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

1、IPWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要在電氣時(shí)代的今天，電動(dòng)機(jī)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(jī)是最常見的一種電機(jī)，在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。研究直流電機(jī)的控制和測(cè)量 方法，對(duì)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(jī)調(diào)速問題一直是 自動(dòng)化領(lǐng)域比較重要的問題之一。不同領(lǐng)域?qū)τ陔姍C(jī)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(chǎng)合。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PW碉速方法的意義。應(yīng)用

2、于直流 電機(jī)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(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PWMS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；雙閉環(huán)；PWM；SG3525;直流電機(jī)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(jì).21.1設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)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(jì) .62.1主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).62.1.1PWM變換器介紹.62.1.2泵升電路.132.2參數(shù)設(shè)計(jì).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(jì).153.1PWM信號(hào)發(fā)生器.153.1.1SG3525芯片的主要特點(diǎn) .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(jì).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(jì).223.2.4速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì).24第4章系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果.284.4.1開環(huán)機(jī)械特性測(cè)試.284.4.2閉環(huán)機(jī)械特性測(cè)試.29結(jié)束語.30參考文獻(xiàn).31致謝.32-1 -PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)、八 刖言在現(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

10、十年曾進(jìn)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(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

11、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)。如果事先對(duì)這些典型系統(tǒng)作比 較深入的研究，把它們的開環(huán)對(duì)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(biāo)的關(guān)系，寫成簡(jiǎn)單的公式或制成簡(jiǎn)明的圖表，則在設(shè)計(jì)實(shí)際系統(tǒng)時(shí)，只要能把它 校正或簡(jiǎn)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(jìn)行參數(shù)計(jì)算，這樣,就 建立了工程設(shè)計(jì)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(shí)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(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。 鑒于直流調(diào)速系統(tǒng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及國(guó) 防事業(yè)中的重要作用，有必要對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)作進(jìn)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(jì)1.1 設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求1.直流電動(dòng)機(jī)：-2 -型號(hào)：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(dòng)時(shí)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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。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，這種方法最好。 J 變化遇到的時(shí)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(dòng)機(jī)主磁通門。改變磁通可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)平滑調(diào)速，但只能減弱磁通進(jìn)行調(diào)速（簡(jiǎn)稱弱磁調(diào)速），從電機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法。If變化時(shí)間遇到的時(shí)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(dòng)機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡(jiǎn)單， 操作方便。但是只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性較軟；空載時(shí)幾乎沒什么 調(diào)速作用；還會(huì)在調(diào)速電阻上消耗大量電能。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)、卷揚(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。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。 因此，自動(dòng)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(jī)組。用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)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(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-3 -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，但是由于汞弧整流器造價(jià)較高，體積仍然很大，維護(hù)麻煩

16、，尤其 是水銀如果泄漏，將會(huì)污染環(huán)境，嚴(yán)重危害身體健康。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)(即晶閘管一電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)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(diǎn)，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(dòng) 機(jī)實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行造成困難。必須實(shí)現(xiàn)四象限可逆運(yùn)行時(shí)，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(duì)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(biāo)超過允許值都可能

17、在很短時(shí)間內(nèi)元件損壞， 因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求 的散熱條件，而且在選擇元件時(shí)還應(yīng)保留足夠的余量，以保證晶閘管裝置的可靠運(yùn)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(duì)交流電源來說相當(dāng)于一個(gè)感性負(fù)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(yùn)行時(shí)，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(bǔ)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(dòng)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(jī)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(jìn)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(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)

19、速系統(tǒng)主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少。2） 開關(guān)頻率咼，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)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(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

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(duì)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(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

21、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)。本次設(shè)計(jì)以H型PWM直流控制器為主要研究對(duì)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(diǎn)。在反饋控制系統(tǒng)中，不管 出于什么原因（外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會(huì)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(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

