直流脈寬(PWM)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究——保護(hù)電路設(shè)計(jì)(2)

1、沈陽(yáng)理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文摘 要本文基于PWM的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)出應(yīng)用于直流電動(dòng)機(jī)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。首先描述了變頻器的發(fā)展歷程，提出了PWM調(diào)速方法的優(yōu)勢(shì)，指出了未來PWM調(diào)速方法的發(fā)展前景，點(diǎn)出了研究PWM調(diào)速方法的意義。應(yīng)用于直流電機(jī)的調(diào)速方式很多，其中以PWM變頻調(diào)速方式應(yīng)用最為廣泛，而PWM變頻器中，H型PWM變頻器性能尤為突出，作為本次設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論，本文將對(duì)PWM的理論進(jìn)行詳細(xì)論述。在此基礎(chǔ)上，本文將做出SG3525單片機(jī)控制的H型PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，然后對(duì)各個(gè)部分分別進(jìn)行論證，力圖在每個(gè)組成單元上都達(dá)到最好的系統(tǒng)性能。 關(guān)鍵詞：直流調(diào)速；PWM ；

2、SG3525 ；調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)目 錄引言11. 簡(jiǎn)要介紹及設(shè)計(jì)方案21.1 PWM簡(jiǎn)介21.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)21.2.1 設(shè)計(jì)已知參數(shù)21.2.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)31.2.3設(shè)計(jì)內(nèi)容31.2.4 現(xiàn)行方案的討論與比較31.2.5 選擇IGBT的H橋型主電路的理由41.2.6 采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的理由42. 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)52.1 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)52.2 參數(shù)設(shè)計(jì)63. 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)ASR,ACR83.1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)83.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)93.3 轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器、電流反饋調(diào)節(jié)器的整定94. 觸發(fā)電路104.1觸發(fā)控制電路設(shè)計(jì)105. 保護(hù)電路115.1 整流電路中的保護(hù)電路11

3、5.2 PWM電路中的保護(hù)電路115.2.1 主電路中的熔斷器負(fù)責(zé)過流保護(hù)115.2.2 緩沖電路125.3反饋及保護(hù)電路設(shè)計(jì)125.3.1轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置選擇125.3.2電流檢測(cè)單元136. 調(diào)試146.1晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)和環(huán)節(jié)特性的測(cè)定146.1.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容146.1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成和工作原理146.1.3 實(shí)驗(yàn)方法146.2 雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)性能測(cè)試186.2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容186.2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成和工作原理196.2.3 測(cè)試內(nèi)容19結(jié)論26參考文獻(xiàn)27IIIII引言 在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)革命過程中，電氣自動(dòng)化在20世紀(jì)的后四十年曾進(jìn)行了兩次重大的技術(shù)更新。一次是元器件的

4、更新，即以大功率半導(dǎo)體器件晶閘管取代傳統(tǒng)的變流機(jī)組，以線形組件運(yùn)算放大器取代電磁放大器件。后一次技術(shù)更新主要是把現(xiàn)代控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)用于電氣工程，控制器由模擬式進(jìn)入了數(shù)字式。在前一次技術(shù)更新中，電氣系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)仍采用經(jīng)典控制理論的方法。而后一次技術(shù)更新是設(shè)計(jì)思想和理論概念上的一個(gè)飛躍和質(zhì)變，電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能亦隨之改觀。在整個(gè)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中，電力拖動(dòng)及調(diào)速系統(tǒng)是其中的核心部分?，F(xiàn)代的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)都是由慣性很小的晶閘管、電力晶體管或其他電力電子器件以及集成電路調(diào)節(jié)器等組成的。經(jīng)過合理的簡(jiǎn)化處理，整個(gè)系統(tǒng)一般都可以用低階近似。而以運(yùn)算放大器為核心的有源校正網(wǎng)絡(luò)（調(diào)節(jié)器），和由 R、C

