PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(DOC)

1、IPWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計摘 要在電氣時代的今天，電動機在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔谩?直流電機是最常見的一種電機，在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。研究直流電機的控制和測量 方法，對提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。電機調(diào)速問題一直是 自動化領(lǐng)域比較重要的問題之一。不同領(lǐng)域?qū)τ陔姍C的調(diào)速性能有著不同的要求， 因此， 不同的調(diào)速方法有著不同的應(yīng)用場合。本文基于PWM的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行了研究，并設(shè)計出應(yīng)用于直流電動機的 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，指出了未來PWM調(diào)速方法的發(fā)展前景，點出了研究PW碉速方法的意義。應(yīng)用

2、于直流 電機的調(diào)速方式很多，其中以PWM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)計的基礎(chǔ)理論，本文將對PWM的理論進行詳細論述。在此基礎(chǔ)上，本文將做出SG3525單片機控制的H型PWMS頻調(diào)速系統(tǒng)的整 體設(shè)計，然后對各個部分分別進行論證，力圖在每個組成單元上都達到最好的系統(tǒng)性能。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速；雙閉環(huán)；PWM；SG3525;直流電機2DC-drive speed system with PWMABSTRACTABSTRACTIn electrical times today, the electric motor in the in dustry a

3、nd agriculture product ion, the peopledaily life is playing the very vital role. The direct current machine is the most com mon one ki nd ofelectrical mach in ery, obta ins the widespread applicati on in various doma ins. The researchdirect curre nt mach in es con trol and the measuri ng tech niq ue

4、, to in crease the con trol precision and the speed of resp on se, the frugal en ergy and so on have the important meaning. Aproblem about speed-modulation of DC motor is very important in the field automatic. Therequests to the effect after the speed-modulation of the DC motor are different in diff

5、erent fields.Then, different speed-modulation ways are using in different fields.This paper researchesDC-drive speed system with a dual-converter and dual-closed-loop basedPWM, discuss ing a new con trol method that comb ines PWM with D C-drive, desig ns applies indirect current motors double closed

6、 loop current velocity modulation system. DC motor is usedvery gen erally because its speed-modulati on effect is very good and its speed-modulati on iseasily to be realized. PWM theory is used most gen erally among the speed-modulati on ways.The text will in troduce the H-PWM way mostly. We will tr

7、y to do modulation to the DC motor withSG3525. The importance of the text is the parts which are composed the system. Ano therimporta nce is the prin ciples of worki ng about every parts.KeyKey wordword:DC speed regulation；Double-loop;PWM；SG3525;DC moter；摘要.IAbstract.H前言.1第1章直流調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計.21.1設(shè)計技術(shù)指標要求

8、 .21.2現(xiàn)行方案的討論與比較 .21.3選擇PWM控制調(diào)速系統(tǒng)的理由 .41.4選擇IGBT的H橋型主電路的理由 .41.5采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的理由 .5第2章PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計 .62.1主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計.62.1.1PWM變換器介紹.62.1.2泵升電路.132.2參數(shù)設(shè)計.132.2.1IGBT的參數(shù).132.2.2緩沖電路參數(shù).142.2.3泵升電路參數(shù).14第3章PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路設(shè)計.153.1PWM信號發(fā)生器.153.1.1SG3525芯片的主要特點 .153.1.2SG3525引腳各端子功能 .163.1.3SG3525的工作原理 .183.2轉(zhuǎn)速

9、、電流雙閉環(huán)設(shè)計.183.2. 1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的組成 .183.2.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 .193.2.3電流調(diào)節(jié)器設(shè)計.223.2.4速度調(diào)節(jié)器設(shè)計.24第4章系統(tǒng)實驗驗證 .264.1系統(tǒng)結(jié)框圖.264.2系統(tǒng)工作原理.264.3系統(tǒng)單元調(diào)試.274.3.1基本調(diào)試.274.3.2脈寬發(fā)生單元的整定.274.3.3轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器、電流反饋調(diào)節(jié)器的整定.284.4實驗結(jié)果.284.4.1開環(huán)機械特性測試.284.4.2閉環(huán)機械特性測試.29結(jié)束語.30參考文獻.31致謝.32-1 -PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計、八 刖言在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)革命過程中，電氣自動化在20世紀的后四

10、十年曾進行了兩次重大 的技術(shù)更新。一次是元器件的更新，即以大功率半導(dǎo)體器件晶閘管取代傳統(tǒng)的變流機組， 以線形組件運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 算機技術(shù)用于電氣工程，控制器由模擬式進入了數(shù)字式。在前一次技術(shù)更新中，電氣系 統(tǒng)的動態(tài)設(shè)計仍采用經(jīng)典控制理論的方法。而后一次技術(shù)更新是設(shè)計思想和理論概念上 的一個飛躍和質(zhì)變，電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能亦隨之改觀。 在整個電氣自動化系統(tǒng)中，電 力拖動及調(diào)速系統(tǒng)是其中的核心部分。現(xiàn)代的電力拖動控制系統(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)過合理的簡化處理，整個系統(tǒng)一般都可以用低

11、階近 似。而以運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等元件構(gòu)成的無源 校正網(wǎng)絡(luò)相比，又可以實現(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)簡化和近似成少數(shù)典型的低階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。如果事先對這些典型系統(tǒng)作比 較深入的研究，把它們的開環(huán)對數(shù)頻率特性當(dāng)作預(yù)期的特性，弄清楚它們的參數(shù)和系統(tǒng) 性能指標的關(guān)系，寫成簡單的公式或制成簡明的圖表，則在設(shè)計實際系統(tǒng)時，只要能把它 校正或簡化成典型系統(tǒng)的形式，就可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來進行參數(shù)計算，這樣,就 建立了工程設(shè)計方法的可能性。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 成為實際應(yīng)用的主

