区时间进行探讨,并分析其原因和对电路设计的影响。

首先,让我们了解一下MOS管的基本结构和工作原理。

MOS管由金属氧化物半导体场效应管和金属-半导体接触组成,其中金属氧化物半导体场效应管的介电层充当绝缘层。

当施加电压至场效应管的栅极时,栅极下方的二维电子气被激发,形成一种称为沟道的导电路径,从而实现电流的控制。

当栅极电压为零时,由于介电层的存在,MOS 管被截止,电流无法通过。

然而,由于MOS管的结构和反应原理,它在切换时存在一定的延迟,这就是所谓的死区时间。

具体来说,当我们从导通状态切换到截止状态时,MOS管需要一段时间来收回已经形成的沟道,这个过程称为阻尼过程。

同样地,当我们从截止状态切换到导通状态时,MOS管也需要一段时间来重新形成沟道,这个过程称为恢复过程。

在这两个过程中,MOS管的死区时间就是指从一个状态切换到另一个状态所需的时间间隔。

MOS管的死区时间主要受到以下几个因素的影响。

首先是栅极电压的变化速度。

当栅极电压变化速度较慢时,MOS管的阻尼过程和恢复过程相对较短,死区时间也就相对较短。

但是,当栅极电压变化速度较快时,MOS管的阻尼过程和恢复过程相对较长,死区时间也就相对较长。

因此,要减小MOS管的死区时间,我们需要控制栅极电压的变化速度。

其次是MOS管中的内外电容。

MOS管的内电容是指沟道和栅极之间的电容,而外电容则是指沟道和外部环境之间的电容。

这两个电容在切换过程中会影响电荷传输速度,从而对死区时间产生影响。

一般来说,较大的内外电容会导致更长的死区时间,而较小的内外电容则会缩短死区时间。

因此,在设计MOS管电路时,我们应尽量减小内外电容的大小,以减小死区时间。

全桥开关管死区时间电压负的

全桥开关管死区时间电压负的

全桥开关管死区时间电压负的问题分析一、引言在电力电子转换系统中,全桥电路因其高效率、大功率处理能力而广泛使用。

而在全桥电路中,开关管的开关动作是实现电能转换的关键。

然而,在实际应用中,由于死区时间的设置以及电压负的问题,全桥开关管可能会出现性能下降甚至损坏。

本文将深入探讨死区时间电压负对全桥开关管的影响,并提出相应的解决方案。

二、死区时间与电压负的概念死区时间是指在一个开关周期内,开关管关闭后再次打开或打开后再次关闭之间的时间间隔。

这个时间间隔是为了防止开关管在快速开关过程中发生过大的电压和电流应力,同时也是为了减小开关管之间的交叉导通损耗。

电压负则是指在死区时间内,全桥开关管的输入电压或输出电压出现的负值。

三、全桥开关管的工作原理全桥开关管通常由四个开关管组成,分为两组,每组两个开关管交替导通和关闭。

当一组开关管导通时,另一组开关管关闭,从而实现电能的转换。

在全桥电路中,开关管的快速切换是实现高效率电能转换的关键。

四、死区时间电压负对全桥开关管的影响死区时间电压负对全桥开关管的影响主要体现在以下几个方面:1.开关损耗增加:在死区时间内,由于电压负的出现,开关管实际上处于半导通状态。