5、等元件構(gòu)成的無源校正網(wǎng)絡(luò)相比,又可以實(shí)現(xiàn)更為精確的比例、微分、積分控制規(guī)律,于是就有可能將各種各樣的控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化和近似成少數(shù)典型的低階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。目前，隨著大功率電力電子器件的迅速發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)已日臻成熟并日漸成為實(shí)際應(yīng)用的主流，但這并不意味著傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術(shù)已經(jīng)完全退出了實(shí)際應(yīng)用的舞臺(tái)。相反，近幾年交流變頻調(diào)速在控制精度的提高上遇到了瓶頸，于是直流調(diào)速的優(yōu)勢(shì)就顯現(xiàn)了出來。直流調(diào)速仍然是目前最可靠，精度最高的調(diào)速方法。譬如在對(duì)控制精度有較高要求的造紙，轉(zhuǎn)臺(tái)，輪機(jī)定位等系統(tǒng)中仍離不開直流調(diào)速裝置，因此加強(qiáng)對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的研究還是很有必要的。1. 簡(jiǎn)要介紹及設(shè)計(jì)方案1.1 PWM簡(jiǎn)介脈寬調(diào)

6、制器UPW采用美國(guó)硅通用公司（Silicon General）的第二代產(chǎn)品SG3525，這是一種性能優(yōu)良，功能全、通用性強(qiáng)的單片集成PWM控制器。由于它簡(jiǎn)單、可靠及使用方便靈活，大大簡(jiǎn)化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計(jì)及調(diào)試，故獲得廣泛使用。PWM系統(tǒng)在很多方面具有較大的優(yōu)越性 ：1） PWM調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少。2） 開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小。3） 低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍廣，可達(dá)到1：10000左右。4） 如果可以與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。5） 功率開關(guān)器件

7、工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高。 6） 直流電源采用不可控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。 變頻調(diào)速很快為廣大電動(dòng)機(jī)用戶所接受，成為了一種最受歡迎的調(diào)速方法，在一些中小容量的動(dòng)態(tài)高性能系統(tǒng)中更是已經(jīng)完全取代了其他調(diào)速方式。由此可見，變頻調(diào)速是非常值得自動(dòng)化工作者去研究的。在變頻調(diào)速方式中，PWM調(diào)速方式尤為大家所重視，這是我們選取它作為研究對(duì)象的重要原因。1.2 直流調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)1.2.1 設(shè)計(jì)已知參數(shù)1、拖動(dòng)設(shè)備：直流電動(dòng)機(jī)： ，過載倍數(shù)。2、負(fù)載：直流發(fā)電機(jī)： 3、機(jī)組：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1.2.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)1、D，穩(wěn)態(tài)時(shí)無靜差。2、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速

8、n=1500r/min, 負(fù)載電流0.8A。3、電流超調(diào)量，空載起動(dòng)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量。1.2.3設(shè)計(jì)內(nèi)容1、直流脈寬（PWM）調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究主電路設(shè)計(jì)。2、直流脈寬（PWM）調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)【ASR ACR】。3、直流脈寬（PWM）調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究觸發(fā)電路設(shè)計(jì)。4、直流脈寬（PWM）調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究保護(hù)電路設(shè)計(jì)。其中以4為主要研究?jī)?nèi)容1.2.4 現(xiàn)行方案的討論與比較直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種：調(diào)節(jié)電樞供電電壓U、改變電動(dòng)機(jī)主磁通、改變電樞回路電阻R。改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多，目前很少采用，僅在有些起重機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長(zhǎng)的傳動(dòng)系統(tǒng)中采用。

9、弱磁調(diào)速范圍不大，往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電樞電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有三種：旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組、靜止可控整流器、直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。由于旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組缺點(diǎn)太多，采用汞弧整流器和閘流管這樣的靜止變流裝置來代替旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，形成所謂的離子拖動(dòng)系統(tǒng)。離子拖動(dòng)系統(tǒng)克服旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組的許多缺點(diǎn)，而且縮短了響應(yīng)時(shí)間。目前，采用晶閘管整流供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。由于以上原因，所以選擇了脈寬調(diào)制

10、變換器進(jìn)行改變電樞電壓的直流調(diào)速系統(tǒng)。1.2.5 選擇IGBT的H橋型主電路的理由IGBT的優(yōu)點(diǎn)：1)IGBT的開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。2)在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。3)IGBT的通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。4)IGBT的輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類似。5)與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)可保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn)。在眾多PWM變換器實(shí)現(xiàn)方法中，又以H型PWM變換器更為多見。這種電路具備電流連續(xù)、電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行、無摩擦死區(qū)、低速平穩(wěn)性好等優(yōu)點(diǎn)。本