12、流，但這并不意味著傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術(shù)已經(jīng)完全退出了實際應(yīng)用的 舞臺。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。譬如在對控制精 度有較高要求的造紙，轉(zhuǎn)臺，輪機定位等系統(tǒng)中仍離不開直流調(diào)速裝置，因此加強對直流調(diào)速系統(tǒng)的研究還是很有必要的。 鑒于直流調(diào)速系統(tǒng)在國民經(jīng)濟和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及國 防事業(yè)中的重要作用，有必要對直流調(diào)速系統(tǒng)作進一步的研究和開發(fā)。第1章 直流調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計1.1 設(shè)計技術(shù)指標要求1.直流電動機：-2 -型號：DJ15功率：485W電樞電壓：220V電樞電流：1.2A額定轉(zhuǎn)數(shù)：1600rpm

13、2.調(diào)速范圍：1：12003.起動時超調(diào)量：電流超調(diào)量：G 匕5%；轉(zhuǎn)速超調(diào)量：S 上5%1.2現(xiàn)行方案的討論與比較直流電動機的調(diào)速方法有三種：（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從 電動機額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的 系統(tǒng)來說，這種方法最好。 J 變化遇到的時間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需要大容 量可調(diào)直流電源。（2）改變電動機主磁通門。改變磁通可以實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，但只能減弱磁通進行調(diào)速（簡稱弱磁調(diào)速），從電機額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法。If變化時間遇到的時間常數(shù)同Ia變化遇到的相比要大得多，響應(yīng)速度較慢

14、，但所需電源容量小。（3）改變電樞回路電阻R。在電動機電樞回路外串電阻進行調(diào)速的方法，設(shè)備簡單， 操作方便。但是只能進行有級調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機械特性較軟；空載時幾乎沒什么 調(diào)速作用；還會在調(diào)速電阻上消耗大量電能。改變電阻調(diào)速缺點很多，目前很少采用，僅在有些起重機、卷揚機及電車等調(diào)速性能 要求不高或低速運轉(zhuǎn)時間不長的傳動系統(tǒng)中采用。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。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(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。 因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以 調(diào)壓調(diào)速為主速。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

15、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以下三種：(1) 旋轉(zhuǎn)變流機組。用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調(diào)的直流電壓。(2) 靜止可控整流器。用靜止的可控整流器，如汞弧整流器和晶閘管整流裝置，產(chǎn) 生可調(diào)的直流電壓。(3) 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。用恒定直流電源或不可控整流電源供電， 利用 直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。由于旋轉(zhuǎn)變流機組缺點太多，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)變流機組，形-3 -成所謂的離子拖動系統(tǒng)。離子拖動系統(tǒng)克服旋轉(zhuǎn)變流機組的許多缺點， 而且縮短了響應(yīng)時間，但是由于汞弧整流器造價較高，體積仍然很大，維護麻煩

16、，尤其 是水銀如果泄漏，將會污染環(huán)境，嚴重危害身體健康。目前，采用晶閘管整流供電的直 流電動機調(diào)速系統(tǒng)(即晶閘管一電動機調(diào)速系統(tǒng)，簡稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止Ward-Leonard系統(tǒng))已經(jīng)成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。但是，晶閘管整流器也有它的缺點，主要表 現(xiàn)在以下方面：(1)晶閘管一般是單向?qū)щ娫?，晶閘管整流器的電流是不允許反向的，這給電動 機實現(xiàn)可逆運行造成困難。必須實現(xiàn)四象限可逆運行時，只好采用開關(guān)切換或正、反兩 組全控型整流電路，構(gòu)成V-M可逆調(diào)速系統(tǒng)，后者所用變流設(shè)備要增多一倍。(2)晶閘管元件對于過電壓、過電流以及過高的du/dt和di/dt十分敏感，其中任意 指標超過允許值都可能

17、在很短時間內(nèi)元件損壞， 因此必須有可靠的保護裝置和符合要求 的散熱條件，而且在選擇元件時還應(yīng)保留足夠的余量，以保證晶閘管裝置的可靠運行。(3)晶閘管的控制原理決定了只能滯后觸發(fā)，因此，晶閘管可控制整流器對交流電源來說相當(dāng)于一個感性負載，吸取滯后的無功電流，因此功率因素低，特別是在深調(diào)速 狀態(tài)，即系統(tǒng)在較低速運行時，晶閘管的導(dǎo)通角很小，使得系統(tǒng)的功率因素很低，并產(chǎn) 生較大的高次諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備。如果采用晶閘 管整流裝置的調(diào)速系統(tǒng)在電網(wǎng)中所占容量比重較大，將造成所謂的電力公害”為此，應(yīng)采取相應(yīng)的無功補償、濾波和高次諧波的抑制措施。(4)晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈

18、動的，而且脈波數(shù)總是有限的。如果主電路電感不是非常大，則輸出電流總存在連續(xù)和斷續(xù)兩種情況， 因而機械特性也有連續(xù)和斷續(xù) 兩段，連續(xù)段特性比較硬，基本上還是直線；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈現(xiàn)出顯著的非線性。由于以上種種原因，所以選擇了脈寬調(diào)制變換器進行改變電樞電壓的直流調(diào)速系 統(tǒng)。1.3選擇 PWM 控制系統(tǒng)的理由脈寬調(diào)制器UPW采用美國硅通用公司（Silicon General）的第二代產(chǎn)品SG3525,這是一種性能優(yōu)良，功能全、通用性強的單片集成PWM控制器。由于它簡單、可靠及 使用方便靈活，大大簡化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計及調(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)

19、速系統(tǒng)主電路線路簡單，需用的功率器件少。2） 開關(guān)頻率咼，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較小。-4 -3） 低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍廣，可達到1:10000左右。4） 如果可以與快速響應(yīng)的電動機配合， 則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強。5） 功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時，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，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。變頻調(diào)速很快為廣大電動機用戶所接受， 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 是非常值得自動化工作者去

