控制直流調速系統(tǒng)設計論文[1]

1、物電系2012級電氣一班 姓名：陽鄒學號：201214240133 課題名稱：控制直流調速系統(tǒng)的設計 目錄第1章 引言11.1課題來源11.2 直流電動機的調速方法介紹11.3 選擇PWM控制系統(tǒng)的理由31.5 設計技術指標要求3第2章 PWM控制直流調速系統(tǒng)主電路設計52.1 主電路結構設計 52.1.1電路組成及系統(tǒng)分析52.2電路總體介紹52.2.1主電路工作原理62.2.2降壓斬波電路與電機的電動狀態(tài)62.2.3升壓斬波電路與電機的制動狀態(tài)72.2.4半橋電路與電機的電動和制動運行狀態(tài)72.2.5電機可逆運行的實現(xiàn)72.3 PWM變換器介紹82.4.2 緩沖電路參數(shù)142.4

2、.3 泵升電路參數(shù)14第3章PWM控制直流調速系統(tǒng)控制電路設計163.1控制電路設計163.1.1 SG3525的應用163.1.2 SG3525芯片的主要特點163.1.3 SG3525引腳各端子功能173.1.4 SG3525的工作原理193.2 LM1413的應用193.3脈沖變壓器的應用193.4速度調節(jié)器（ST-1）203.5電樞電流調節(jié)器（LT-1）223.6速度變換單元（FBS）243.7電流檢測243.8 脈沖變壓器253.9 給定單元25第1章 引言1.1課題來源目前，直流調速技術的研究和應用已達到比較成熟的地步，尤其是隨著全數(shù)字直流調速的出現(xiàn)，更提高了直流調速系統(tǒng)的精度及可

3、靠性。目前國內各大專院校，科研單位和廠家也都在開發(fā)直流調速裝置，但大多數(shù)調速技術都是結合工業(yè)生產中，而在民用中應用相對較少，所以應用已有的成熟技術開發(fā)性能價格比高的，具有自主知識產權的直流調速單元，將有廣闊的應用前景。直流斬波電路原理實驗和直流電機的PWM調速實驗都是電力電子技術課程要求必須開設的實驗。本課題是應生產教儀的廠家的需要,研制開發(fā)出一套控制平滑、穩(wěn)定、經(jīng)濟、實用、簡便、可靠性高、操作方便的直流調速控制掛箱以供大中專院校實驗教學之用,利用該掛箱設備可以進行的實驗項目有: 降壓斬波電路實驗升壓斬波電路實驗可逆直流PWM調速實驗，實現(xiàn)了斬波實驗電路與可逆PWM調速實驗電路的兼容。本系統(tǒng)采

4、用轉速環(huán)和電流環(huán)雙閉環(huán)結構,因此需要實時檢測電機的電樞電流并把它作為電流調節(jié)器的反饋信號。1.2 直流電動機的調速方法介紹直流電動機的調速方法有三種：    （1）調節(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，從電動機額定轉速向下變速，屬恒轉矩調速方法。對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統(tǒng)來說，這種方法最好。變化遇到的時間常數(shù)較小，能快速響應，但是需要大容量可調直流電源。    （2）改變電動機主磁通。改變磁通可以實現(xiàn)無級平滑調速，但只能減弱磁通進行調速（簡稱弱磁調速），從電機額定轉速向上調速

5、，屬恒功率調速方法。變化時間遇到的時間常數(shù)同變化遇到的相比要大得多，響應速度較慢，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速的方法，設備簡單，操作方便。但是只能進行有級調速，調速平滑性差，機械特性較軟；空載時幾乎沒什么調速作用；還會在調速電阻上消耗大量電能。    改變電阻調速缺點很多，目前很少采用，僅在有些起重機、卷揚機及電車等調速性能要求不高或低速運轉時間不長的傳動系統(tǒng)中采用。弱磁調速范圍不大，往往是和調壓調速配合使用，在額定轉速以上作小范圍的升速。對于要求在一定范圍內

6、無級平滑調速的系統(tǒng)來說，以調節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。因此，自動控制的直流調速系統(tǒng)往往以調壓調速為主速。改變電樞電壓調速是直流調速系統(tǒng)采用的主要方法，調節(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以下三種：（1）旋轉變流機組。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，產生可調的直流電壓。（3）直流斬波器或脈寬調制變換器。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制的方法產生可調的直流平均電壓。由于旋轉變流機組缺點太多，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變流機組，