11、次設(shè)計(jì)以H型PWM直流控制器為主要研究對(duì)象。1.2.6 采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的理由同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，它具有抑制干擾的能力，對(duì)元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。由于閉環(huán)系統(tǒng)的這些優(yōu)點(diǎn)因此選用閉環(huán)系統(tǒng)。單閉環(huán)速度反饋調(diào)速系統(tǒng)，采用PI控制器時(shí)，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度誤差為零。但是如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，如果要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。在要求較高的調(diào)速系統(tǒng)中，一般有兩個(gè)基本要求：一是能夠快速啟動(dòng)制動(dòng)；二是能夠快速克服負(fù)載、電網(wǎng)等干擾。通過分析發(fā)現(xiàn)，如果要求快速起動(dòng)，必須使直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中輸出最大的恒定允許電磁轉(zhuǎn)矩，即最大的恒定允許電樞電流，當(dāng)電

12、樞電流保持最大允許值時(shí)，電動(dòng)機(jī)以恒加速度升速至給定轉(zhuǎn)速，然后電樞電流立即降至負(fù)載電流值。如果要求快速克服電網(wǎng)的干擾，必須對(duì)電樞電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)2.1 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直流脈寬調(diào)速電路原理圖如圖2.1 所示, 其中直流斬波電路可看成降壓型變換器和升壓型變換器的串聯(lián)組合,采用IGBT作為自關(guān)斷器件,利用集成脈寬調(diào)制控制SG3525 產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)信號(hào),由兩個(gè)IGBT 及其反并聯(lián)的續(xù)流二極管組成。圖2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖工作工程如下：?jiǎn)蜗?20V交流電經(jīng)橋式整流電路，濾波電路變成直流電壓加在P、N兩點(diǎn)間，直流斬波電路上端接P點(diǎn)，下端接N點(diǎn)，中點(diǎn)公共端(COM)。若

13、使COM端與電機(jī)電樞繞組A端相接，B端接N，可使電機(jī)正轉(zhuǎn)。若T2截止，T1周期性地通斷，在T1導(dǎo)通的T。時(shí)間內(nèi)，形成電流回路PT1一AB-N，此時(shí)UAB>0， AB>0；在T1截止時(shí)由于電感電流不能突變，電流AB經(jīng)D2續(xù)流形成回路為A-B-D2-A，仍有UAB>0，IAB>0，電機(jī)工作在正轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)(第一象限)，T1，D2構(gòu)成一個(gè)Buck變換器。若T1截止，T2周期性地通斷，在T2導(dǎo)通的T。時(shí)間內(nèi)，形成電流回路AT2一B_A；在T2截止時(shí)，由于電感電流不能突變，電流AB經(jīng)D1續(xù)流形成回路為AD1一PN A，此時(shí)UAB>0，lAB>0，電機(jī)工作在正轉(zhuǎn)制動(dòng)狀態(tài)(

14、第二象限)，T2，D1構(gòu)成一個(gè)Boost變換器。只要改變T1，T2導(dǎo)通時(shí)間的大小，即改變給T1，T2所加門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)脈沖的寬度，即可改變UAB和IAB的大小調(diào)控直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。若使COM端與電機(jī)電樞繞組A端相接，B端接N，可使電機(jī)工作在正轉(zhuǎn)電動(dòng)或制動(dòng)狀態(tài)(I，象限)，若使COM端與B相接而A端接N，可使電機(jī)工作在反轉(zhuǎn)電動(dòng)或制動(dòng)狀態(tài)(II，IV象限)。正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)狀態(tài)電機(jī)電樞繞組的連接通過狀態(tài)開關(guān)進(jìn)行切換。這樣僅用兩個(gè)開關(guān)器件就可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行。電機(jī)的轉(zhuǎn)速經(jīng)測(cè)速發(fā)電機(jī)以及FBS(轉(zhuǎn)速變換器)輸出到ASR(轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器)，作為ASR的輸入并和給定電壓比較，組成系統(tǒng)的外環(huán)，ASR的輸出作為

15、ACR(電流調(diào)節(jié)器)的輸入并和主電路電流反饋信號(hào)進(jìn)行比較作為系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)。由于電流調(diào)節(jié)器的輸出接到SG3525的第2腳，R2為限流電阻，所以要求電流調(diào)節(jié)器再通過一個(gè)反號(hào)器的輸出電壓的極性必須為正，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定則又要求其輸出電壓信號(hào)為正，最后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定選擇了負(fù)極性的可調(diào)電壓。ASR和ACR均采用PI調(diào)節(jié)器，利用電流負(fù)反饋與速度調(diào)節(jié)器輸出限幅環(huán)節(jié)的作用，使系統(tǒng)能夠快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小，具有較好的加速特性。在這里用SN74LS14構(gòu)成的反相器可以滿足要求。2.2 參數(shù)設(shè)計(jì)（1）IGBT參數(shù)IGBT（Insulated Gate Bipolor Transisto