这将导致额外的功率损耗,并降低电源转换效率。

2.温升问题:由于死区时间电压负导致的额外损耗,开关管的温度会升高,从而影响其工作性能和寿命。

3.电磁干扰:由于电压负的存在,电路中可能出现电磁干扰,影响电源的稳定性和其他电路元件的正常工作。

4.开关管损坏:在极端情况下,过大的电压负和相应的电流可能会直接导致开关管损坏。

五、解决方案与实验验证为了解决死区时间电压负对全桥开关管的影响,可以采取以下措施:1.优化死区时间:根据实际工作条件和开关管的特性,调整死区时间的设置。

既要保证开关管的保护,又要减小对电能转换效率的影响。

2.采用高性能的开关管:选择具有快速开关响应和高耐压能力的开关管,可以在一定程度上减小电压负的影响。

3.优化电路布局和布线:合理布置电路元件和优化布线,可以减小电磁干扰和降低电压负的影响。

死区时间

死区时间

死区时间死区时间是PWM输出时,为了使H桥或半H桥的上下管不会因为开关速度问题发生同时导通而设置的一个保护时段。

由于IGBT等功率器件都存在一定的结电容,所以会造成器件导通关断的延迟现象。

一般在设计电路时已尽量降低该影响,比如尽量提高控制极驱动电压电流,设置结电容释放回路等。

为了使igbt工作可靠,避免由于关断延迟效应造成上下桥臂直通,有必要设置死区时间,也就是上下桥臂同时关断时间。

死区时间可有效地避免延迟效应所造成的一个桥臂未完全关断,而另一桥臂又处于导通状态,避免直通炸模块。

死区时间大,模块工作更加可靠,但会带来输出波形的失真及降低输出效率。

死区时间小,输出波形要好一些,只是会降低可靠性,一般为us级。

IGBT在关断时的脉冲后沿因少数载流子的存储效应会产生一个较大的“拖尾”电流,因此所产生的关断能耗(Eoff)在早期产品中非常突出。

死区时间调整硬件解决方案摘要:针对不同厂家IPM要求的死区时间参数的不同,本文从硬件电路角度出发,提出一种延时电路方案,解决了因参数调整而引起软件的不统一问题,进而为MCU的大批量mask降低成本提供可能。

关键词: IPM 死区时间随着现代电力电子技术的飞速发展,以绝缘栅双晶体管(IGBT)为代表的功率器件在越来越多的场合得到广泛地应用。

IGBT是VDMOS与双极晶体管的组合器件,集MOSFET与GTR的优点于一身,既具有输入阻抗高,开关速度快,热稳定性好和驱动电路简单的长处,又具有通态电压低,耐压高和承受大电流的优点,特别适合于电机控制。

现代逐渐得到普遍推广的变频空调,其内部的压缩机控制单元就是采用以IGBT为主要功率器件的新型智能模块(IPM)。

IPM(智能功率模块)即Intelligent Power Module的缩写,它是将输出功率器件IGBT和驱动电路、多种保护电路集成在同一模块内,与普通IGBT相比,在系统性能和可靠性上均有进一步提高,而且由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低,使散热器的尺寸减小,故整个系统的尺寸减小。

执行机构的死区名词解释

执行机构的死区名词解释

执行机构的死区名词解释引言:在现代科技的高速发展下,各种智能设备和机械装置广泛应用于生活和工作的方方面面。

而其中一个重要的概念就是“执行机构的死区”。

本文将对这一名词进行解释,并阐述其在工程设计和机械运动控制中的重要性。

正文:一、什么是执行机构的死区?执行机构的死区(Dead Zone of an Actuator),是指在执行机构(actuator)的运动范围内,存在着一定程度的空隙或无效运动区域。