20、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象的重要原因。1.4選擇 IGBT 的 H 橋型主電路的理由IGBT的優(yōu)點：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一步提高， 同時可 保持開關(guān)頻率高的特點。在眾多PWM變換器實現(xiàn)方法中，又以H型PWM變換器更為多見。這種

21、電路具備電流連續(xù)、電動機四象限運行、無摩擦死區(qū)、低速平穩(wěn)性好等優(yōu)點。本次設(shè)計以H型PWM直流控制器為主要研究對象。1.5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，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點。在反饋控制系統(tǒng)中，不管 出于什么原因（外部擾動或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不 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，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度誤差為零。但是如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，如果要求快速起制動，突加負載動態(tài) 速降小等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求

22、。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全 按照要求來控制動態(tài)過程的電流或轉(zhuǎn)矩。另外，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗干擾性 較差，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動時，必須待轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后，調(diào)節(jié)作用才能產(chǎn)生，因此動 態(tài)誤差較大。-5 -在要求較高的調(diào)速系統(tǒng)中，一般有兩個基本要求：一是能夠快速啟動制動； 二是能夠快速克服負載、電網(wǎng)等干擾。通過分析發(fā)現(xiàn)，如果要求快速起動，必須 使直流電動機在起動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)電樞電流保持最大允許值時，電動機以恒加速度升速至給定轉(zhuǎn)速，然后電樞電流立即降至負載電流值。如果要求快速克服電網(wǎng)的干擾，必須對電樞電流進行調(diào)節(jié)。以上兩點都涉及電樞電流的控制，所以

23、自然考慮到將電樞電流也作為被控量， 組成 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。-6 -第2章PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計2.1主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1.1PWM變換器介紹脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡稱PWM變換器。PWM變換 器有不可逆和可逆兩類，可逆變換器又有雙極式、單極式和受限單極式等多種電路。下 面分別對各種形式的PWM變換器做一下簡單的介紹和分析。不可逆PWM變換器分為無制動作用和有制動作用兩種。圖2-1（a）所示為無制動作用的簡單不可逆PWM變換器主電路原理圖，其開關(guān)器件采用全控型的電力電子器 件。電源電壓Us一般由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控整流電路提供。電容C的作用是濾波，二極管VD

24、在電力晶體管VT關(guān)斷時為電動機電樞回路提供釋放電儲能的續(xù)流回路。圖 2-1 簡單的不可逆 PWM 變換器電路（a）原理圖（b）電壓和電流波型電力晶體管VT的基極由頻率為f,其脈沖寬度可調(diào)的脈沖電壓Ub驅(qū)動。在一個開 關(guān)周期T內(nèi)，當(dāng)0乞W時，Ub為正，VT飽和導(dǎo)通，電源電壓通過VT加到電動機電 樞兩端；當(dāng)切時，Ub為負，VT截止，電樞失去電源，經(jīng)二極管VD續(xù)流。電 動機電樞兩端的平均電壓為Ud=tonUs二UsT式中，二山二如PWM電壓的占空比，又稱負載電壓系數(shù)。T的變化U5T范圍在01之間，改變，即可以實現(xiàn)對電動機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。圖2-1（b）繪出了穩(wěn)態(tài)時電動機電樞的脈沖端電壓ud、平均電壓ud和

25、電樞電流id的 波型。由圖可見，電流是id脈動的，其平均值等于負載電流Idi二人/Cm（TL負載轉(zhuǎn)矩，Cm直流電動機在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩電流比)V-7 -由于VT在一個周期內(nèi)具有開關(guān)兩種狀態(tài)，電路電壓平衡方程式也分為兩階段，即卩在0空y期間U RidLdiE在to沁t汀期間0二RidjdEdtdt式中，R, L-電動機電樞回路的總電阻和總電感；E電動機的反電動勢。PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率都較高，至少是14kHz,因此電流的脈動幅值不 會很大，再影響到轉(zhuǎn)速n和反電動勢E的波動就更小，在分析時可以忽略不計，視n和E為恒值。這種簡單不可逆PWM電路中電動機的電樞電流iD不能反向，因此系統(tǒng)沒有制動作 用

26、，只能做單向限運行，這種電路又稱為“受限式”不可逆PWM電路。這種PWM調(diào) 速系統(tǒng)，空載或輕載下可能出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能均差。圖2-2(a)所示為具有制動作用的不可逆PWM變換電路，該電路設(shè)置了兩 個電力晶體管VT1和VT2，形成兩者交替開關(guān)的電路，提供了反向電流的-id通路。 這種電路組成的PWM調(diào)速系統(tǒng)可在第I、II兩個象限中運行。VT1和VT2的基極驅(qū)動信號電壓大小相等，極性相反，即5=-52。當(dāng)電動 機工作在電動狀態(tài)時，在一個周期內(nèi)平均電流就為正值，電流id分為兩段變化。在0乞匕ton期間，Ub1為正，VT1飽和導(dǎo)通；Ub2為負，VT2截止。此時，電源電壓U5加 到電動

27、機電樞兩端，電流id沿圖中的回路1流通。在ton乞t乞T期間，Ub1和Ub2改變極 性，VT1截止，原方向的電流id沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的壓降 給VT2施加反壓，使VT2不可能導(dǎo)通。因此，電動機工作在電動狀態(tài)時，一般情況下 實際上是電力晶體管VT1和續(xù)流二極管VD2交替導(dǎo)通，而VT2則始終不導(dǎo)通，其電 壓、電流波型如圖2-2(b)所示，與圖2-1沒有VT2的情況完全一樣。如果電動機在電動運行中要降低轉(zhuǎn)速，可將控制電壓減小，使Ub1的正脈沖變窄，負脈沖變寬，從而使電動機電樞兩端的平均電壓Ud降低。但是由于慣性，電動機的轉(zhuǎn)速n和反電動勢E來不及立刻變化，因而出現(xiàn)Ud E的情