16、r）絕緣柵極雙極晶體管。這種器件具有MOS門極的高速開關(guān)性能和雙極動(dòng)作的高耐壓、大電流容量的兩種特點(diǎn)。其開關(guān)速度可達(dá)1mS，額定電流密度100A/cm2，電壓驅(qū)動(dòng)，自身?yè)p耗小。其符號(hào)和波形圖如圖2-6所示。設(shè)計(jì)中選的IGBT 管的型號(hào)是IRGPC50U,它的參數(shù)如下：管子類型：NMOS 場(chǎng)效應(yīng)管極限電壓Vm：600V極限電流Im：27 A耗散功率P：200 W額定電壓U：220V額定電流I：1.2A圖2.6 IGBT信號(hào)及波形圖(3)緩沖電路參數(shù)H橋電路中采用了緩沖電路，由電阻和電容組成。IGBT的緩沖電路功能側(cè)重于開關(guān)過程中過電壓的吸收與抑制，這是由于IGBT的工作頻率可以高達(dá)30-50kH

17、z；因此很小的電路電感就可能引起頗大的di/dt>Lc ，從而產(chǎn)生過電壓，危及IGBT的安全。逆變器中IGBT開通時(shí)出現(xiàn)尖峰電流，其原因是由于在剛導(dǎo)通的IGBT負(fù)載電流上疊加了橋臂中互補(bǔ)管上反并聯(lián)的續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流，所以在此二極管恢復(fù)阻斷前，剛導(dǎo)通的IGBT上形成逆變橋臂的瞬時(shí)貫穿短路，使ic出現(xiàn)尖峰，為此需要串入抑流電感，即串聯(lián)緩沖電路，或放大IGBT的容量。緩沖電路參數(shù)：經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出緩沖電路電阻R=10K；電容C=0.75F。(3)泵升電路參數(shù)泵升電路由一個(gè)電容量大的電解電容、一個(gè)電阻和一個(gè)VT組成。泵升電路中電解電容選取C=2000F ；電壓U=450V；VT選取IRGPC5

18、0U型號(hào)的IGBT管；電阻選取R=20 。3.調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)ASR,ACR3.1 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)因?yàn)?i% 5%且TL/TI =23.98/6.7<10。所以 按典系統(tǒng)設(shè)計(jì),選PI調(diào)節(jié)器，如圖3.2所示，為電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖。圖3.2電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時(shí)，可把已設(shè)計(jì)好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)。為此，需求出它的等效傳遞函數(shù)： （3.2.1） （3.2.2）近似條件: (3.2.2)如圖3.3所示，為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖。圖3.3 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖3.3 轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器、電流反饋調(diào)節(jié)器的整定把電機(jī)、220V直流電源接入系統(tǒng)，系統(tǒng)接成開環(huán)。

19、把正給定接入脈寬發(fā)生單元，調(diào)節(jié)給定，使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1600rpm，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器中的RP1，使3端輸出的電壓為-4V。加大負(fù)載，使電機(jī)的電樞電流穩(wěn)定在1.3A，調(diào)節(jié)電流反饋調(diào)節(jié)器，使電流反饋調(diào)節(jié)器3端輸出的電壓為+4V。4. 觸發(fā)電路4.1觸發(fā)控制電路設(shè)計(jì) 集成脈寬調(diào)制控制器SG3525是控制電路的核心，它采用恒頻脈寬調(diào)制控制方案，適合于各種開關(guān)電源、斬波器的控制。本實(shí)驗(yàn)電路中用SG3525 產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號(hào)作為IGBT 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。其中：G：給定器；DZS：零速封鎖器；ASR：速度調(diào)節(jié)器；ACR電流調(diào)節(jié)器：GT：觸發(fā)裝置；FBS：速度變換器；FA：過流保護(hù)器；FBC：電流變換；AP1：I