它是由于执行机构的机械结构以及传感器和控制器的工作特性所导致的。

在这个死区内,执行机构对输入信号或控制命令不做出相应的运动。

二、死区的成因分析1. 机械结构:执行机构通常是由电机、减速器或其他传动机构组成。

在这些机械部件的精度和制造过程中,难免会存在一些制造误差,如摆动、松动等。

这些误差导致了机械结构的死区。

2. 传感器误差:传感器用于检测执行机构的实际运动,并将其转化为电信号传输给控制器。

然而,由于传感器的精度和灵敏度有限,它们在测量、传输数据时也可能存在误差,从而导致死区。

3. 控制器延迟:控制器是执行机构的“大脑”,负责接收输入信号或命令,并控制执行机构的运动。

然而,由于信号传输、计算处理以及控制输出的延迟等因素,控制器响应与执行机构之间可能存在一定的时间差,这也会造成死区。

三、死区对工程设计的影响1. 精度和稳定性:死区可能导致执行机构的运动精度下降,特别是在需要精确控制和定位的应用中。

当设备需要操作在死区内时,控制信号不会对执行机构产生影响,从而影响了精度和稳定性。

2. 响应速度:死区会使得执行机构对输入信号的响应产生滞后,延缓了其运动速度。

这对需要快速反应的应用,如机器人、自动化生产线等,可能造成不利影响。

3. 能效和寿命:在死区内,执行机构的运动是无效的,这会导致能源的浪费和机械部件的额外磨损。

长期来看,这可能影响设备的能效和使用寿命。

四、如何应对执行机构的死区1. 优化机械结构:在工程设计中,可以采用更高精度的机械部件,减少摆动和松动等问题,以减小机械结构的死区。

同步整流及 llc 死区时间 -回复

同步整流及 llc 死区时间 -回复

同步整流及llc 死区时间-回复同步整流及LLC 死区时间一、引言在现代电力电子应用中,同步整流器和LLC谐振反馈拓扑是两个重要的电路结构。

同步整流器是一种通过控制器调节功率开关器件的导通角度,以实现最佳输电功率输出的电路。

它使用了高效的导通角度控制方法,使得功率开关器件能够以很高的效率进行工作,提高功率转换效率和减少功率损耗。

LLC谐振反馈拓扑是一种采用谐振电路的方式来实现高效能量转换的电路,它具有很高的转换效率和宽范围的变换比,常用于直流-直流和直流-交流变换器中。

在同步整流器和LLC谐振反馈拓扑电路中,一个重要的参数是死区时间。

本文将介绍同步整流和LLC电路的基本工作原理,讨论死区时间对电路性能的影响,并提供优化死区时间的方法。

二、同步整流器的工作原理及死区时间同步整流器是一种将交流电转换为直流电的电路,它由多个功率开关器件和一个控制器组成。

在每个周期的导通角度上,控制器决定哪个功率开关器件进行导通,以实现最佳功率输出。

死区时间在同步整流器中是一个重要的参数。

它是指两个相邻开关器件在切换过程中禁止同时导通的时间间隔。

死区时间的存在是为了防止同时导通造成的短路和损坏功率开关器件。

合理设置死区时间可以提高同步整流器的工作效率和稳定性。

如果死区时间设置不当,会导致功率开关器件在切换过程中出现过大的电流冲击和电压跳跃,从而增加功率损耗、降低转换效率,甚至损坏功率开关器件。

因此,在同步整流器中,确定合适的死区时间对电路性能至关重要。

常用的优化死区时间的方法是根据电路的参数和分析仿真结果进行实验调试和调整。

三、LLC谐振反馈拓扑的工作原理及死区时间LLC谐振反馈拓扑是一种采用谐振电路的方式来实现高效能量转换的电路。

它由三个元件组成:电感、电容和负载。

在LLC谐振反馈拓扑中,负载的动态变化会影响电路的振荡频率和幅度。

如果没有合适的死区时间设置,谐振电路可能无法正确工作。

当信号的频率与谐振频率相同时,电流无法正确地通过电感和电容,导致电路性能下降。

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死区时间参数摘要:针对不同厂家IPM要求的死区时间参数的不同,本文从硬件电路角度出发,提出一种延时电路方案,解决了因参数调整而引起软件的不统一问题,进而为MCU的大批量mask降低成本提供可能。

关键词:IPM 死区时间随着现代电力电子技术的飞速发展,以绝缘栅双晶体管(IGBT)为代表的功率器件在越来越多的场合得到广泛地应用。

IGBT是VDMOS与双极晶体管的组合器件,集MOSFET与GTR的优点于一身,既具有输入阻抗高,开关速度快,热稳定性好和驱动电路简单的长处,又具有通态电压低,耐压高和承受大电流的优点,特别适合于电机控制。

现代逐渐得到普遍推广的变频空调,其内部的压缩机控制单元就是采用以IGBT为主要功率器件的新型智能模块(IPM)。

IPM(智能功率模块)即Intelligent Power Module的缩写,它是将输出功率器件IGBT和驱动电路、多种保护电路集成在同一模块内,与普通IGBT相比,在系统性能和可靠性上均有进一步提高,而且由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低,使散热器的尺寸减小,故整个系统的尺寸减小。

下面是IPM内部的电路框图:IPM内部含有门极驱动控制、故障检测和多种保护电路。

保护电路分别检测过流、短路、过热、电源欠压等故障,当任一故障出现时,内部电路会封锁驱动信号并向外送出故障信号,以便外部的控制器及时处理现场,避免器件受到进一步损坏。

下图是变频空调室外压缩机控制驱动主电路的原理图。

220V交流电压经过由D1~D4和电解电容C1组成的桥式整流和阻容滤波电路后成为给IPM供电的直流电压,六个开关管按照一定规律通断,分别在U、V、W三相输出一系列的矩形信号,通过调整矩形波的频率与占空比达到调节输出电压频率和幅度的目的,即现在应用最广泛的PWM(PUL SE WIDTH MODULATE 脉冲宽度调制)控制技术,PWM控制技术从控制思想上可以分成四类:等脉宽PWM法、正弦波PWM法、磁链追踪PWM法和电流追踪型PWM法。

不管采用何种控制方式,都必须注意U、V、W任意一相上下两个桥臂不能同时导通,否则直流电源将在IPM内部形成短路,这是绝对不允许的。

为了避免电源元件的切换反应不及时可能造成的短路,一定要在控制信号之间设定互锁时间,这个时间又叫换流时间,或者叫死区时间。

死区时间,一般情况下软件工程师在程序设计时就会考虑并写进控制软件。

但是,由于不同公司生产的IPM,对死区时间长短的要求不尽相同,这样软件就会出现多个版本,不便于管理,并且影响CPU的MA SK(掩模)工作。

为了控制软件的统一性,有的软件工程师将死区时间放到芯片外扩展的E2中,对不同公司的IPM,只需改变一下E2中的数据,即可简单实现死区时间的匹配。

这种方法的缺点是生产成本较高,在实际应用时受到一定限制。

随着集成电路工艺的不断改进,各种逻辑门集成电路的价格不断地下降,使采用硬件电路实现死区时间设定应用到生产上成为可能,这种方法的优点是电路简单,延时时间方便可调,成本低廉。