28、況。這時電力晶體管VT2能在電動機制動中起作用。在 J 空t汀期間，VT2在正的Ub2和反電動勢E的作用下飽 和導(dǎo)通，由E-Ud產(chǎn)生的反向電流-id沿回路3通過VT2流通，產(chǎn)生能耗制動，一部 分能量消耗在回路電阻上，一部分轉(zhuǎn)化為磁場能存儲在回路電感中， 直到t=T為止。在-8 -T豈匕ton（也就是Ot乞 5 ）期間，因52變負，VT2截止，亠只能沿回路4經(jīng)二極 管VD1續(xù)流，對電源回饋制動，同時在VD1上產(chǎn)生的壓降使VT1承受反壓而不能導(dǎo) 通。在整個制動狀態(tài)中，VT2和VD1輪流導(dǎo)通，VT1始終截止，此時電動機處于發(fā)電 狀態(tài)，電壓和電流波型圖2-2（c）。反向電流的制動作用使電動機轉(zhuǎn)速下降，

29、直到新的 穩(wěn)態(tài)。圖 2-2 具有制動作用的不可逆 PWM 變換電路這種電路構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)還存在一種特殊情況，即在電動機的輕載電動狀態(tài)中，負載電流很小，在VT1關(guān)斷后（即ton叭 汀 期間）沿回路2徑VD2的續(xù)流電流id很快衰 減到零，如在圖2-2（d）中的tonT期間的t2時刻。這時VD2兩端的壓降也降為零， 而此時由于Ub2為正，使VT2得以導(dǎo)通，反電動勢E經(jīng)VT2沿回路3流過反向電流-id， 產(chǎn)生局部時間的能耗制動作用。到了0乞t乞切期間，VT2關(guān)斷，-id又沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，到t=上4時-id衰減到零，VT1在Ub1作用下因不存在而反壓而導(dǎo)通，電樞電流再 次改變方向為id沿回路1經(jīng)V

30、T1流通。在一個開關(guān)周期內(nèi)，VT1、VD1、VT2、VD1四個電力電子開關(guān)器件輪流導(dǎo)通，其電流波形示圖2-2（d）。綜上所述，具有制動作用的不可逆PWM變換器構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)，電動機電樞-9 -回路中的電流始終是連續(xù)的；而且，由于電流可以反向，系統(tǒng)可以實現(xiàn)二象限運行，有 較好的靜、動態(tài)性能。由具有制動作用的不可逆PWM變換器構(gòu)成的直流調(diào)速系統(tǒng)，電動機有兩種運 行狀態(tài)，在電動狀態(tài)下，依靠電力晶體管VT1的開和關(guān)兩種狀態(tài)，在發(fā)電制動狀態(tài)下則依靠VT2的開和關(guān)兩種狀態(tài)。兩種工作狀態(tài)下電路電壓平衡方程式都分為兩個階段， 情況同簡單的不可逆的PWM變換器電路相同，即在0乞t乞期間為式URidL如-E，在

31、J 汀期間為式0二Rid L魚-E，只不過兩種狀態(tài)下電dtdt流的方向相反，即在制動狀態(tài)時為-id?？赡鍼WM變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式有T型和H型兩種，其基本電路如圖2-3所 示，圖中（a）為T型PWM變換器電路，（b）為H型PWM變換器電路。圖 2-3 可逆 PWh 變換器電路（a）T 型（b）H 型T型電路由兩個可控電力電子器件和與兩個續(xù)流二極管組成，所用元件少，線路簡 單，構(gòu)成系統(tǒng)時便于引出反饋， 適用于作為電壓低于50V的電動機的可控電壓源； 但是T型電路需要正負對稱的雙極性直流電源，電路中的電力電子器件要求承受兩倍的電源 電壓，在相同的直流電源電壓下，其輸出電壓的幅值為H型電路的一半。

32、H型電路是實際上廣泛應(yīng)用的可逆PWM變換器電路，它由四個可控電力電子器件（以下以電力晶(b)-10 -體管為例)和四個續(xù)流二極管組成的橋式電路， 這種電路只需要單極性電源，所需電力 電子器件的耐壓相對較低，但是構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)的電動機電樞兩端浮地。H型變換器電路在控制方式上分為雙極式、單極式和受限單極式三種。(1)雙極式可逆PWM變換器：雙極式可逆PWM變換器的主電路如圖2-3(b)所示。四個電力晶體管分為 兩組，VT1和VT4為一組，VT2和VT3為一組。同一組中兩個電力晶體管的基極驅(qū)動 電壓波形相同，即Ubi =Ub4，VT1和VT4同時導(dǎo)通和關(guān)斷；Ub2二Ub3，VT2和VT3同 時導(dǎo)通和關(guān)

33、斷。而且Ubi，Ub4和Ub2，Ub3相位相反，在一個開關(guān)周期內(nèi)VT1，VT4和VT2，VT3兩組晶體管交替地導(dǎo)通和關(guān)斷，變換器輸出電壓UAB在一個周期內(nèi)有正負極 性變化，這是雙極式PWM變換器的特征，也是“雙極性”名稱的由來。由于電壓UAB極性的變化，使得電樞回路電流的變化存在兩種情況，其電壓、電流波形如圖2-4所示如果電動機的負載較重，平均負載電流較大，在0空t空 5 時，Ubi和Ub4為正，VT1和VT4飽和導(dǎo)通；而Ub2和Ub3為負，VT2和VT3截止。這時，U5加在電樞AB兩端,UAB二U5，電樞電流沿id回路1流通(見圖2-4(b)，電動機處于電動狀態(tài)。在ton乞2T時，Ubi和U