20、組脈沖放大器；圖4.1 系統(tǒng)原理圖SG3525介紹：SG3525脈寬調(diào)制型控制器是美國(guó)通用電氣公司的產(chǎn)品，作為SG3524的改進(jìn)型，更適合于運(yùn)用MOS管作為開關(guān)器件的DC/DC變換器，它是采用雙級(jí)型工藝制作的新型模擬數(shù)字混合集成電路，性能優(yōu)異，所需外圍器件較少。它的主要特點(diǎn)是:輸出級(jí)采用推挽輸出，雙通道輸出，占空比0-50%可調(diào).每一通道的驅(qū)動(dòng)電流最大值可達(dá)200mA,灌拉電流峰值可達(dá)500mA。可直接驅(qū)動(dòng)功率MOS管，工作頻率高達(dá)400KHz，具有欠壓鎖定、過壓保護(hù)和軟啟動(dòng)等功能。該電路由基準(zhǔn)電壓源、震蕩器、誤差放大器、PWM比較器與鎖存器、分相器、欠壓鎖定輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)，軟啟動(dòng)及關(guān)斷電路等組成

21、，可正常工作的溫度范圍是0-700C。基準(zhǔn)電壓為5.1 V士1%，工作電壓范圍很寬，為8V到35V.圖4.2 控制電路圖第五章 保護(hù)電路5.1 整流電路中的保護(hù)電路本設(shè)計(jì)采用晶閘管交流過壓保護(hù)電路作為整流電路中的保護(hù)電路，其電路圖如下圖5.1 晶閘管交流過壓保護(hù)電路電路圖當(dāng)電路出現(xiàn)過電壓時(shí)，穩(wěn)壓管VDW導(dǎo)通，使晶閘管（VT1或VT2）導(dǎo)通，由支路中電阻消耗電能。這種保護(hù)措施在系統(tǒng)出現(xiàn)過電壓時(shí)最多工作半個(gè)周期，在一個(gè)周期結(jié)束時(shí)，晶閘管自行關(guān)斷。5.2 PWM電路中的保護(hù)電路5.2.1 緩沖電路圖5.3 緩沖電路 H橋電路中采用了緩沖電路，由電阻和電容組成。 IGBT的緩沖電路功能側(cè)重于開關(guān)過程中

22、過電壓的吸收與抑制，這是由于IGBT的工作頻率可以高達(dá)30-50kHz；因此很小的電路電感就可能引起頗大的，從而產(chǎn)生過電壓，危及IGBT的安全。逆變器中IGBT開通時(shí)出現(xiàn)尖峰電流，其原因是由于在剛導(dǎo)通的IGBT負(fù)載電流上疊加了橋臂中互補(bǔ)管上反并聯(lián)的續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流，所以在此二極管恢復(fù)阻斷前，剛導(dǎo)通的IGBT上形成逆變橋臂的瞬時(shí)貫穿短路，使出現(xiàn)尖峰，為此需要串入抑流電感，即串聯(lián)緩沖電路，或放大IGBT的容量。緩沖電路參數(shù)：經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出緩沖電路電阻R=10K；電容。5.3反饋及保護(hù)電路設(shè)計(jì)5.3.1轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置選擇選測(cè)速發(fā)電機(jī) 永磁式ZYS231/110型，額定數(shù)據(jù)為P=23.1W，U=11

23、0V，I=0.21A，n=1900r/min。測(cè)速反饋電位器RP2的選擇 考慮測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出最高電壓時(shí)，其電流約為額定值的20%，這樣，測(cè)速發(fā)電機(jī)電樞壓降對(duì)檢測(cè)信號(hào)的線性度影響較小。測(cè)速發(fā)電機(jī)工作最高電壓 測(cè)速反饋電位器阻值 此時(shí)RP2所消耗的功率為 為了使電位器溫度不要很高，實(shí)選瓦數(shù)應(yīng)為消耗功率的一倍以上，故選RP2為4W，取2000。5.3.2電流檢測(cè)單元本系統(tǒng)要求電流檢測(cè)不但要反映電樞電流的大小而且還要反映電流極性，所以選用霍爾電流傳感器。6. 調(diào)試6.1晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)和環(huán)節(jié)特性的測(cè)定6.1.1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、測(cè)定晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)主電路電阻R；2、測(cè)定晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)主電路電磁時(shí)