22、。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全 按照要求來控制動(dòng)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(dòng)態(tài)抗干擾性 較差，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，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(dòng) 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(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)。以上兩點(diǎn)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(jì)2.1主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(duì)各種形式的PWM變換器做一下簡(jiǎn)單的介紹和分析。不可逆PWM變換器分為無制動(dòng)作用和有制動(dòng)作用兩種。圖2-1（a）所示為無制動(dòng)作用的簡(jiǎn)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(shí)為電動(dòng)機(jī)電樞回路提供釋放電儲(chǔ)能的續(xù)流回路。圖 2-1 簡(jiǎn)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(dòng)。在一個(gè)開 關(guān)周期T內(nèi)，當(dāng)0乞W時(shí)，Ub為正，VT飽和導(dǎo)通，電源電壓通過VT加到電動(dòng)機(jī)電 樞兩端；當(dāng)切時(shí)，Ub為負(fù)，VT截止，電樞失去電源，經(jīng)二極管VD續(xù)流。電 動(dòng)機(jī)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(fù)載電壓系數(shù)。T的變化U5T范圍在01之間，改變，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。圖2-1（b）繪出了穩(wěn)態(tài)時(shí)電動(dòng)機(jī)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(dòng)的，其平均值等于負(fù)載電流Idi二人/Cm（TL負(fù)載轉(zhuǎn)矩，Cm直流電動(dòng)機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩電流比)V-7 -由于VT在一個(gè)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(dòng)機(jī)電樞回路的總電阻和總電感；E電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)。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(dòng)幅值不 會(huì)很大，再影響到轉(zhuǎn)速n和反電動(dòng)勢(shì)E的波動(dòng)就更小，在分析時(shí)可以忽略不計(jì)，視n和E為恒值。這種簡(jiǎn)單不可逆PWM電路中電動(dòng)機(jī)的電樞電流iD不能反向，因此系統(tǒng)沒有制動(dòng)作 用

26、，只能做單向限運(yùn)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(dòng)態(tài)性能均差。圖2-2(a)所示為具有制動(dòng)作用的不可逆PWM變換電路，該電路設(shè)置了兩 個(gè)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(gè)象限中運(yùn)行。VT1和VT2的基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓大小相等，極性相反，即5=-52。當(dāng)電動(dòng) 機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，在一個(gè)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(fù)，VT2截止。此時(shí)，電源電壓U5加 到電動(dòng)

27、機(jī)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(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，一般情況下 實(shí)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(dòng)機(jī)在電動(dòng)運(yùn)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(fù)脈沖變寬，從而使電動(dòng)機(jī)電樞兩端的平均電壓Ud降低。但是由于慣性，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和反電動(dòng)勢(shì)E來不及立刻變化，因而出現(xiàn)Ud E的情

28、況。這時(shí)電力晶體管VT2能在電動(dòng)機(jī)制動(dòng)中起作用。在 J 空t汀期間，VT2在正的Ub2和反電動(dòng)勢(shì)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(dòng)，一部 分能量消耗在回路電阻上，一部分轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)能存儲(chǔ)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(fù)，VT2截止，亠只能沿回路4經(jīng)二極 管VD1續(xù)流，對(duì)電源回饋制動(dòng)，同時(shí)在VD1上產(chǎn)生的壓降使VT1承受反壓而不能導(dǎo) 通。在整個(gè)制動(dòng)狀態(tài)中，VT2和VD1輪流導(dǎo)通，VT1始終截止，此時(shí)電動(dòng)機(jī)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(dòng)作用使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，

29、直到新的 穩(wěn)態(tài)。圖 2-2 具有制動(dòng)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(dòng)機(jī)的輕載電動(dòng)狀態(tài)中，負(fù)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(shí)刻。這時(shí)VD2兩端的壓降也降為零， 而此時(shí)由于Ub2為正，使VT2得以導(dǎo)通，反電動(dòng)勢(shì)E經(jīng)VT2沿回路3流過反向電流-id， 產(chǎn)生局部時(shí)間的能耗制動(dòng)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(shí)-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?yàn)閕d沿回路1經(jīng)V

30、T1流通。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，VT1、VD1、VT2、VD1四個(gè)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(dòng)作用的不可逆PWM變換器構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)二象限運(yùn)行，有 較好的靜、動(dòng)態(tài)性能。由具有制動(dòng)作用的不可逆PWM變換器構(gòu)成的直流調(diào)速系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)有兩種運(yùn) 行狀態(tài)，在電動(dòng)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(dòng)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(gè)階段， 情況同簡(jiǎn)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(dòng)狀態(tài)時(shí)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(gè)可控電力電子器件和與兩個(gè)續(xù)流二極管組成，所用元件少，線路簡(jiǎn) 單，構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)便于引出反饋， 適用于作為電壓低于50V的電動(dòng)機(jī)的可控電壓源； 但是T型電路需要正負(fù)對(duì)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(shí)際上廣泛應(yīng)用的可逆PWM變換器電路，它由四個(gè)可控電力電子器件（以下以電力晶(b)-10 -體管為例)和四個(gè)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(duì)較低，但是構(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)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(gè)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(gè)電力晶體管的基極驅(qū)動(dòng) 電壓波形相同，即Ubi =Ub4，VT1和VT4同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷；Ub2二Ub3，VT2和VT3同 時(shí)導(dǎo)通和關(guān)