7、形成所謂的離子拖動系統(tǒng)。離子拖動系統(tǒng)克服旋轉變流機組的許多缺點，而且縮短了響應時間，但是由于汞弧整流器造價較高，體積仍然很大，維護麻煩，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速系統(tǒng)（即晶閘管電動機調速系統(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）晶閘管一般是單向導電元件，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，只好采用開關切換或正、反兩組全控

8、型整流電路，構成V-M可逆調速系統(tǒng)，后者所用變流設備要增多一倍。    （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在很短時間內元件損壞，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，特別是在深調速狀態(tài)，即系統(tǒng)在較低速運行時，晶閘管的導通角很小，使得系

9、統(tǒng)的功率因素很低，并產生較大的高次諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設備。如果采用晶閘管整流裝置的調速系統(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，應采取相應的無功補償、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，所以選擇了脈寬調制變換器進行改變電樞電壓的直流調速系統(tǒng)。1.3 選擇PWM控制

10、系統(tǒng)的理由脈寬調制器UPW采用美國硅通用公司（Silicon General）的第二代產品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，大大簡化了脈寬調制器的設計及調試，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調速系統(tǒng)主電路線路簡單，需用的功率器件少。2） 開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較小。3） 低速性能好，穩(wěn)速精度高，調速范圍廣，可達到1：10000左右。4） 如果可以與快速響應的電動機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗擾能力強。5）

11、60;功率開關器件工作在開關狀態(tài)，導通損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，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。 1.4 采用轉速電流雙閉環(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)內部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產生相應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

12、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。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)過程的電流或轉矩。另外，單閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)抗干擾性較差，當電網(wǎng)電壓波動時，必須待轉速發(fā)生變化后，調節(jié)作用才能產生，因此動態(tài)誤差較大。在要求較高的調速系統(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矩，即最大的恒定允許電樞電流，當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節(jié)。

13、以上兩點都涉及電樞電流的控制，所以自然考慮到將電樞電流也作為被控量，組成轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。1.5 設計技術指標要求1.直流電動機：型號：DJ15功率：485W電樞電壓：220V電樞電流：1.2A額定轉數(shù)：1600rpm2.調速范圍：1：12003.起動時超調量：電流超調量:；轉速超調量: 第2章 PWM控制直流調速系統(tǒng)主電路設計2.1 主電路結構設計 2.1.1電路組成及系統(tǒng)分析流脈寬調速電路原理圖如圖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作為自關斷器件,利用集成脈寬調制控制器SG3525產生的脈寬調制信號作為驅動信號,由兩個IGB

14、T及其反并聯(lián)的續(xù)流二極管組成。2.2電路總體介紹三相127 V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兩點間，直流斬波電路上端接P點，下端接N點，中點公共端(COM)(如圖1所示)。若使COM端與電機電樞繞組A端相接，B端接N，可使電機正轉。若T2截止，T1周期性地通斷，在T1導通的T。 時間內，形成電流回路PT1一AB-N，此時UAB>0， AB>0；在T1截止時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，電機工作在正轉電動狀態(tài)(第一象限)，T1，D2構成一個Buck變換器。若T1截止，T2周期性地通斷

15、，在T2導通的T。 時間內，形成電流回路AT2一B_A；在T2截止時，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UAB>()，lABd0，電機工作在正轉制動狀態(tài)(第二象限)，T2，D1構成一個Boost變換器。只要改變T1，T2導通時間的大小，即改變給T1，T2所加門極驅動信號脈沖的寬度，即可改變UAB和IAB的大小調控直流電動機的轉速和轉矩。若使COM 端與電機電樞繞組A端相接，B端接N，可使電機工作在正轉電動或制動狀態(tài)(I，象限)，若使COM端與B相接而A端接N，可使電機工作在反轉電動或制動狀態(tài)(II，IV象限)。正轉或反轉狀態(tài)電機電樞繞組的連接通過狀

16、態(tài)開關進行切換。這樣僅用兩個開關器件就可實現(xiàn)電機的四象限運行。電機的轉速經(jīng)測速發(fā)電機以及FBS(轉速變換器)輸出到ASR(轉速調節(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ACR(電流調節(jié)器)的輸入并和主電路電流反饋信號進行比較作為系統(tǒng)的內環(huán)。由于電流調節(jié)器的輸出接到SG3525的第2腳，R2為限流電阻，所以要求電流調節(jié)器再通過一個反號器的輸出電壓的極性必須為正，轉速調節(jié)器的輸出作為電流調節(jié)器的給定則又要求其輸出電壓信號為正，最后轉速調節(jié)器的給定選擇了負極性的可調電壓，如圖1所示。ASR和ACR均采用PI調節(jié)器，利用電流負反饋與速度調節(jié)器輸出限幅環(huán)節(jié)的作用，使系統(tǒng)