34、b4為負，VT1和VT4截止；Ub2和Ub3為正，在電樞電感釋放儲能的作用下， 電樞電流經(jīng)二極管VD2和VD3續(xù)流，在VD2和VD3上的正向壓降使VT2和VT3的c-e極承受反壓而不能導(dǎo)通，UAB一U5，電樞電流id沿回路2流通，電動機仍處于電 動狀態(tài)。有關(guān)參量波形圖示于圖2-4（a）。(a)電動機負載較重時(b)電動機負3)-11 -如果電動機負載較輕，平均電流小，在續(xù)流階段電流很快衰減到零，即當(dāng)t=t2時，id=0。于是在t2I汀 時，VT2和VT3的c-e極兩端失去反壓，并在負的電源電 壓（）和電動機反電動勢E的共同作用下導(dǎo)通，電樞電流id反向，沿回路3流通， 電動機處于反接制動狀態(tài)。在

35、T tti（0tti）時，Ub2和Ub3變負，VT2和VT3截止，因電樞電感的作用，電流經(jīng)VD1和VD4續(xù)流，使VT1和VT4的c-e極承受反壓，雖然Ubi和Ub2為正，VT1和VT4也不能導(dǎo)通，電流沿回路4流通，電動機工作在 制動狀態(tài)。當(dāng)tjtgn時，VT1和VT4才導(dǎo)通，電流又沿回路1流通。有關(guān)參量的波 形示于圖2-4（b）。這樣看來，雙極式可逆PWM變換器與具有制動作用的不可逆PWM變換器的電流 波形差不多，主要區(qū)別在于電壓波形；前者，無論負載是輕還是重，加在電動機電樞兩 端的電壓都在U5和-U5之間變換；后者的電壓只在U5和0之間變換。這里并未反映出“可逆”的作用。 實現(xiàn)電動機制可逆運

36、行， 由正、 負驅(qū)動電壓的脈沖寬窄而定。 當(dāng) 正脈沖較寬時，tonT/2，電樞兩端的平均電壓為正，在電動運行時電動機正轉(zhuǎn)；當(dāng) 正脈沖較窄時，tonT/2，平均電壓為負，電動機反轉(zhuǎn)。如果正、負脈沖寬度相等，ton=T/2，平均電壓為零，電動機停止運轉(zhuǎn)。因為雙極式可逆PWM變換器電動機電樞 兩端的平均電壓為Ud冷tonU5-仃-ton）U5 =（ - 1）5若仍以二Ud/U5來定義PWM電壓的占空比，則雙極式PWM變換器的電壓 占空比為 蟲二組1。改變即可調(diào)速，的變化范圍為-1上1。為正值，U5T電動機正轉(zhuǎn)；為負值，電動機反轉(zhuǎn)；=0，電動機停止運轉(zhuǎn)。在=0時，電動機雖 然不動，但電樞兩端的瞬時電壓

37、和流過電樞的瞬時電流都不為零，而是交變的。這個交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增加了電動機的損耗，當(dāng)然是不利的。但 是這個交變電流使電動機產(chǎn)生高頻微振，可以消除電動機正、反向切換時的靜摩擦死區(qū)， 起著所謂“動力潤滑”的作用，有利于快速切換。（2）單極式可逆PWM變換器：單極式可逆PWM變換器和雙極式變換器在電路構(gòu)成上完全一樣， 不同之處在 于驅(qū)動信號不一樣。圖2-3（b）中，左邊兩個電力電子器件的驅(qū)動信號Ub1=-Ub2，具有和雙極式一樣的正、負交替的脈沖波形，使VT1和VT2交替導(dǎo)通；右邊兩個器件VT3、VT4的驅(qū)動信號則按電動機的轉(zhuǎn)向施加不同的控制信號：電動機正轉(zhuǎn)時，使Ub3恒為

38、負，Ub4恒為正，VT3截止VT4常通；電動機反轉(zhuǎn)時，則使Ub3恒為正，Ub4恒為負，VT3常通VT4截止。這種驅(qū)動信號的變化顯然會使不同階段各電力電子器件的開關(guān)情 況和電流流通的回路與雙極式變換器相-12 -比有不同。 當(dāng)電動機負載較重時電流方向連續(xù)不 變；負載較輕時，電流在一個開關(guān)周期內(nèi)也會變向。由于本次設(shè)計要求電機能實現(xiàn)啟動、制動、正反轉(zhuǎn)，并且能進行無極調(diào)速等。又根 據(jù)雙極式H型可逆PWM變換器具有的優(yōu)點：電流一定連續(xù)，可以使電動機實現(xiàn)四象 限動行；電動機停止時的微振交變電流可以消除靜摩擦死區(qū)；低速時由于每個電力電子器件的驅(qū)動脈沖仍較寬而有利于折可靠導(dǎo)通；低速平穩(wěn)性好，可達到很寬的調(diào)速范

39、圍。但雙極式H型可逆PWM變換器也有缺點，在工作過程中，四個電力電子器件都 處于開關(guān)狀態(tài)，容易發(fā)生上、下兩只電力電子器件直通的事故，降低了設(shè)備的可靠性。 為了避免這種情況，我們設(shè)置邏輯延時環(huán)節(jié)DLD保證在對一個元件發(fā)出關(guān)斷信號后， 延遲足夠時間再發(fā)出對另一個元件的開通信號。由于電力電子的器件的導(dǎo)通時也存在開通時間，因此延遲時間通常大于元件的關(guān)斷時間即可以了。所以，本次設(shè)計我們選擇雙極式H型可逆PWM變換器。主電路如圖2-5所示。圖 2-5 H 橋主電路2.1.2泵升電路當(dāng)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的電動機轉(zhuǎn)速由高變低時（減速或者停車），儲存在電動機和負載 轉(zhuǎn)動部分的動能將變成電能，并通過PWM變換器回饋給直