33、斷。而且Ubi，Ub4和Ub2，Ub3相位相反，在一個(gè)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(gè)周期內(nèi)有正負(fù)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(dòng)機(jī)的負(fù)載較重，平均負(fù)載電流較大，在0空t空 5 時(shí)，Ubi和Ub4為正，VT1和VT4飽和導(dǎo)通；而Ub2和Ub3為負(fù)，VT2和VT3截止。這時(shí)，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(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)。在ton乞2T時(shí)，Ubi和U

34、b4為負(fù)，VT1和VT4截止；Ub2和Ub3為正，在電樞電感釋放儲(chǔ)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(dòng)機(jī)仍處于電 動(dòng)狀態(tài)。有關(guān)參量波形圖示于圖2-4（a）。(a)電動(dòng)機(jī)負(fù)載較重時(shí)(b)電動(dòng)機(jī)負(fù)3)-11 -如果電動(dòng)機(jī)負(fù)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(shí)，id=0。于是在t2I汀 時(shí)，VT2和VT3的c-e極兩端失去反壓，并在負(fù)的電源電 壓（）和電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)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(dòng)機(jī)處于反接制動(dòng)狀態(tài)。在

35、T tti（0tti）時(shí)，Ub2和Ub3變負(fù)，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(dòng)機(jī)工作在 制動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)tjtgn時(shí)，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(dòng)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(fù)載是輕還是重，加在電動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)制可逆運(yùn)

36、行， 由正、 負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓的脈沖寬窄而定。 當(dāng) 正脈沖較寬時(shí)，tonT/2，電樞兩端的平均電壓為正，在電動(dòng)運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng) 正脈沖較窄時(shí)，tonT/2，平均電壓為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。如果正、負(fù)脈沖寬度相等，ton=T/2，平均電壓為零，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。因?yàn)殡p極式可逆PWM變換器電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；為負(fù)值，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；=0，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。在=0時(shí)，電動(dòng)機(jī)雖 然不動(dòng)，但電樞兩端的瞬時(shí)電壓

37、和流過電樞的瞬時(shí)電流都不為零，而是交變的。這個(gè)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(dòng)機(jī)的損耗，當(dāng)然是不利的。但 是這個(gè)交變電流使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生高頻微振，可以消除電動(dòng)機(jī)正、反向切換時(shí)的靜摩擦死區(qū)， 起著所謂“動(dòng)力潤(rùn)滑”的作用，有利于快速切換。（2）單極式可逆PWM變換器：?jiǎn)螛O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(dòng)信號(hào)不一樣。圖2-3（b）中，左邊兩個(gè)電力電子器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ub1=-Ub2，具有和雙極式一樣的正、負(fù)交替的脈沖波形，使VT1和VT2交替導(dǎo)通；右邊兩個(gè)器件VT3、VT4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)則按電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向施加不同的控制信號(hào)：電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，使Ub3恒為

