單相斬控式交流調(diào)壓電路課程設(shè)計

1、河南機電高等?？茖W(xué)校課程設(shè)計單相斬控式交流調(diào)壓電路 系 部: 自動控制系 專 業(yè): 生產(chǎn)過程自動化 班 級: 過 131 姓 名: 閆正和 學(xué) 號: 131416140 指導(dǎo)老師: 侯志堅 成 績: 二零一五年七月編編 號號 摘摘 要要調(diào)速系統(tǒng)是當(dāng)今電力拖動自動控制系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一中系統(tǒng)。目前對調(diào)速性能要求較高的各類生產(chǎn)機械大多采用直流傳動，簡稱為直流調(diào)速。早在 20世紀(jì) 40 年代采用的是發(fā)電機電動機系統(tǒng)，又稱放大機控制的發(fā)電機電動機組系統(tǒng)。這種系統(tǒng)在 40 年代廣泛應(yīng)用，但是它的缺點是占地大，效率低，運行費用昂貴，維護不方便等，特別是至少要包含兩臺與被調(diào)速電機容量相同的電機。為了克服這

2、些缺點，50 年代開始使用水銀整流器作為可控變流裝置。這種系統(tǒng)缺點也很明顯，主要是污染環(huán)境，危害人體健康。50 年代末晶閘管出現(xiàn)，晶閘管變流技術(shù)日益成熟，使直流調(diào)速系統(tǒng)更加完善。晶閘管電動機調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)今主要的直流調(diào)速系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于世界各國。 近幾年，交流調(diào)速飛速發(fā)展，逐漸有趕超并代替直流調(diào)速的趨勢。直流調(diào)速理論基礎(chǔ)是經(jīng)典控制理論，而交流調(diào)速主要依靠現(xiàn)代控制理論。不過最近研制成功的直流調(diào)速器，具有和交流變頻器同等性能的高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性、高智能化特點。同時直流電機的低速特性，大大優(yōu)于交流鼠籠式異步電機，為直流調(diào)速系統(tǒng)展現(xiàn)了無限前景。單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)對于運行性能要求很高的機床還

3、存在著很多不足，快速性還不夠好。而基于電流和轉(zhuǎn)速的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜動態(tài)特性都很理想。 關(guān)鍵字：調(diào)速系統(tǒng) 直流調(diào)速器 晶閘管 晶閘管電動機調(diào)速系統(tǒng)ABSTRACTThis paper proposes the use of a chopper-type MOSFET AC voltage regulator. So that the regulator can regulate convenient, fast dynamic response, the harmonic less pollution, higher unit power factor and so on. For regu

4、lating and controlling the AC voltage, better performance and prospects. AC Voltage AC refers to one kind into another with the same frequency, different voltage AC conversion. Chopper control regulator - the switch in a power-off cycle times, cut into several small pieces of the input voltage, chan

5、ge the width or switch off the cycle segment to regulate the output voltage. That is to regulate the quality and impact of the output voltage through the power supply voltage regulator circuit cut control. Chopping frequency, the higher the output voltage of the voltage harmonic frequency, the filte

6、r easier. When the chopper frequency is not an integer multiple of the frequency of the input power, the output voltage will produce harmonics. When low chopper frequency, harmonic content of more adverse impact on the load. AC chopper technology as a high-performance AC voltage regulator technology

7、, in line with the high frequency power electronics technology, efficient and low-pollution trends, will gradually replace the phase control thyristor AC voltage regulator, the development of new devices will accelerate this process.Keywords: Chopping AC; regulator; chopping frequency;目目 錄錄第 1 章 緒論.

8、11.1 直流電動機的調(diào)速方法.21.2 直流調(diào)速系統(tǒng)控制電源方式.21.2.1 PWM 變換器介紹.21.3 選擇 PWM 控制系統(tǒng)的理由.41.4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及靜特性.51.4.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成圖.51.4.2 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性.51.4.3 控制系統(tǒng)動態(tài)性能分析.71.5.系統(tǒng)的動態(tài)校正 .9第二章 相關(guān)參數(shù)計算.102.1 設(shè)計參數(shù)準(zhǔn)備.102.2 ASR 設(shè)計 .11第三章 硬件設(shè)計.123.1 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路設(shè)計.133.1.1PWM 變換器.133.1.2 選擇 IGBT 的 H 橋型主電路的理由.143.1.3 整流電路設(shè)計.14第四章 總結(jié)與心得