24、間常數(shù)Td；3、測(cè)定直流電動(dòng)機(jī)電勢(shì)常數(shù)Ce和轉(zhuǎn)矩常數(shù)CM；4、測(cè)定晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)TM；5、測(cè)定晶閘管觸發(fā)及整流裝置特性Ud=f (Uct)；6、測(cè)定測(cè)速發(fā)電機(jī)特性UTG=f (n)。6.1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成和工作原理本實(shí)驗(yàn)中，整流裝置的主電路為三相橋式電路，控制回路可直接由給定電壓Ug作為觸發(fā)器的移相控制電壓，改變Ug的大小即可改變控制角，從而獲得可調(diào)的直流電壓和轉(zhuǎn)速，以滿足實(shí)驗(yàn)要求。6.1.3 實(shí)驗(yàn)方法1、電樞回路電阻R的測(cè)定電樞回路總電阻R=(U2-U1)/(I1-I2) 如把電機(jī)電樞兩端短接，可得RL+Rn=(U2-U1)/(I1-I2)則電機(jī)的電樞電阻為Ra=R-（RL

25、+Rn） 同樣，短接電抗器兩端，也可測(cè)得電抗器直流電阻RL。測(cè)試結(jié)果如下表：表6.1電流和電樞電壓U(V)6482I(A)0.90.45表6.2電流勵(lì)磁電壓U(V)8594I(A)0.90.45表6.3電流和內(nèi)阻電壓U(V)7690I(A)0.90.45代入以上公式計(jì)算得： R=40； Ra=20； RL=8.9； Rn=11.12、主電路電磁時(shí)間常數(shù)的測(cè)定采用電流波形法測(cè)定電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)Td，電樞回路突加給定電壓時(shí)，電流id按指數(shù)規(guī)律上升其電流變化曲線如圖2.5所示。當(dāng)t =Td時(shí)，有MCL-31的給定電位器RP1逆時(shí)針調(diào)到底，使Uct=0。合上主電路電源開關(guān)。電機(jī)不加勵(lì)磁。調(diào)節(jié)Uct

26、，監(jiān)視電流表的讀數(shù)，使電機(jī)電樞電流為(5090)%Inom。然后保持Uct不變，突然合上主電路開關(guān)，用示波器拍攝id=f(t)的波形，由波形圖上測(cè)量出當(dāng)電流上升至63.2%穩(wěn)定值時(shí)的時(shí)間，即為電樞回路的電磁時(shí)間常數(shù)Td。實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線圖6.1：圖6.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線3、電動(dòng)機(jī)電勢(shì)常數(shù)Ce和轉(zhuǎn)矩常數(shù)CM的測(cè)定 將電動(dòng)機(jī)加額定勵(lì)磁，使之空載運(yùn)行，改變電樞電壓Ud，測(cè)得相應(yīng)的n，即可由下式算出Ce=KeF=(Ud2-Ud1)/(n2-n1)轉(zhuǎn)矩常數(shù)(額定磁通時(shí))CM的單位為N.m/A，可由Ce求出CM=9.55Ce實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如下表：表6.4Ud（V）22320717913077N(r/min)151

27、013951200863500將實(shí)驗(yàn)結(jié)果代入公式計(jì)算得： Ce=0.15；CM=9.55Ce=1.39；4、系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)TM的測(cè)定系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)可由下式計(jì)算由于Tm>>Td，也可以近似地把系統(tǒng)看成是一階慣性環(huán)節(jié)，即 當(dāng)電樞突加給定電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速n將按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)n到達(dá)63.2%穩(wěn)態(tài)值時(shí)，所經(jīng)過的時(shí)間即為拖動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)電時(shí)間常數(shù)。測(cè)試時(shí)電樞回路中附加電阻應(yīng)全部切除。MCL31的給定電位器RP1逆時(shí)針調(diào)到底，使Uct=0。合上主電路電源開關(guān)。調(diào)節(jié)Uct，將電機(jī)空載起動(dòng)至穩(wěn)定轉(zhuǎn)速1000r/min。然后保持Uct不變，斷開主電路開關(guān)，待電機(jī)完全停止后，突然合上主電路開關(guān)，給電樞加