40、流電源。當(dāng)直流電源功率二 極管整流器供電時，不能將這部分能量回饋給電網(wǎng)，只能對整流器輸出端的濾波電容器 充電而使電源電壓升高，稱作“泵升電壓”。過高的泵升電壓會損壞元器件，因此必須 采取預(yù)防措施，防止過高的泵升電壓出現(xiàn)。可以采用由分流電阻R和開關(guān)元件(電力電 子器件)VT組成的泵升電壓限制電路，如圖2-6所示。-13 -圖 2-6 泵升電壓限制電路當(dāng)濾波電容器C兩端的電壓超過規(guī)定的泵升電壓允許數(shù)值時，VT導(dǎo)通，將回饋能量的一部分消耗在分流電阻R上。這種辦法簡單實用，但能量有損失，且會使分流電阻R發(fā)熱，因此對于功率較大的系統(tǒng)，為了提高效率，可以在分流電路中接入逆變，把一 部分能量回饋到電網(wǎng)中去。

41、但這樣系統(tǒng)就比較復(fù)雜了，我們就不選擇這種方式了。2.2參數(shù)設(shè)計2.2.1IGBT管的參數(shù)IGBT(Insulated Gate BipolorTransisto)叫做絕緣柵極雙極晶體管。這種器件具有MOS門極的高速開關(guān)性能和雙極動作的高耐壓、大電流容量的兩種特點。其開關(guān)速度 可達1mS,額定電流密度100A/cm2,電壓驅(qū)動，自身損耗小。其符號和波形圖如圖2-6所示。設(shè)計中選的IGBT管的型號是IRGPC50U,它的參數(shù)如下：管子類型：NMO場效應(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-14 -JGBT15 號及波務(wù)符號

42、( (b)4S 形圖 2-7 IGBT 信號及波形圖222緩沖電路參數(shù)如圖2-3(b)所示，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30-50kHz;因此很小的電路電感就可能引起頗大的L業(yè)，從而產(chǎn)生過電壓，危及dtIGBT的安全。逆變器中IGBT開通時出現(xiàn)尖峰電流，其原因是由于在剛導(dǎo)通的IGBT負載電流上疊加了橋臂中互補管上反并聯(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IGB

43、T的容量。緩沖電路參數(shù)：經(jīng)實驗得出緩沖電路電阻R=10Q;電容C =0.75F。2.2.3泵升電路參數(shù)如圖2-6所示，泵升電路由一個電容量大的電解電容、一個電阻和一個VT組成。泵升電路中電解電容選取C=2000F；電壓U=450V VT選取IRGPC50U型號的IGBT管；電阻選取R=20。-15 -第3章PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路設(shè)計3.1 PWM 信號發(fā)生器PWM信號發(fā)生器以集成可調(diào)脈寬調(diào)制器SG3525為核心構(gòu)成，他把產(chǎn)生的電壓信 號送給H橋中的四個IGBT。通過改變電力晶體管基極控制電壓的占空比，而達到調(diào)速 的目的。其控制電路如圖3-1所示.圖 3-1 PWM 控制電路3.11SG

44、3525芯片的主要特點SG3525為美國Silicon General公司生產(chǎn)的專用PWM控制集成電路，如圖3-2所示。圖 3-2 SG3525 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)它采用恒頻脈寬調(diào)制控制方案，其內(nèi)部包含有精密基準源、鋸齒波振蕩器、誤差放 大器、比較器、分頻器和保護電路等。調(diào)節(jié)Ur的大小，在A、B兩端可輸出兩個幅度相 等、頻率相等、相位相互錯開180度、占空比可調(diào)的矩形波（即PWM信號）。它適用 于各開關(guān)電源、斬波器的控制。輸出級采用推挽輸出，雙通道輸出，占空比0-50%可調(diào).每一通道的驅(qū)動電流最大值可達200mA灌拉電流峰值可達500mA可直接驅(qū)動功率MOS管，工作頻率高達400KHz具有欠壓鎖n

45、m41UTI J3些51UHIT旦 込申仃社海| 匣里可HDDhff5k-16 -定、過壓保護和軟啟動振蕩器外部同步、死區(qū)時間可調(diào)、PWM瑣存、禁止多脈沖、逐個脈沖關(guān)斷等功能。該電路由基準電壓源、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)動級，軟啟動及關(guān)斷電路等組成，可正常工作 的溫度范圍是0-700C?；鶞孰妷簽?.1 V士1%工作電壓范圍很寬，為8V到35V.3.1.2SG3525引腳各端子功能SG3525采用16端雙列直插DIP封裝，各端子功能介紹如下：1腳:INV. INPUT（反相輸入端）:誤差放大器的反相輸入端，該誤差放大器的增益標 稱值為80db,其大小由反

46、饋或輸出負載來決定，輸出負載可以是純電阻，也可以是電 阻性元件和電容元件的組合。該誤差放大器共模輸入電壓范圍是1.5V-5. 2V。此端通常接到與電源輸出電壓相連接的電阻分壓器上。負反饋控制時，將電源輸出電壓分壓后與基準電壓相比較。2腳:NI. INPUT （同相輸入端）:此端通常接到基準電壓16腳的分壓電阻上，取得2. 5V的基準比較電壓與INV. INPUT端的取樣電壓相比較。3腳:SYNC（同步端）:為外同步用。需要多個芯片同步工作時，每個芯片有各自的震蕩頻率，可以分別他們的4腳和3腳相連，這時所有芯片的工作頻率以最快的芯片工作 頻率同步。也可以使單個芯片以外部時鐘頻率工作。4腳:OSC