9、體會.18第五章 參考文獻.19致 謝.20河南機電高等?？茖W(xué)校課程設(shè)計1第一章第一章 緒論緒論在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)革命過程中，電氣自動化在 20 世紀(jì)的后四十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

10、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)。 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

11、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。電動機作為最主要的動力源和運動源之一，在生產(chǎn)和生活中占有十分重要的地位。電動機的調(diào)速控制方法過去多用模擬法，隨著單片機的產(chǎn)生和發(fā)展以及新型自關(guān)斷元器件的不斷涌現(xiàn)，電動機的控制也發(fā)生了深刻的變化1。直流電動機控制技術(shù)是一項以直流電動機作為機械本體，融入了電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、單片機控制技術(shù)和傳感器技術(shù)的多學(xué)科交叉機電一體化技術(shù)。單片機在電動機控制中的應(yīng)用使調(diào)速系統(tǒng)具有了數(shù)值運算、邏輯判斷及信息處理的功能。河南機電高等專科學(xué)校課程設(shè)計21.1

12、1.1 直流電動機的調(diào)速方法介紹直流電動機的調(diào)速方法介紹直流電動機的調(diào)速方法有三種：（1）改變電樞電阻（R）調(diào)速。（2）改變電樞電壓（U）調(diào)速。（3）改變主磁通調(diào)速。前兩種調(diào)速方法主要適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，后一種調(diào)速方法適用于恒功率負(fù)載。串電阻調(diào)速為有級調(diào)速，調(diào)速平滑性比較差，機械特性斜率增大，速度穩(wěn)定性比較差，受靜差率的限制，調(diào)速范圍比較小。改變電樞電壓調(diào)速為無級調(diào)速，機械特性斜率不變，速度穩(wěn)定性好，調(diào)速范圍比較大。改變主磁通調(diào)速，控制方便，能量損耗比較小，調(diào)速平滑，但受最高轉(zhuǎn)速限制，調(diào)速范圍不大2。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以改變電樞電壓調(diào)速方式為最好。因此，自動控制的直流調(diào)

13、速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主要調(diào)節(jié)方式。1.21.2 直流調(diào)速系統(tǒng)控制電源方式直流調(diào)速系統(tǒng)控制電源方式比較常用的可以控制直流電源有以下三個：（1）靜態(tài)控制整流器。使用靜態(tài)可控整流得到一個可調(diào)的直流電壓。（2）直流斬波器或脈寬調(diào)制轉(zhuǎn)換器。用不變的直流電源或者不可以控制的整流電源提供能，使用電力電子開關(guān)器件斬波器或脈寬調(diào)制，從而產(chǎn)生可以變化的直流電壓。（3）旋轉(zhuǎn)變流機組。由交流電機和直流發(fā)電機組成單位，獲得可調(diào)的直流電壓。旋轉(zhuǎn)變流機組需要的設(shè)備多，體積大，費用高，效率低，安裝需打地基，運行有噪聲，維護不方便。靜止式可控整流器雖然克服了旋轉(zhuǎn)變流機組的許多缺點，而且還大大縮短了響應(yīng)時間，但閘流管容量小，汞

14、弧整流器造價較高，體積仍然很大，維護麻煩，萬一水銀泄漏，將會污染環(huán)境，危害身體健康3。目前，采用晶閘管整流供電的直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。同時，其對過電壓、過電流都十分敏感，容易損壞器件。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)。1.2.1 PWM 變換器介紹變換器介紹 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。河南機電高等?？茖W(xué)校課程設(shè)計3T 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

15、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(fù)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(yīng)用的可逆 PWM 變換器電路，它由四個可控電力電子器件和四個續(xù)流二極管組成的橋式電路。如圖 1-11-1 H 型電路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 Ub1=Ub4，VT1和 VT4同時導(dǎo)通和關(guān)斷；Ub2=Ub3，VT2和 VT3同時導(dǎo)通和關(guān)斷。而且 Ub1，Ub4和 Ub2，Ub3相位相

16、反，在一個開關(guān)周期內(nèi) VT1VT4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(fù)極性變化。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1-2所示。河南機電高等?？茖W(xué)校課程設(shè)計4圖 1-2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)速范圍。 1.3 選擇選擇 PW