方案原理图如下图3:控制过程如下:因为IPM控制输入低电平有效。

平时CPU输出控制脚1处于高电平,逻辑或门输出高电平,IPM输入锁定。

当CPU输出低电平有效时,高频瓷片电容通过电阻放电,逻辑或门输入脚2仍然维持高电平,逻辑或门输出高电平,IPM输入仍然锁定。

当电容放电完毕,或门输入脚2变为低电平时逻辑输出才为低电平,IPM控制输入有效,因此,电容放电时间就是CPU控制输出到IPM控制输入有效的延时时间。

当CPU控制输出关断即输出重新变为高电平时,尽管电容处于充电状态而使或门输入脚2处于低电平,逻辑或门输出仍然立即变为高电平,锁定IPM输入。

上述电路只是六路IPM控制输入的其中一路,其他五路做同样处理,通过调整R、C的参数,就可以实现所需要的延时时间。

下面是一相电路控制时序图:下面我们推导图3所示电路中电阻和电容的选择:根据电工学公式,由电阻、电容组成的一阶线性串联电路,电容电压Uc可以用下式表示:Uc=Uoexp(-t/τ)(1)τ为时间常数τ=RC在图3所示电路中,我们选择ST公司生产的高速CMOS或门电路,它的关门电平为 1.35V(电源电压为 4.5V),即当输入电压降至1.35/4.5U0=0.3 U时,输出电平转换有效,因此由式(1)可以推导出:t d=-τln0.3=1.2RC (2)上式就是我们选择R、C值的指导公式。

例如:需要延时时间为10us,选择精度为5%高频瓷片电容,容量为103P,则R= 10 *10e-6/1.2C=833Ω,这样R就可选择精度为1%、阻值为8 20Ω的金属膜电阻。

小结:按照上述方案设计的硬件延时电路,结构简单,成本低廉,可靠性极高,在实际使用时只需简单调换一下电阻的阻值就可实现对死区时间要求不同的IPM的控制。

对于一个反馈控制器而言,如何处理生产过程调节中的死区时间是个棘手的问题,此处我们将讨论几种处理方案。

Smith 预估器使得控制器不再依靠测量到的过程变量,而是依靠改进后的过程变量反馈值(该预估值仅包含系统扰动,而不包含死区时间)来进行调节作用。

如果以上方法运用得当,并且所运用的过程数学模型确实与实际生产过程相匹配,那么在系统设定值改变或生产负荷对生产过程形成干扰时,控制器就可推导出相对于系统某个设定值的实际过程值。

无奈的是,以上条件仅仅是假设。

对于控制器而言,在没有死区时间的情况下来满足以上控制目标当然不难,难的是如何得到实现以上控制方案所需的过程数学模型。

即使过程数学模型与实际生产过程之间存在一点点很小的“不匹配”,也会使得控制器无法成功的算出改进后的、准确的过程反馈值,相反,系统将推导出一个“谬之千里”的过程实际值。

有人提议可以用多种方法来改进基本Smith预估器的使用效果,就如对于死区时间的处理也具有多种可以互为替换的方案一样,然而尽管如此,死区时间的处理仍然是控制过程中非常棘手的问题。