28、電壓，用示波器拍攝過渡過程曲線，如圖6.2：圖6.2 過渡過程曲線5 測(cè)速發(fā)電機(jī)特性UTG=f(n)的測(cè)定實(shí)驗(yàn)線路如圖6.3所示圖6.3電動(dòng)機(jī)加額定勵(lì)磁，逐漸增加觸發(fā)電路的控制電壓Uct，分別讀取對(duì)應(yīng)的UTG,n的數(shù)值若干組，即可描繪出特性曲線UTG=f(n)。表6.5n（r/min）1551131612301106921U (V)6.335.365.014.503.746.2 雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)性能測(cè)試6.2.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、PWM控制器SG3525性能測(cè)試；2、控制單元調(diào)試；3、系統(tǒng)開環(huán)調(diào)試；4、系統(tǒng)閉環(huán)調(diào)試；5、系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)特性測(cè)試；6、H型PWM變換器不同控制方式時(shí)的性能測(cè)試

29、。6.2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成和工作原理在中小容量的直流傳動(dòng)系統(tǒng)中，采用自關(guān)斷器件的脈寬調(diào)速系統(tǒng)比相控系統(tǒng)具有更多的優(yōu)越性，因而日益得到廣泛應(yīng)用。雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖如圖2.11所示。圖中可逆PWM變換器主電路系采用MOSFET所構(gòu)成的H型結(jié)構(gòu)形式，UPW為脈寬調(diào)制器，DLD為邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)，GD為MOS管的柵極驅(qū)動(dòng)電路，F(xiàn)A為瞬時(shí)動(dòng)作的過流保護(hù)。脈寬調(diào)制器UPW采用美國(guó)硅通用公司（Silicon General）的第二代產(chǎn)品SG3525，這是一種性能優(yōu)良，功能全、通用性強(qiáng)的單片集成PWM控制器。由于它簡(jiǎn)單、可靠及使用方便靈活，大大簡(jiǎn)化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計(jì)及調(diào)試，故獲得廣泛使用。6.2.3

30、測(cè)試內(nèi)容測(cè)試11SG3525性能測(cè)試（1）用示波器觀察“1”端（即SG3525的5腳）的電壓波形，波形(2V，50s)如圖6.4為：圖6.4 脈寬控制器三角波（2）用示波器觀察“2”端（即SG3525的13腳）的電壓波形(10V，50s)，波形如圖6.5為：圖6.5 邏輯延時(shí)矩形波占空比50%（3）用導(dǎo)線將“G”的“1”和“UPW”的“3”相連，分別調(diào)節(jié)正負(fù)給定，記錄“2”端輸出的最大占空比(占空比=50%，10V，25s)的波形如圖6.6為：圖6.6 最大占空比時(shí)的波形90%最小占空比(占空比=10%，10V，25s)的波形如圖圖6.7為：圖6.7 最小占空比時(shí)的波形10%2控制電路的測(cè)試（

31、1）邏輯延時(shí)時(shí)間的測(cè)試如圖6.8在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分別將正、負(fù)給定均調(diào)到零，用示波器觀察“DLD” 的“1”和“2”端的輸出波形(10v，10s)，并記錄延時(shí)時(shí)間：圖6-7邏輯延時(shí)時(shí)間測(cè)試td= 3.8s（2）同一橋臂上下管子驅(qū)動(dòng)信號(hào)列區(qū)時(shí)間測(cè)試分別將“隔離驅(qū)動(dòng)”的G和主回路的G相連，用雙蹤示波器(10v，5s)，分別測(cè)量VVT1.GS和VVT2.GS以及VVT3.GS和VVT4.GS的死區(qū)時(shí)間：如下圖圖6-8死區(qū)時(shí)間波形波tdVT1.VT2= 1.6stdVT3.VT4= 3.6s(注意：由于在學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室中，只有MEL-03的三相可調(diào)電阻掛箱，而沒有MEL-13的測(cè)功機(jī)掛箱，所以在下列幾

32、項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中提到的額定負(fù)載都是由MEL-03掛箱的可調(diào)電阻串聯(lián)直流發(fā)電機(jī)M03來得到的)測(cè)試21開環(huán)系統(tǒng)調(diào)試（1）電流反饋系數(shù)的調(diào)試a將正、負(fù)給定均調(diào)到零，合上主控制屏電源開關(guān)，接通直流電機(jī)勵(lì)磁電源。b調(diào)節(jié)正給定，電機(jī)開始起動(dòng)直至達(dá)1500r/min。c給電動(dòng)機(jī)拖加負(fù)載，即逐漸減小發(fā)電機(jī)負(fù)載電阻，直至電動(dòng)機(jī)的電樞電流為1A。d調(diào)節(jié)“FBA”的電流反饋電位器，用萬(wàn)用表測(cè)量“9”端電壓達(dá)2V左右。（2）速度反饋系數(shù)的調(diào)試在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再次調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的1500r/min，調(diào)節(jié)MCL-31（或MCL-III型主控制屏）的“FBS”電位器，使速度反饋電壓為5V左右。（3）系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性測(cè)定參照速度