17、M 控制系統(tǒng)的理由控制系統(tǒng)的理由 自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用全控型的開關(guān)功率元件進行脈寬調(diào)制的控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器-直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，或直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)4。PWM 系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：（1）主電路線路非常簡單，需要用到的功率器件比較少。（2）開關(guān)頻率比較高，電機損耗及發(fā)熱都比較少，電流很容易連續(xù)，并且諧波少。（3）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗比較小，裝置效率比較高。（4）低速性能比較好，調(diào)速范圍比較寬，穩(wěn)速精度比較高。（5）若與快速響應(yīng)的電動機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)比較快，動態(tài)抗干擾能力強。（6）直流電源采用不控整流

18、時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。由于有上述優(yōu)點，直流 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，特別是在中、小容量的高動態(tài)性能系統(tǒng)中已經(jīng)完全取代了其他調(diào)速系統(tǒng)，這是我們選取它作為研究對象的重要原因。河南機電高等?？茖W(xué)校課程設(shè)計51.41.4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其靜態(tài)特性雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其靜態(tài)特性1.4.11.4.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成圖雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成圖圖 1-3 是轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖。在此系統(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，即分別引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋，這是為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用。二者之間實行嵌套聯(lián)接，或稱串級聯(lián)接。圖 1-3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路

19、原理圖從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。這就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。1.4.2 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜態(tài)特性穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜態(tài)特性由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖可以很方便地畫出穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖，如圖 1-4。河南機電高等?？茖W(xué)校課程設(shè)計6圖 1-4 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖這種 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般存在兩種狀況：飽和和不飽和。輸出如果達到限幅值就是飽和，輸出如果沒有達到限幅值就是不飽和5。當(dāng)輸出為恒值，輸入量的變化不會再影響輸出時，調(diào)節(jié)器處于飽和狀態(tài)。當(dāng) PI 的作用使輸入偏差電壓 U 在穩(wěn)態(tài)時總是等于零時，調(diào)節(jié)器處于不飽和狀態(tài)。實際上，在正常運行時，電流調(diào)節(jié)器

20、是不會達到飽和狀態(tài)的因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。如圖 1-5。河南機電高等專科學(xué)校課程設(shè)計7圖 1-5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性1.4.3 控制系統(tǒng)動態(tài)性能分析控制系統(tǒng)動態(tài)性能分析由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標(biāo)明的、三個階段：第一階段是電流上升階段，第二階段是恒流升速階段，第三階段是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。如圖 1-6。河南機電高等?？茖W(xué)校課程設(shè)計8圖 1-6 啟動過程電流轉(zhuǎn)速波形動態(tài)抗干擾性分析:一般來說，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動態(tài)性能，對于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負(fù)載擾動和抗

21、電網(wǎng)電壓擾動。1.抗負(fù)載擾動由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖上可以看出，負(fù)載擾動作用在電流環(huán)之后，因此，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 來產(chǎn)生抗負(fù)載擾動的作用。在設(shè)計 ASR 時，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。2.抗電網(wǎng)電壓擾動電網(wǎng)電壓變化對調(diào)速系統(tǒng)也產(chǎn)生擾動作用。在雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)中由電網(wǎng)電波動引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化會小得多.雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 1dm 時，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作河南機電高等?？茖W(xué)校課程設(shè)計9用，此時，系統(tǒng)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差。當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器處

22、于飽和輸出時，負(fù)載電流達到最大電流，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，此時，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差6。這就是采用了兩個 PI 調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。這樣的靜特性顯然比帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性要好得多。1.5 系統(tǒng)的動態(tài)校正系統(tǒng)的動態(tài)校正PI 調(diào)節(jié)器設(shè)計轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖 1-7 所示：1-7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖在設(shè)計閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)時，常常會遇到動態(tài)穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)發(fā)生矛盾的情況。為了使系統(tǒng)同時滿足動態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)指標(biāo)兩方面的要求，必須設(shè)計合適的動態(tài)校正裝置。在此調(diào)速系統(tǒng)中，由于其傳遞函數(shù)的階次不是很高，采用 PID 調(diào)節(jié)器的串聯(lián)校正方案就可以完成

23、動態(tài)校正的任務(wù)。由 PD 調(diào)節(jié)器構(gòu)成的超前校正，可提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，并且具有足夠的快速性，可是穩(wěn)態(tài)精度卻不高；由 PI 調(diào)節(jié)器構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度，但是快速性卻不高；用 PID 調(diào)節(jié)器實現(xiàn)的滯后超前校正則兼有二者的優(yōu)點，可以全面提高系統(tǒng)的控制性能，但具體的操作和調(diào)試卻非常復(fù)雜7。一般的調(diào)速系統(tǒng)要求以動態(tài)穩(wěn)定和穩(wěn)態(tài)精度為主，對快速性的要求可以差一些，所以主要采用 PI 調(diào)節(jié)器。系統(tǒng)設(shè)計的一般原則是：先設(shè)計內(nèi)環(huán)，后設(shè)計外環(huán)。在這里，首先設(shè)計電流調(diào)節(jié)器，然后把整個電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設(shè)計轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。河南機電高等?？茖W(xué)校課程設(shè)計10第二章第二章 相關(guān)參數(shù)計算相關(guān)參數(shù)計