38、負(fù)，Ub4恒為正，VT3截止VT4常通；電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，則使Ub3恒為正，Ub4恒為負(fù)，VT3常通VT4截止。這種驅(qū)動(dòng)信號(hào)的變化顯然會(huì)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(dòng)機(jī)負(fù)載較重時(shí)電流方向連續(xù)不 變；負(fù)載較輕時(shí)，電流在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)也會(huì)變向。由于本次設(shè)計(jì)要求電機(jī)能實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)，并且能進(jìn)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(diǎn)：電流一定連續(xù)，可以使電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)四象 限動(dòng)行；電動(dòng)機(jī)停止時(shí)的微振交變電流可以消除靜摩擦死區(qū)；低速時(shí)由于每個(gè)電力電子器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬而有利于折可靠導(dǎo)通；低速平穩(wěn)性好，可達(dá)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(diǎn)，在工作過程中，四個(gè)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?cè)O(shè)置邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)DLD保證在對(duì)一個(gè)元件發(fā)出關(guān)斷信號(hào)后， 延遲足夠時(shí)間再發(fā)出對(duì)另一個(gè)元件的開通信號(hào)。由于電力電子的器件的導(dǎo)通時(shí)也存在開通時(shí)間，因此延遲時(shí)間通常大于元件的關(guān)斷時(shí)間即可以了。所以，本次設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速由高變低時(shí)（減速或者停車），儲(chǔ)存在電動(dòng)機(jī)和負(fù)載 轉(zhuǎn)動(dòng)部分的動(dòng)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(shí)，不能將這部分能量回饋給電網(wǎng)，只能對(duì)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(huì)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)?？梢圆捎糜煞至麟娮鑂和開關(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(shí)，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(jiǎn)單實(shí)用，但能量有損失，且會(huì)使分流電阻R發(fā)熱，因此對(duì)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(jì)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(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)，自身損耗小。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：NMO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-14 -JGBT15 號(hào)及波務(wù)符號(hào)

42、( (b)4S 形圖 2-7 IGBT 信號(hào)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(dá)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(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IGB

43、T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=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(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IRGPC50U型號(hào)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(jì)3.1 PWM 信號(hào)發(fā)生器PWM信號(hào)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(hào)送給H橋中的四個(gè)IGBT。通過改變電力晶體管基極控制電壓的占空比，而達(dá)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(diǎn)SG3525為美國(guó)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(zhǔn)源、鋸齒波振蕩器、誤差放 大器、比較器、分頻器和保護(hù)電路等。調(diào)節(jié)Ur的大小，在A、B兩端可輸出兩個(gè)幅度相 等、頻率相等、相位相互錯(cuò)開180度、占空比可調(diào)的矩形波（即PWM信號(hào)）。它適用 于各開關(guān)電源、斬波器的控制。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n

45、m41UTI J3些51UHIT旦 込申仃社海| 匣里可HDDhff5k-16 -定、過壓保護(hù)和軟啟動(dòng)振蕩器外部同步、死區(qū)時(shí)間可調(diào)、PWM瑣存、禁止多脈沖、逐個(gè)脈沖關(guān)斷等功能。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，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.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(biāo) 稱值為80db,其大小由反

46、饋或輸出負(fù)載來決定，輸出負(fù)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(fù)反饋控制時(shí)，將電源輸出電壓分壓后與基準(zhǔn)電壓相比較。2腳:NI. INPUT （同相輸入端）:此端通常接到基準(zhǔn)電壓16腳的分壓電阻上，取得2. 5V的基準(zhǔn)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(gè)芯片同步工作時(shí)，每個(gè)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(shí)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(gè)芯片以外部時(shí)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(gè)芯片同步工作時(shí)使用。但幾個(gè)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(gè) 芯片同步工作時(shí)，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(shí)，在Cr兩端可以得到一個(gè)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(duì)Cr充電。其取值范圍為2K歐到150K歐Rr和