对于一个反馈控制系统,死区时间可以定义为从“测量传感器检测到变量开始改变的瞬时”到“控制器对生产过程开始施加正确有效干预的瞬时”之间的延迟时间。

在死区时间内,生产过程的实际值根本不会对控制器的调节作用起任何反应。

在系统反应的死区时间结束之前,任何试图操纵或改变过程实际值的努力都注定是徒劳的。

举个例子,我们不妨想象一下“驾驶一辆方向盘很松的小汽车的过程”。

小车司机如想拐弯,他一定要使劲打方向盘才能克服方向盘太松而带来的滞差,并真正施加作用在操纵杆上。

只有在此之后,小车司机才能感觉到汽车方向的改变。

所有完成这一系列动作的时间就是死区时间。

死区时间问题是有据可查的最难克服的控制类问题之一。

在上面的例子中,如果一个司机对汽车拐弯过程中的死区时间大小估计不对的话,可能会因为上次的拐弯动作效果不佳,而在本次的拐弯过程中动作过于剧烈。

图1:如果光学测厚仪安装得离轧辊太远,那么控制器要花较长的时间才能够纠正钢板的厚度偏差。

这时还可能由于调节过于“冒进”而使情况变得更糟。

然而,如果司机发现“在原来估算的死区时间结束之前汽车就已经开始拐弯”之后再采取缓解措施就为时已晚了,因为此前的操作动作早已矫枉过正,而且本应早些结束的。

在此之后,司机又不得不试图再拐回原有方向,这样可能最终引发拐弯过程的失控。

顺便提及一下,类似的原因也是如此众多的酒后驾驶事故的罪魁祸首。

也许汽车的方向盘拐弯是灵敏的,但是一个醉酒的司机由于感官不灵,等到他觉察到汽车开始拐弯时汽车就已经拐向过头了。

在这种情况下,拐弯过程的失控是由人的感官迟钝导致,而非设备调节过程的死区时间,然而这种情况导致的结果却是灾难性的。

传感器的安装位置,控制器的偏差容错度在上述两种情况中,显而易见,消除死区时间是解决该控制难题的最佳途径。

汽车的方向盘应该加紧,司机任何时候都应该保持清醒状态。

然而,死区时间有时无法被完全消除。

我们不妨以热轧钢机为例,它有一对相向的轧辊,用于将热钢材轧成规格一致的薄钢板(见图1)。

在轧辊的下游位置有一测厚仪,用来测量刚轧好的薄钢板厚度,控制器再依据此反馈信号来增减轧辊作用于钢材上的压力,并以此方法来保证钢板厚度不会超出规格范围。

按照理想状况,测厚仪的安装位置应该尽量靠近轧辊,因为这样可将“轧辊的压力变化”与“由此引起的厚度变化”之间的死区时间置于最小。

否则,如安装位置太远,控制器就可能无法及时识别偏差,而如果我们将此识别过程设置得足够快,就可避免钢板的厚度不均问题。

更糟的是如果死区时间的影响较为可观,还会导致控制器的调节作用过于剧烈。

正如那位驾驶具有反应滞后方向盘的汽车司机一样,控制器也会以为其先前的调节作用没有效果而将控制作用加得更强。

事实上,在钢板的厚度变化最终体现出来之前,由于控制器的累计效应,使得其输出值与初始值之间的偏差早已大大的超调了,因此又会导致相反方向上的偏差。

此种调节过程,会使得轧辊施加在钢材上的压力持续的上下波动,大量钢板会由此产生侧向皱褶,并最终导致报废。

最为无奈的是,由于测厚仪无法在紧挨着轧辊接触钢材的位置进行安装,因此刚刚轧好的钢板必须要向下游移动一段距离后,才能够测量到厚度,这样的话,调节过程存在一些死区时间也就在所难免了。

这种我们称之为“传输延时”的现象,影响到很多“牵涉到物料需要从执行器到传感器之间传输”的生产流程,如流经管线的流体,吹过风管的空调风,顺着传输带移动的物体等等。

在以上任何一种情况下,如果将传感器的安装位置尽可能的靠近执行器,就可以最大限度的减少死区时间。

然而,死区时间的完全消除是难以做到的。

PID参数的整定要处理自控系统中无法避免的死区时间问题,另外一种方案就是赋予控制器一定限度的“耐性”,或称之为“偏差容错度”。

实施这一方案最为简单有效的办法就是:减弱控制器的整定参数,并以此来减缓系统的响应速度。

图2:Smith 预估器使用了一个过程对象的模型(包括增益,时间常数以及死区时间)来预估在“没有其它干扰及死区时间”情况下的过程实际值。

对于一个PID (比例-积分-微分)回路,控制器整定参数的减弱往往意味着限制控制器的积分作用。

毕竟积分器的作用是“只要设定值和过程实际值之间存在偏差,就要持续不断的、以一定的比率来增加或减少控制器的输出值”。

然而对于存在死区时间的场合,由于控制器需要经过较长时间才能开始以正确的调节作用来纠正偏差,因此偏差往往很长时间都会存在,以致积分器一直都在进行积分作用,最终导致系统超调。

解决方法就是让积分器适时停止积分作用,以避免超时积分引发的系统超调。

John G. Ziegler和Nathaniel B. Nichols在他们1942年发表的关于PID回路整定的著名论文中曾经指出:减弱PID控制器的调节作用的最佳方法是以1/d2 的计算因子来减少积分整定常数, 此处d等于调节过程的死区时间。

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