47、. OUTPUT同步輸出端）:同步脈沖輸出。作為多個芯片同步工作時使用。但幾個芯片的工作頻率不能相差太大， 同步脈沖頻率應(yīng)比震蕩頻率低一些。 如不需多個 芯片同步工作時，3腳和4腳懸空。4腳輸出頻率為輸出脈沖頻率的2倍。輸出鋸齒波 電壓范圍為0. 6V到3. 5V.5腳:Cr（震蕩電容端）:震蕩電容一端接至5腳，另一端直接接至地端。其取值范圍為0.001,u F到0. 1 u F。正常工作時，在Cr兩端可以得到一個從0.6V到3. 5V變 化的鋸齒波。6腳:Rr（震蕩電阻端）:震蕩電阻一端接至6腳，另一端直接接至地端。Rr的阻值決 定了內(nèi)部恒流值對Cr充電。其取值范圍為2K歐到150K歐Rr和

48、Cr越大充電時間越長， 反之則充電時間短。7腳:DISCHATGE RD放電端）:Cr的放電由5. 7兩端的死區(qū)電阻決定。把充電和放 電回路分開，有利與通過死區(qū)電阻來調(diào)節(jié)死區(qū)時間， 使死區(qū)時間調(diào)節(jié)范圍更寬。其取值 范圍為0歐到500歐。放電電阻RD和CT越大放電時間越長，反之則放電時間短。8腳:SOFTSTATR軟啟動）:比較器的反相端即軟啟動器控制端8,端8可外接軟啟動 電容，該電容由內(nèi)部Vf的50uA恒流源充電。9腳:COMPENSATION端）：在誤差放大器輸出端9腳與誤差放大器反相輸入端1腳間接電阻與電容，構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器，補償系統(tǒng)的幅頻、相頻響應(yīng)特性。補償端工作電 壓范圍為1.5V到5

49、. 2V.-17 -10腳:SHUTDOWN關(guān)斷端）:10端為PWM存器的一個輸入端，一般在10端接入過流 檢測信號。過流檢測信號維持時間長時，軟起動端8接的電容C:將被放電。電路正常工作時，該端呈高電平，其電位高于鋸齒波的峰值電位（3. 30。在電路異常時，只要腳10電壓大于0. 7V,三極管導(dǎo)通，反相端的電壓將低于鋸齒波的谷底電壓（0.9V），使得輸出PWMI號關(guān)閉，起到保護作用.11腳:OUTPUTA,14腳：OUTPUB（脈沖輸出端）：輸出末級采用推挽輸出電路，驅(qū)動 場效應(yīng)功率管時關(guān)斷速度更快.11腳和14腳相位相差1800,拉電流和灌電流峰值達200mA由于存在開閉滯后，使輸出和吸收

50、之間出現(xiàn)重迭導(dǎo)通。在重迭處有一個電流尖 脈沖，起持續(xù)時間約為100ns?？梢栽赩處接一個約0. luf的電容濾去電壓尖峰。12腳:GROUND接地端）：該芯片上的所有電壓都是相對于GROUN而言，即是功率地 也是信號地。在實驗電路中，由于接入誤差放大器反向輸入端的反饋電壓也是相對與12腳而言，所以主回路和控制回路的接地端應(yīng)相連。13腳:VC（推挽輸出電路電壓輸入端）：作為推挽輸出級的電壓源，提高輸出級輸出 功率?？梢院?5腳共用一個電源，也可用更高電壓的電源。電壓范圍是1.8V-3. 4V.15腳:+VIN（芯片電源端）:直流電源從15腳引入分為兩路：一路作為內(nèi)部邏輯和模 擬電路的工作電壓；另

51、一路送到基準電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生5.1士1%V的內(nèi)部基準 電壓。如果該腳電壓低于門限電壓（Turn-off: 8V），該芯片內(nèi)部電路鎖定，停止工作基 準源及必要電路除外）使之消耗的電流降至很?。s2mA）.另外，該腳電壓最大不能超過35V.使用中應(yīng)該用電容直接旁路到GROUN端。16腳:VREF（基準電壓端）：基準電壓端16腳的電壓由內(nèi)部控制在5. 1 V土1%。可 以分壓后作為誤差放大器的參考電壓。3.1.3SG3525的工作原理SG3525內(nèi)置了5.1V精密基準電源，微調(diào)至1.0%，在誤差放大器共模輸入電壓范 圍內(nèi)，無須外接分壓電組。SG3525還增加了同步功能，可以工作在主從模式，也

52、可以 與外部系統(tǒng)時鐘信號同步，為設(shè)計提供了極大的靈活性。在CT引腳和Discharge引腳之間加入一個電阻就可以實現(xiàn)對死區(qū)時間的調(diào)節(jié)功能。由于SG3525內(nèi)部集成了軟啟動電路，因此只需要一個外接定時電容。SG3525的軟啟動接入端（引腳8）上通常接一個5的軟啟動電容。上電過程中， 由于電容兩端的電壓不能突變，因此與軟啟動電容接入端相連的PWM比較器反向輸入 端處于低電平，PWM比較器輸出高電平。此時，PWM瑣存器的輸出也為高電平，該 高電平通過兩個或非門加到輸出晶體管上，-18 -使之無法導(dǎo)通。只有軟啟動電容充電至其上的電壓使引腳8處于高電平時，SG3525才開始工作。由于實際中，基準電壓通常

53、是接 在誤差放大器的同相輸入端上，而輸出電壓的采樣電壓則加在誤差放大器的反相輸入端 上。當(dāng)輸出電壓因輸入電壓的升高或負載的變化而升高時， 誤差放大器的輸出將減小， 這將導(dǎo)致PWM比較器輸出為正的時間變長，PWM瑣存器輸出高電平的時間也變長， 因此輸出晶體管的導(dǎo)通時間將最終變短，從而使輸出電壓回落到額定值，實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)。 反之亦然。外接關(guān)斷信號對輸出級和軟啟動電路都起作用。當(dāng)Shutdown（引腳10）上的信號為高電平時，PWM瑣存器將立即動作，禁止SG3525的輸出，同時，軟啟動電容將開 始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動電容將充分放電，直到關(guān)斷信號結(jié)束，才重新進入 軟啟動過程。注意，Shutdo