17、能夠快速起制動，突加負載動態(tài)速降小，具有較好的加速特性。2.2.1主電路工作原理本設計電路中主電路部分由直流電源、兩個IGBT管組成，可看成降壓型變換器和升壓型變換器的串聯(lián)組合，下面結合H型橋式可逆直流PWM調速電路圖來對降壓、升壓斬波電路進行介紹。2.2.2降壓斬波電路與電機的電動狀態(tài)圖2-2中如果始終保持T4導通、T3關斷（如圖2-3所示），并使T2截止、T1周期性地通斷，在T1導通的Ton時間內，vAB=vPN0,iAB0; 在T1截止的Toff時間內，由于電感電流不能突變，iAB經(jīng)D2續(xù)流，vAB=0，A、B兩端電壓的平均值VAB=Ton VPN/(Ton+Toff)=VPN,為占空比

18、?？梢娫趫D3.2.2中當T2截止時由T1、D2構成了一個降壓斬波電路，iAB0，vAB0，電機工作在正向電動狀態(tài)。圖2-3 半橋變換電路圖2-2 H型橋式變換電路2.2.3升壓斬波電路與電機的制動狀態(tài)圖2-3中若T1截止、T2周期性地通斷，在T2導通的Ton時間內，vAB= 0, iAB0;在T2截止的Toff時間內，由于電感電流不能突變，電流iAB經(jīng)D1續(xù)流，vAB=vPN，A、B兩端電壓的平均值VAB= ToffVPN/(Ton+Toff)=（1）VPN,可見當T1截止時由T2、D1構成了一個升壓斬波電路，vAB0, iAB0，電機工作在正向制動狀態(tài)，將電能回送給直流電源。2.2.4半橋電

19、路與電機的電動和制動運行狀態(tài)由上述分析可知，在圖2-3所示的半橋電路中，若T2截止、T1通斷轉換時由T1、D2構成了降壓斬波電路，電機工作在正向電動狀態(tài)；若T1截止、T2通斷轉換時由T2、D1構成了升壓斬波電路，電機工作在正向制動狀態(tài)。在圖2-2中如果始終讓T2導通、T1斷開則類似地，當T4截止時，由T3、D4構成了降壓斬波電路，電機工作在反向電動狀態(tài)；當T3截止時，由T4、D3構成了升壓斬波電路，電機工作在反向制動狀態(tài)。2.2.5電機可逆運行的實現(xiàn)由以上對可逆H橋電路的分析可知，電機的正反轉是通過兩個半橋電路即兩套升/降壓斬波電路交替工作來實現(xiàn)的，（正轉時由T1、T2組成的半橋電路工作，反轉

20、時由T3、T4組成的半橋電路工作）。因此設計出一種半橋型可逆PWM調速電路，即用一套升/降壓斬波電路通過一個轉換開關的切換既可用于電機的正轉也可用于電機的反轉，它與H橋電路相比節(jié)省了兩個開關器件，而且大大簡化了電路，狀態(tài)開關的連接如圖3.2.6所示，當A接COM, B接N時，電機正轉（工作在、象限），當A接N，B接COM時，電機反轉（工作在、象限）圖3.2.6 轉換開關連接圖 2.3 PWM變換器介紹脈寬調速系統(tǒng)的主要電路采用脈寬調制式變換器，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

21、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2-4（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，其開關器件采用全控型的電力電子器件。電源電壓一般由交流電網(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在電力晶體管VT關斷時為電動機電樞回路提供釋放電儲能的續(xù)流回路。圖2-4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，其脈沖寬度可調的脈沖電壓驅動。在一個開關周期T內，當Error! No bookmark name given.時，為正，VT飽和導通，電源電壓通過VT加到電動機電樞兩端；當時，為負，VT截止，電樞失

22、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     式中，PWM電壓的占空比，又稱負載電壓系數(shù)。的變化范圍在01之間，改變，即可以實現(xiàn)對電動機轉速的調節(jié)。 圖2-4（b）繪出了穩(wěn)態(tài)時電動機電樞的脈沖端電壓、平均電壓和電樞電流的波型。由圖可見，電流是脈動的，其平均值等于負載電流（負載轉矩， 直流電動機在額定磁通下的轉矩電流比）。    由于VT在一個周期內具有開關兩種狀態(tài)，電路電壓平衡方程式也分為兩階段，即在期間 在期間     式中，R，L電動機電樞回路的總電阻和總