24、算2.1 設(shè)計參數(shù)準(zhǔn)備設(shè)計參數(shù)準(zhǔn)備本次課程設(shè)計給出的初始條件：直流電機參數(shù)：240V,37.5Kw,1750r/min,點數(shù)電阻 Ra=0.1113，電機過載倍數(shù) =1.5，lT=0.025S, T=0.15S。主電路采用三相全控橋，進線交流電源：三相 380V。河南機電高等?？茖W(xué)校課程設(shè)計11表 2-1 典型 I 型系統(tǒng)動態(tài)跟隨性能指標(biāo)和頻域指標(biāo)與參數(shù)的關(guān)系2.2 ASR 設(shè)計設(shè)計按跟隨和抗擾性能都能較好的原則,在負(fù)載擾動點后已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié),為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差,還必須在擾動作用點以前設(shè)置一個積分環(huán)節(jié),因此需要由設(shè)計要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型型系統(tǒng)選用設(shè)計 PI 調(diào)節(jié)器。

25、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。這種電路具備電流連續(xù)、電動機四象限運行、無摩擦死區(qū)

26、、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。 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(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 2.5 所示。設(shè)計中選的 IGBT 管的型號是 IRGPC50U,它的參數(shù)如參數(shù)關(guān)系KT0.250.390.500.691.0阻尼比 1.00.80.7070.60.5超調(diào)量 0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升時

27、間Ty6.6T4.7T3.3T2.4T峰值時間Tp8.3T6.2T4.7T3.6T相角穩(wěn)定裕度 Y76.369.965.559.251.8截止頻率c0.243/T0.367/T0.445/T0.596/T0.786/T河南機電高等?？茖W(xué)校課程設(shè)計12下： 管子類型：NMOS 場效應(yīng)管 極限電壓 Vm：600V 第三章第三章 硬件設(shè)計硬件設(shè)計本系統(tǒng)采用一個 8 位單片機 C8051F005 做主控制器。以 H 型雙極性可逆 PWM變換器為主回路核心，采用典型的雙閉環(huán)調(diào)速原理組成 PWM 調(diào)速系統(tǒng)。C8051F005 的 PCA 提供 PWM 脈沖，給定的速度值、速度反饋值和電流反饋值可以控制 P

28、WM 脈沖。改變 PWM 脈沖的占空比可以改變 IGBT 的輸出電壓，以此來改變直流電動機的速度。由于 C8051F005 單片機內(nèi)部有模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換模塊，所以直流測速機將速度值轉(zhuǎn)化為電壓值，然后直接由 A/D 轉(zhuǎn)換通道變成數(shù)字量送入單片機，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速檢測。電流檢測是通過霍爾效應(yīng)電流傳感器由 A/D 轉(zhuǎn)換通道變成數(shù)字量送入單片機。整流電路采用三相橋式全控整流電路。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(fù)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

29、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)?？梢圆捎糜煞至麟娮?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 3-1所示。圖 3-1 泵升電壓限制電路河南機電高等?？茖W(xué)校課程設(shè)計13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)。如圖 3-1 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 IR

30、GPC50U 型號的 IGBT 管；電阻選取 R=203.1 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路設(shè)計雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路設(shè)計3.1.1 PWMPWM 變換器變換器脈寬調(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。直流電動機 PWM 控制系統(tǒng)分為不可逆和可逆系統(tǒng)。不可逆系統(tǒng)是指電動機只能單向旋轉(zhuǎn)；可逆系統(tǒng)是指電動機可以正反兩個方向旋轉(zhuǎn)。對于可逆系統(tǒng)，又可以分為單極性驅(qū)動和雙極性驅(qū)動兩種方式。單極性驅(qū)動是指在一個 PWM 周期里，作用在電樞兩端的脈沖電壓是單一極性的；雙極性驅(qū)動是指在一個 PWM 周期里，作用在電樞兩端的脈沖電壓是正負(fù)交替的。本設(shè)計采用雙極性驅(qū)動可逆 PWM