33、反饋系數(shù)調(diào)試的方法，使電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)1400r/min，S4開關(guān)撥向“正給定”，改變可調(diào)電阻加載旋鈕（或直流發(fā)電機(jī)負(fù)載電阻Rd），在空載至額定負(fù)載范圍內(nèi)測(cè)取6個(gè)點(diǎn)，記錄相應(yīng)的轉(zhuǎn)速n和直流發(fā)電機(jī)電流id，特性曲線見圖6.8。表6.6 開環(huán)機(jī)械特性(n=1400r/minn(r/min)14121390138013721365136213481337I(A)0.40.450.50.550.60.650.70.75表6.7開環(huán)機(jī)械特性(n=1000r/min)n(r/min)1000985973982949930929911I(A)0.30.350.40.450.50.550.60.7表6.8 開環(huán)機(jī)械

34、特性(n=500r/min)n(r/min)502490484466457449432415I(A)0.20.250.30.350.40.450.50.6圖6-8 開環(huán)機(jī)械特性曲斷開主電源，S4開關(guān)撥向“負(fù)給定”，然后按照以上方法，測(cè)出系統(tǒng)的反向機(jī)械特性，特性曲線見圖6.9。表6.9 開環(huán)機(jī)械特性(n=-1400r/min)n(r/min)-1400-1389-1369-1361-1352-1338-1331I(A)-0.4-0.45-0.5-0.55-0.6-0.65-0.7表6.10開環(huán)機(jī)械特性(n=-1000r/min)n(r/min)-1000-991-998-964-955-944-

35、933I(A)-0.3-0.35-0.4-0.45-0.5-0.55-0.6表6.11 開環(huán)機(jī)械特性(n=-500r/min)n(r/min)-499-487-469-455-447-438-430I(A)-0.2-0.25-0.3-0.35-0.4-0.45-0.5 圖6-9 開環(huán)機(jī)械特性曲線 （4）計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)和電流反饋系數(shù) 通過上面給定的數(shù)據(jù)可以算得： 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=0.0035 電流反饋系數(shù)=0.2 V/A2閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)試將ASR,ACR均接成PI調(diào)節(jié)器接入系統(tǒng)，形成雙閉環(huán)不可逆系統(tǒng)。按圖接線 （1）速度調(diào)節(jié)器的調(diào)試 a反饋電位器RP3逆時(shí)針旋到底，使放大倍數(shù)最?。?b“5”、“6”

36、端接入MEL11電容器，預(yù)置57F； c調(diào)節(jié)正負(fù)限幅電位器RP1、RP2使輸出限幅為±2V。（2）電流調(diào)節(jié)器的調(diào)試 a反饋電位器RP3逆時(shí)針旋到底，使放大倍數(shù)最?。?b“5”、“6”端接入MEL11電容器，預(yù)置57F； cS5開關(guān)打向“給定”，S4開關(guān)扳向上，調(diào)節(jié)MCL-10的RP3電位器，使ACR輸出正飽和，調(diào)整ACR的正限幅電位器RP1，用示波器觀察 “30”的脈沖，不可移出范圍。 （3）系統(tǒng)閉環(huán)機(jī)械特性測(cè)定S2開關(guān)打向“給定”，S1開關(guān)打向下至“負(fù)給定”，調(diào)節(jié)MCL-10的RP4電位器，使ACR輸出負(fù)飽和，調(diào)整ACR的負(fù)限幅電位器RP2，用示波器觀察 “30”的脈沖，不可移出范圍。3系統(tǒng)靜特性測(cè)試 （1）機(jī)械特性n=f（Id）的測(cè)定S2開關(guān)打向“給定”，S1開關(guān)扳向上至“正給定”，調(diào)節(jié)MCL-10的RP3電位器，使電機(jī)空載轉(zhuǎn)速至1400 r/min，再調(diào)節(jié)可調(diào)電阻加載旋鈕（或發(fā)電機(jī)負(fù)載電阻Rg），在空載至額定負(fù)載范圍內(nèi)分別記錄6點(diǎn)，