23、電感；E電動機的反電動勢。    PWM調速系統(tǒng)的開關頻率都較高，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不能反向，因此系統(tǒng)沒有制動作用，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2-5（a）所示為具有制動作用的不可逆PWM變換電路，該電路設置了兩個電力晶體管VT1和VT2，

24、形成兩者交替開關的電路，提供了反向電流的通路。這種電路組成的PWM調速系統(tǒng)可在第I、II兩個象限中運行。    VT1和VT2的基極驅動信號電壓大小相等，極性相反，即。當電動機工作在電動狀態(tài)時，在一個周期內平均電流就為正值，電流分為兩段變化。在期間，為正，VT1飽和導通；為負，VT2截止。此時，電源電壓加到電動機電樞兩端，電流沿圖中的回路流通。在期間，和改變極性，VT1截止，原方向的電流沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流，在VD2兩端產生的壓降給VT2施加反壓，使VT2不可能導通。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

25、交替導通，而VT2則始終不導通，其電壓、電流波型如圖2-5（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速，可將控制電壓減小，使的正脈沖變窄，負脈沖變寬，從而使電動機電樞兩端的平均電壓降低。但是由于慣性，電動機的轉速n和反電動勢E來不及立刻變化，因而出現(xiàn)的情況。這時電力晶體管VT2能在電動機制動中起作用。在期間，VT2在正的和反電動勢E的作用下飽和導通，由E產生的反向電流沿回路3通過VT2流通，產生能耗制動，一部分能量消耗在回路電阻上，一部分轉化為磁場能存儲在回路電感中，直到t=T為止。在（也就是）期間，因變負，V

26、T2截止，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上產生的壓降使VT1承受反壓而不能導通。在整個制動狀態(tài)中，VT2和VD1輪流導通，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2-5（c）。反向電流的制動作用使電動機轉速下降，直到新的穩(wěn)態(tài)。圖2-5 具有制動作用的不可逆PWM變換電路這種電路構成的調速系統(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關斷后（即期間）沿回路2徑VD2的續(xù)流電流很快衰減到零，如在圖2-5（d）中的期間的時刻。這時VD2兩端的壓降也降為零，而此時由于為正，使VT2得以導通，反電動勢E經(jīng)VT2沿回路3流過反向電流

27、，產生局部時間的能耗制動作用。到了期間，VT2關斷，又沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，到時衰減到零，VT1在作用下因不存在而反壓而導通，電樞電流再次改變方向為沿回路經(jīng)VT1流通。在一個開關周期內，VT1、VD1、VT2、VD1四個電力電子開關器件輪流導通，其電流波形示圖2-5（d）。    綜上所述，具有制動作用的不可逆PWM變換器構成的調速系統(tǒng)，電動機電樞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變換器構成的直流調速系統(tǒng)，電動機有兩種

28、運行狀態(tài)，在電動狀態(tài)下，依靠電力晶體管VT1的開和關兩種狀態(tài)，在發(fā)電制動狀態(tài)下則依靠VT2的開和關兩種狀態(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，即在期間為式，在期間為式，只不過兩種狀態(tài)下電流的方向相反，即在制動狀態(tài)時為?？赡鍼WM變換器主電路的結構形式有T型和H型兩種，其基本電路如圖2-6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2-6 可逆PWM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，構成系統(tǒng)時便于引出反饋，適用于作為電壓低于50V的電

29、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。H型電路是實際上廣泛應用的可逆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，但是構成調速系統(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：  &

30、#160; 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動電壓波形相同，即，VT1和VT4同時導通和關斷；，VT2和VT3同時導通和關斷。而且，和，相位相反，在一個開關周期內VT1，VT4和VT2，VT3兩組晶體管交替地導通和關斷，變換器輸出電壓在一個周期內有正負極性變化，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2-7所示。圖2-7 雙極式P

31、WM變換器電壓和電流波形 （a）電動機負載較重時 （b）電動機負載較輕時如果電動機的負載較重，平均負載電流較大，在時，和為正，VT1和VT4飽和導通；而和為負，VT2和VT3截止。這時，加在電樞AB兩端，電樞電流沿回路流通（見圖2-7（b），電動機處于電動狀態(tài)。在時，和為負，VT1和VT4截止；和為正，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通，電樞電流沿回路2流通，電動機仍處于電動狀態(tài)。有關參量波形圖示于圖2-7（a）。    如果電動機負載較輕，平均電流小，