31、變換器。圖 3-2 是 H 型雙極性可逆 PWM 變換器原理圖。它包含有 4 個 IGBT 管和 4個續(xù)流二極管。4 個 IGBT 管分成兩組，VT1，VT4 為一組；VT2，VT3 為另一組。同一組的 IGBT 管同時導(dǎo)通或截止，不同組的 IGBT 管的導(dǎo)通與截止是不相同的。圖 3-2 H 型雙極性可逆 PWM 變換器原理圖在每一個 PWM 周期里，當(dāng) P3.0 的控制信號為高電平時，開關(guān)管 VT1、VT4導(dǎo)通，此時 P3.1 的控制信號為低電平，因此 VT2、VT3 截止；當(dāng) P3.0 的控制信河南機電高等專科學(xué)校課程設(shè)計14號為低電平時，開關(guān)管 VT1、VT4 截止，此時 P3.1 的控

32、制信號為高電平，因此VT2、VT3 導(dǎo)通。當(dāng)直流電動機正轉(zhuǎn)工作時，在每一個 PWM 周期的正脈沖區(qū)間，VT1、VT4 導(dǎo)通，VT2、VT3 截止。在每一個 PWM 周期的負(fù)脈沖區(qū)間，VT2、VT3 導(dǎo)通，VT1、VT4 截止，電流的方向仍然不變，只不過電流幅值的下降速率比不可逆控制系統(tǒng)的要大，因此電流的波動較大。H 型雙極式可逆 PWM 變換器的優(yōu)點如下：（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電動機在四象限運行；（3）電動機停止時有微振電流，從而可以消除靜摩擦死區(qū)；（4）低速時，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍然比較寬，可以充分保證器件的可靠導(dǎo)通；（5）低速時，平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達 1：20000 左

33、右。3.1.2 選擇選擇 IGBT 的的 H 橋型主電路的理由橋型主電路的理由絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是由 MOSFET 和 GTR 技術(shù)結(jié)合而成的復(fù)合型開關(guān)器件。它也是三端器件，具有柵極 G、集電極 C 和發(fā)射極 E。選用 IGBT 的理由：（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。本設(shè)計中選用的 IGBT 管的型號是 IRGPC50U，它的參數(shù)如下：管子類型：NMOS 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

34、流 I：1.2A 3.1.33.1.3 整流電路設(shè)計整流電路設(shè)計整流電路是電力電子電路中出現(xiàn)最早的一種，它將交流電變?yōu)橹绷麟姟１驹O(shè)計采用三相橋全控整流電路，其原理圖如圖 3-3 所示，陰極連接在一起的 3 個晶閘管（VT1、VT3、VT5）稱為共陰極組；陽極連接在一起的 3 個晶閘管（VT4、VT6、VT2）稱為共陽極組。河南機電高等專科學(xué)校課程設(shè)計15圖 3-3 三相橋式全控整流電路原理圖這種整流電路的輸出電壓一周期脈動 6 次，每次脈動的波形完全相同，故該電路為 6 脈動整流電路。雙極型 PWM 的實現(xiàn)基于 C8051F005 單片機的 PWM 軟件實現(xiàn)的重要硬件支撐是該單片機內(nèi)部的16

35、位可編程定時器/計數(shù)器陣列（PCA）。在 C8051F005 內(nèi)實現(xiàn) PWM 的基本過程：首先，由控制信號的變化范圍和設(shè)定的脈沖頻率 T，求出 t 時刻通過控制信號V（t）的對應(yīng)正、負(fù)脈沖的持續(xù)時間。通過給定時器賦與相應(yīng)的初值從而得到正、負(fù)脈沖在單片機里的時間長度，在機器周期的同步下，定時器會從這個初值的基礎(chǔ)上加 1 計數(shù)，如果產(chǎn)生了溢出中斷就代表定時器已滿，單片機上某一引腳相應(yīng)的正、負(fù)電平極性的持續(xù)時間就是由這個中斷所響應(yīng)的服務(wù)程序所控制的。只要上述過程是持續(xù)進行的，就可以在這個引腳上獲得寬度隨控制信號 V（t）大小變化的 PWM 方波信號。通常單片機是單極型的，實際電平 0V 對應(yīng)單片機的