54、wn引腳不能懸空，應(yīng)通過接地電阻可靠接地，以防止外部 干擾信號耦合而影響SG3525的正常工作。欠電壓鎖定功能同樣作用于輸出級和軟啟動電路。如果輸入電壓過低，在SG3525的輸出被關(guān)斷同時，軟啟動電容將開始放電。此外，SG3525還具有以下功能，即無論因為什么原因造成PWM脈沖中止，輸出都將被中止，直到下一個時鐘信號到來，PWM瑣存器才被復(fù)位。3.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)設(shè)計3.2.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成圖3-3所示為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖。 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負圖 3-3 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串

55、聯(lián)連接。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出作為電流調(diào)節(jié)器ACR勺輸入，用電流調(diào)節(jié)器的輸出去 控制晶管整流的觸發(fā)器。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，是內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在 外面，叫做外環(huán)。-19 -為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個調(diào)節(jié)器通常都采用PI調(diào)節(jié)器。在圖3-3中，標出了兩個調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實際極性，它們是按照觸發(fā)器GT的控制電壓Uct為正電壓的情況標出的，而且考慮運算放大器的反相作用。通常，轉(zhuǎn) 速電流兩個調(diào)節(jié)器的輸出值是帶限幅的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓為um，它決定了電流調(diào)節(jié)器給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅電壓是Uctm，它限制了PWM裝 置輸出電壓的最大值。3.2.

56、2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性根據(jù)圖3-3的原理圖，可以很容易地畫出雙閉環(huán)調(diào)系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3-4所示。其中PI調(diào)節(jié)器用帶限幅的輸出特性表示，這種PI調(diào)節(jié)器在工作中一般存在飽和和不飽和兩種狀況。飽和時輸出達到限幅值；不飽和時輸出未達到限幅值，這 樣的穩(wěn)態(tài)特征是分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的關(guān)鍵。當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時，輸出為恒值，輸入 量的變化不再影響輸出，除非輸入信號反向使調(diào)節(jié)器所在的閉環(huán)成為開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié) 器不飽各時，PI調(diào)節(jié)器的積分（I）作用使輸入偏差電壓U在穩(wěn)態(tài)時總是等于零。-20 -實際上，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的， 對于 靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器存在飽和與不

57、飽和兩種情況。（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和：在正常負載情況下，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和，電流調(diào)節(jié)器也不飽和，穩(wěn)態(tài)時，依靠調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用，它們的輸入偏差電壓都是零。因此系統(tǒng)具有絕對硬的靜特性（無靜*差），即Un=Un=呵Ui=Ui= Pldn = n0a從而得到圖3-5靜特性的n。- A段。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和，U； : U；，所以Id 10時,典I系統(tǒng)的抗擾恢復(fù)時間還 是可以接受的。因此，一般多按典I系統(tǒng)來設(shè)計電流環(huán) 。本設(shè)計因為5i%5%且TL/T二=23.98/6.710。所以 按典I系統(tǒng)設(shè)計,選PI調(diào)節(jié)js+1WASR（S）= Ks J式中K電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)器，其傳遞函數(shù)為:-23 -i電流調(diào)節(jié)

58、器的超前時間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點對消掉控制對象的大時間常數(shù)極點，選擇-i=TL,則電流環(huán)的動-24 -態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以化簡為圖3-6:參數(shù)計算:3.2.4速度調(diào)節(jié)器設(shè)計U：(s)B十KIId(s)s(T刃s+1)-1-r按所用運算放大器取Ro=20K1，Ti= 0.035s，電樞回路總電阻R=20.1ACR積分時間常數(shù)T=T=0.035s，To,= 0.005s電流環(huán)開環(huán)增益：要求 G 乞5%時應(yīng)取KIT7=0.5因此KI= wci= -0-5ITn僞=74.6于是，ACF的比例系數(shù)為K KI*ILR.74.6*0.Ks0.5* 402.6計算控制器的電阻電容值R二KjR0=2.6* 20 =5

59、2K，取50K1Ci=20miFCo4Toi哼5十FR020* 103AccVI1 +Ci電流環(huán)簡化成典I系統(tǒng)圖 3-6L圖 3-7 電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖如圖3-7所示，為電流調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)圖。RJ-fcl丄-25 -在設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器時，可把已設(shè)計好的電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié) 為此，需求出它的等效傳遞函數(shù)：1rWclg以心，VVcUi(s)Ui(s):2s 1P近似條件：” 1 1Wc” 一頑仁嘰用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流閉環(huán)后， 整個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如3-8(a) 所示。把給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)，同時將給定信號改為U*n(s)/；再把時間常數(shù)為Ton和2TD的兩

60、個小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個時間常數(shù)為TEn的慣 性環(huán)節(jié)，且Tm=Ton+2Txi,，則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖可轉(zhuǎn)化成圖3-8(b)。b)圖 3-8 轉(zhuǎn)速環(huán)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖要把轉(zhuǎn)速環(huán)校正成典型U型系統(tǒng)，ASR也應(yīng)采用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)式中 心一轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；T轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)選用典型U型系統(tǒng)的原因:1) .系統(tǒng)在負載擾動作用下，動態(tài)速降要小Un(s)IdL(S)一ASR2Ts 1n(s)CeTmSWASRS)= Kns 1a)Id(-26 -2) . ST飽和時，速度環(huán)退飽和超調(diào)量不大。3) .速度環(huán)基本上是恒值系統(tǒng)。參數(shù)計算：按所用運算放大器取Ro=2OK門電流反饋系數(shù)：