32、在續(xù)流階段電流很快衰減到零，即當時，。于是在時，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的共同作用下導通，電樞電流反向，沿回路3流通，電動機處于反接制動狀態(tài)。在（）時，和變負，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，雖然和為正，VT1和VT4也不能導通，電流沿回路4流通，電動機工作在制動狀態(tài)。當時，VT1和VT4才導通，電流又沿回路1流通。有關參量的波形示于圖2-7（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

33、重，加在電動機電樞兩端的電壓都在和之間變換；后者的電壓只在和0之間變換。這里并未反映出“可逆”的作用。實現(xiàn)電動機制可逆運行，由正、負驅動電壓的脈沖寬窄而定。當正脈沖較寬時， ，電樞兩端的平均電壓為正，在電動運行時電動機正轉；當正脈沖較窄時，平均電壓為負，電動機反轉。如果正、負脈沖寬度相等，平均電壓為零，電動機停止運轉。因為雙極式可逆PWM變換器電動機電樞兩端的平均電壓為     若仍以來定義PWM電壓的占空比，則雙極式PWM變換器的電壓占空比為。改變即可調速，的變化范圍為。為正值，電動機正轉；為負值，電動機反轉；，電動機停止運轉。在時，電動機雖然不動，但

34、電樞兩端的瞬時電壓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，不產生平均轉矩，徒然增加了電動機的損耗，當然是不利的。但是這個交變電流使電動機產生高頻微振，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。   2.4 參數(shù)設計2.4.1 IGBT管的參數(shù)IGBT（Insulated Gate Bipolor Transistor）叫做絕緣柵極雙極晶體管。這種器件具有MOS門極的高速開關性能和雙極動作的高耐壓、大電流容量的兩種特點。其開關速度可達1mS，額定電流密度100A/cm2，電壓驅動，自身損耗小。其

35、符號和波形圖如圖2-6所示。設計中選的IGBT管的型號是IRGPC50U,它的參數(shù)如下：管子類型：NMOS場效應管極限電壓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2-8 IGBT信號及波形圖2.4.2 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的緩沖電路功能側重于開關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，從而產生過電壓，危及IGBT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通的IGBT負載電流

36、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電流，所以在此二極管恢復阻斷前，剛導通的IGBT上形成逆變橋臂的瞬時貫穿短路，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)實驗得出緩沖電路電阻R=10K；電容。2.4.3 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=2000；電壓U=450V；VT選取IRGPC50U 型號的IGBT管；電阻選取R=20。直流調速總圖第3章PWM控制直流調速系統(tǒng)控制電路設計3.1控制電路設計3.1.1 SG3525的應用集成脈寬調制控制器SG3525

37、是控制電路的核心，它采用恒頻脈寬調制控制方案，適合于各種開關電源、斬波器的控制。本實驗電路中用SG3525產生的脈寬調制信號作為IGBT的驅動信號，其外圍電路接線圖見圖3-1。圖3-1 SG3525外圍電路接線圖 3.1.2 SG3525芯片的主要特點SG3525為美國Silicon General公司生產的專用PWM控制集成電路，如圖3-2所示。圖3-2 SG3525芯片的內部結構它采用恒頻脈寬調制控制方案，其內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、占空比可調的矩形波（即PWM

38、信號）。它適用于各開關電源、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.每一通道的驅動電流最大值可達200mA,灌拉電流峰值可達500mA。可直接驅動功率MOS管，工作頻率高達400KHz，具有欠壓鎖定、過壓保護和軟啟動振蕩器外部同步、死區(qū)時間可調、PWM瑣存、禁止多脈沖、逐個脈沖關斷等功能。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、欠壓鎖定輸出驅動級，軟啟動及關斷電路等組成，可正常工作的溫度范圍是0-700C。基準電壓為5.1 V士1%，工作電壓范圍很寬，為8V到35V.3.1.3 SG3525引腳各端子功能SG3525采用16端雙列直插D

39、IP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

40、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. 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(

41、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的阻值決定了內部恒流值對Cr充電。其取值范圍為2K歐到150K歐 Rr和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)電阻來調節(jié)死區(qū)時間，使死區(qū)時間調節(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，該電容由內部Vf的50uA恒流源充電。9腳:COMPENSATION(補償端):在誤差放大器