36、邏輯 0，實際電平+5 V對應(yīng)單片機的邏輯 1。一般來說，只能夠?qū)螛O型的 PWM 脈沖信號從這種單片機上輸出。采用 C8051F005 結(jié)合軟件編程實現(xiàn)雙極型 PWM 控制的設(shè)計思想是這樣的：從 C8051F005 的一個引腳（P3.0）得到正的單極型 PWM 信號輸出，對另一個引腳（P3.1）做相應(yīng)的設(shè)計和定義，讓它承擔(dān)對應(yīng)的負(fù)的單極型 PWM 信號的輸出。即當(dāng)調(diào)制 PWM 脈寬的誤差信號（這個信號是由電傳感器及測速發(fā)電機采集后經(jīng)過相關(guān)處理后得到的誤差信號）為正時，對應(yīng)的 PWM 信號就從 C8051F005 單片機的一個引腳（P3.0）輸出；當(dāng)河南機電高等專科學(xué)校課程設(shè)計16誤差信號為負(fù)

37、時，對應(yīng)的 PWM 信號就從 C8051F005 單片機的另外一個引腳（P3.1）輸出，雖然這個輸出信號的模擬電平也是正的，但是它反映的是負(fù)值的誤差信號所產(chǎn)生的 PWM 輸出；當(dāng)這兩個引腳都沒有輸出時，表示誤差信號是零。通過對誤差信號正負(fù)的定義和判別，再利用 C8051F005 單片機的兩個引腳就實現(xiàn)了雙極型的 PWM。直流測速發(fā)電機的輸出是一個模擬量，當(dāng)它與單片機接口時，必須經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換。由于 C8051F005 單片機內(nèi)部集成了 A/D 轉(zhuǎn)換器，它具有 812 位的轉(zhuǎn)換精度，因此，A/D 轉(zhuǎn)換可以全部在片內(nèi)完成，沒有必要再外接 A/D 轉(zhuǎn)換器。直流測速發(fā)電機安裝在被測電動機軸上，以與被

38、測電動機相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。測速發(fā)電機的輸出電壓通過 R2 和 C1 組成的濾波環(huán)節(jié)后，濾去測速發(fā)電機輸出的紋波，使之電位器 Rw 兩端的電壓是穩(wěn)定的直流電壓。調(diào)整 Rw 的位置，使測速發(fā)電機在最大轉(zhuǎn)速時，抽頭所獲得的電壓為 2.4V，R1 用于限流。如圖 3-4.圖 3-4在直流電源的正極引線上安裝有霍爾電流傳感器 CHB-50P，它由 15V 電源供電，二次電流通過測量電阻形成電流反饋信號，霍爾電流傳感器的另一端連接單片機的 AIN1 引腳?；魻栯娏鱾鞲衅?CHB-50P 是磁平衡式電流傳感器，即原邊電流在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場通過一個次級線圈電流所產(chǎn)生的磁場進行補償，其補償電流精確的反映原邊電

39、流，從而使霍爾器件處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。系統(tǒng)調(diào)試 速度調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR)的調(diào)零 把調(diào)節(jié)器的輸入端 1、2、3 全部接地，4、5 之間接 50K 電阻，調(diào)節(jié)電位器RP3，使 7 端輸出絕對值小于 1mv。河南機電高等專科學(xué)校課程設(shè)計17速度調(diào)節(jié)器(ASR)和電流調(diào)節(jié)器(ACR)的輸出限幅值的整定在調(diào)節(jié)器的 3 個輸入中的其中任一個輸入接給定，在 4.、5 之間接 50K 電阻、1uF 電容，調(diào)節(jié)給定電位器，使調(diào)節(jié)器的輸入為-1V，調(diào)節(jié)電位器 RP1，使調(diào)節(jié)器的輸出 7 為+4V（輸出正限幅值）；同樣把給定調(diào)節(jié)為+1V，調(diào)節(jié) RP2，把負(fù)限幅值調(diào)節(jié)為-4V。零速度封鎖器（D

40、ZS）觀測 首先把零速封鎖器的輸入懸空，開關(guān) S1 撥至“封鎖”狀態(tài)，輸出接速度或者電流調(diào)節(jié)器的零速封鎖端 6，無論調(diào)節(jié)器的輸入如何調(diào)節(jié)，輸出 7 始終為零。把面板上的給定輸出接至零速封鎖單元其中一路，另一路懸空，增大給定，測量零速封鎖單元輸出端 3：給定的絕對值大于 0.26V 左右時，封鎖端 3 輸出-15V；減小給定，給定的絕對值小于 0.17V 左右時，封鎖端 3 輸出+15V。把給定加到另一路進行同樣的操作。 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、220V 直流電源接入系統(tǒng)，系統(tǒng)接成開環(huán)。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