48、Cr越大充電時(shí)間越長(zhǎng)， 反之則充電時(shí)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(shí)間， 使死區(qū)時(shí)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(shí)間越長(zhǎng)，反之則放電時(shí)間短。8腳:SOFTSTATR軟啟動(dòng)）:比較器的反相端即軟啟動(dòng)器控制端8,端8可外接軟啟動(dòng) 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(bǔ)償系統(tǒng)的幅頻、相頻響應(yīng)特性。補(bǔ)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(gè)輸入端，一般在10端接入過流 檢測(cè)信號(hào)。過流檢測(cè)信號(hào)維持時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，軟起動(dòng)端8接的電容C:將被放電。電路正常工作時(shí)，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(shí)，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(hào)關(guān)閉，起到保護(hù)作用.11腳:OUTPUTA,14腳：OUTPUB（脈沖輸出端）：輸出末級(jí)采用推挽輸出電路，驅(qū)動(dòng) 場(chǎng)效應(yīng)功率管時(shí)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(dá)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(gè)電流尖 脈沖，起持續(xù)時(shí)間約為100ns。可以在V處接一個(gè)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(duì)于GROUN而言，即是功率地 也是信號(hào)地。在實(shí)驗(yàn)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(duì)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(jí)的電壓源，提高輸出級(jí)輸出 功率?？梢院?5腳共用一個(gè)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(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生5.1士1%V的內(nèi)部基準(zhǔn) 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(zhǔn)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(yīng)該用電容直接旁路到GROUN端。16腳:VREF（基準(zhǔn)電壓端）：基準(zhǔn)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(zhǔn)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(shí)鐘信號(hào)同步，為設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。在CT引腳和Discharge引腳之間加入一個(gè)電阻就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)死區(qū)時(shí)間的調(diào)節(jié)功能。由于SG3525內(nèi)部集成了軟啟動(dòng)電路，因此只需要一個(gè)外接定時(shí)電容。SG3525的軟啟動(dòng)接入端（引腳8）上通常接一個(gè)5的軟啟動(dòng)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(dòng)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(shí)，PWM瑣存器的輸出也為高電平，該 高電平通過兩個(gè)或非門加到輸出晶體管上，-18 -使之無法導(dǎo)通。只有軟啟動(dòng)電容充電至其上的電壓使引腳8處于高電平時(shí)，SG3525才開始工作。由于實(shí)際中，基準(zhǔn)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(fù)載的變化而升高時(shí)， 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(shí)間變長(zhǎng)，PWM瑣存器輸出高電平的時(shí)間也變長(zhǎng)， 因此輸出晶體管的導(dǎo)通時(shí)間將最終變短，從而使輸出電壓回落到額定值，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)。 反之亦然。外接關(guān)斷信號(hào)對(duì)輸出級(jí)和軟啟動(dòng)電路都起作用。當(dāng)Shutdown（引腳10）上的信號(hào)為高電平時(shí)，PWM瑣存器將立即動(dòng)作，禁止SG3525的輸出，同時(shí)，軟啟動(dòng)電容將開 始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動(dòng)電容將充分放電，直到關(guān)斷信號(hào)結(jié)束，才重新進(jìn)入 軟啟動(dòng)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(hào)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(jí)和軟啟動(dòng)電路。如果輸入電壓過低，在SG3525的輸出被關(guān)斷同時(shí)，軟啟動(dòng)電容將開始放電。此外，SG3525還具有以下功能，即無論因?yàn)槭裁丛蛟斐蒔WM脈沖中止，輸出都將被中止，直到下一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)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(jì)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)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(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)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(dòng)態(tài)性能，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器通常都采用PI調(diào)節(jié)器。在圖3-3中，標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入輸出電壓的實(shí)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(biāo)出的，而且考慮運(yùn)算放大器的反相作用。通常，轉(zhuǎn) 速電流兩個(gè)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(shí)輸出達(dá)到限幅值；不飽和時(shí)輸出未達(dá)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(shí)，輸出為恒值，輸入 量的變化不再影響輸出，除非輸入信號(hào)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(shí)，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(shí)總是等于零。-20 -實(shí)際上，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的， 對(duì)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(fù)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(shí)，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(duì)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(shí),典I系統(tǒng)的抗擾恢復(fù)時(shí)間還 是可以接受的。因此，一般多按典I系統(tǒng)來設(shè)計(jì)電流環(huán) 。本設(shè)計(jì)因?yàn)?i%5%且TL/T二=23.98/6.710。所以 按典I系統(tǒng)設(shè)計(jì),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(shí)間常數(shù)。為了讓調(diào)節(jié)器零點(diǎn)對(duì)消掉控制對(duì)象的大時(shí)間常數(shù)極點(diǎn)，選擇-i=TL,則電流環(huán)的動(dòng)-24 -態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以化簡(jiǎn)為圖3-6:參數(shù)計(jì)算:3.2.4速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)U：(s)B十KIId(s)s(T刃s+1)-1-r按所用運(yùn)算放大器取Ro=20K1，Ti= 0.035s，電樞回路總電阻R=20.1ACR積分時(shí)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(shí)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(jì)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(jiǎn)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(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)：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(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)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(shí)將給定信號(hào)改為U*n(s)/；再把時(shí)間常數(shù)為Ton和2TD的兩

60、個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個(gè)時(shí)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(dòng)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(shí)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(fù)載擾動(dòng)作用下，動(dòng)態(tài)速降要小Un(s)IdL(S)一ASR2Ts 1n(s)CeTmSWASRS)= Kns 1a)Id(-26 -2) . ST飽和時(shí)，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(jì)算：按所用運(yùn)算放大器取Ro=2OK門電流反饋系數(shù)：