42、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，構成PI調節(jié)器，補償系統(tǒng)的幅頻、相頻響應特性。補償端工作電壓范圍為1. 5V到5. 2V.10腳:SHUTDOWN(關斷端):10端為PWM鎖存器的一個輸入端，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，三極管導通，反相端的電壓將低于鋸齒波的谷底電壓(0.9V)，使得輸出PWM信號關閉，起到保護作用.11腳:OUTPUT A,14腳: OUTPUT B(脈沖輸出端):輸出末級采用推挽輸出

43、電路，驅動場效應功率管時關斷速度更快.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，使輸出和吸收之間出現(xiàn)重迭導通。在重迭處有一個電流尖脈沖，起持續(xù)時間約為l00ns?？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GROUND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

44、。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:一路作為內部邏輯和模擬電路的工作電壓;另一路送到基準電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產生5.1士1%V的內部基準電壓。如果該腳電壓低于門限電壓(Turn-off: 8V)，該芯片內部電路鎖定，停止工作基準源及必要電路除外)使之消耗的電流降至很小(約2mA).另外，該腳電壓最大不能超過35V.使用中應該用電容直接旁路到GROUND端。16腳:VREF(基準電壓端):基準電壓端16腳的電壓由內部控制在5. 1 V土1%?？梢苑謮汉笞鳛檎`差放大器的參考電壓。3.1.4 SG3525的工作原理 SG3525內置了5.

45、1V精密基準電源，微調至 1.0%，在誤差放大器共模輸入電壓范圍內，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，也可以與外部系統(tǒng)時鐘信號同步，為設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)時間的調節(jié)功能。由于SG3525內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

46、晶體管上，使之無法導通。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。 外接關斷信號對輸出級和軟啟動電路都起作用。當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

47、將開始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動電容將充分放電，直到關斷信號結束，才重新進入軟啟動過程。注意，Shutdown引腳不能懸空，應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瑣存器才被復位3.2 LM1413的應用LM1413是一種復合晶體管（達林頓電路）陣列驅動器，增益和耗散功率大，可靠性高。由于SG3525的驅動能力有限，本電

48、路中把SG3525第11、14腳的輸出信號經(jīng)LM1413放大后再驅動IGBT。3.3脈沖變壓器的應用從LM1413的15、16腳輸出的信號加在脈沖變壓器一次側，經(jīng)脈沖變壓器隔離放大后再驅動IGBT。3.4速度調節(jié)器（ST-1）速度調節(jié)器（ST-1）適用不可逆可控硅直流傳動系統(tǒng)，它用來放大速度偏差信號，并對速度偏差信號進行比例積分運算后輸出，它的輸出信號又作為電流給定信號施加給電流調節(jié)器。速度調節(jié)器（ST-1）由速度比較器FD1，速度調節(jié)器FD2構成。FD1比較器是由線性運算放大器通過電阻R14構成繼電特性。當速度給定信號接近為零時，由于FD1從電位器W2獲得正向偏移，所以FD1輸出大于+8V電

49、壓，該電壓通過二極管Z1加到FD2，使FD2迅速輸出負向飽和，使下一級的電樞電流調節(jié)器（LT-1）獲得一個推到最小的信號，這時整個系統(tǒng)處于停機狀態(tài)，當速度給定信號大于0.2V時則比較器迅速翻轉輸出為負，由于整流二極管Z1的阻擋作用，便不再有正向偏壓加到FD2，于是使FD2迅速退出負向飽和，并開始按速度偏差信號進行P、I調節(jié)。FD2構成對速度偏差信號P、I調節(jié)。FD2調節(jié)器的比例系數(shù)由：Kp =決定，其中為FD2輸出端的分壓電位器的分壓系數(shù)。調節(jié)器的餓強制積分時間常數(shù)為：Ti =（C9+C10）（R24/R25/R26）而微分反饋時間常數(shù)為：TD=C2（R5+R6）可以根據(jù)系統(tǒng)對速度調節(jié)器的餓要求，整定Kp 、Ti 和TD的數(shù)值，其中為微分反饋電位器的分壓系數(shù)。FD2的負向限幅采用二極管反饋限幅，限幅值固定為2V，F(xiàn)D2的正向限幅采用三極管反饋限幅，可以調節(jié)電位器W3來改變正向限幅值，正向限幅值可以由下述決定：Uc =式中：W3電位器W3的電阻值；R23電阻R23的電阻值；UT電源電壓；UD二極管的順向壓降；Ube三極管BG的基射電壓。近似式為：UC=輸出電壓輸入電壓考慮ASR能用