實(shí)驗(yàn)三十三 雙閉環(huán)控制的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)(H橋)

1、實(shí)驗(yàn)三十三 雙閉環(huán)控制的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)（H橋）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)了解PWM全橋直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理。(2)分析電流環(huán)與速度環(huán)在直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用。二、實(shí)驗(yàn)所需掛件及附件序號(hào)編號(hào)備注1.DJK01 電源控制屏該掛件包含“三相電源輸出”，“勵(lì)磁電源”等幾個(gè)模塊。2.DJK08可調(diào)電阻、電容箱3.DJK09 單相調(diào)壓與可調(diào)負(fù)載4.DJK17 雙閉環(huán)H橋DC/DC變換直流調(diào)速系統(tǒng)5.DD03-2電機(jī)導(dǎo)軌測(cè)速發(fā)電機(jī)及轉(zhuǎn)速表或DD03-2電機(jī)導(dǎo)軌、光碼盤(pán)測(cè)速系統(tǒng)及數(shù)顯轉(zhuǎn)速表6.DJ13-1 直流發(fā)電機(jī)7.DJ15 直流并勵(lì)電動(dòng)機(jī)8.D42三相可調(diào)電阻9.慢掃描示波器自備10.萬(wàn)用表自備三、實(shí)驗(yàn)線路及

2、原理本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖如圖5-12所示：圖5-12 雙閉環(huán)H橋DC/DC變換直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖(1)系統(tǒng)組成給定值Ug與速度反饋量Ufn疊加后經(jīng)速度調(diào)節(jié)器ASR的PI調(diào)節(jié)作為電流環(huán)的給定輸入，它與電流反饋量Ufi疊加后經(jīng)電流調(diào)節(jié)器ACR的PI調(diào)節(jié)向PWM調(diào)節(jié)器輸出一控制電平Uc，PWM調(diào)制器產(chǎn)生一頻率不變的矩形脈沖波，其脈沖寬度即占空比將隨Uc值的變化而改變，其占空比可調(diào)范圍0 £r£1。此PWM脈沖經(jīng)邏輯延時(shí)，功放、隔離等處理后，送到開(kāi)關(guān)器件（IGBT管）的柵極。外加直流電源Us經(jīng)H全橋逆變電路輸出一與占空比r相對(duì)應(yīng)的調(diào)制電壓，經(jīng)平波電抗器Ld驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)M，發(fā)電機(jī)G則

3、作為電動(dòng)機(jī)的負(fù)載，由同軸上的測(cè)速發(fā)電機(jī)取得速度反饋信號(hào)。電流反饋信號(hào)取自主電路的取樣電阻Rs兩端。(2)PWM的生成原理 在圖5-12中，PWM調(diào)制器用于產(chǎn)生一路PWM脈沖波,它是由專用芯片TL494產(chǎn)生，其內(nèi)部原理圖如圖5-13所示：圖5-13 TL494的內(nèi)部原理圖在本實(shí)驗(yàn)中，把PWM調(diào)制器接成圖5-14所示：圖5-14 PWM波形發(fā)生器外圍接線圖上圖中只利用了TL494的一組輸出脈沖。只要控制TL494的輸入端即“1”腳輸入一電平,即可以在輸出端“8”腳相應(yīng)地得到占空比可調(diào)節(jié)的PWM脈沖,其中PWM脈沖的頻率為5.7KHz。(3)H橋逆變電路結(jié)構(gòu)原理H橋DC/DC逆變電路的結(jié)構(gòu)圖如圖5-

4、15所示。圖5-15 雙閉環(huán)H橋DC/DC變換直流調(diào)速系統(tǒng)功能原理框圖本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主電路采用單極性PWM控制方式，其中主電路由四個(gè)IGBT管構(gòu)成H橋，G1G4分別由PWM產(chǎn)生電路產(chǎn)生后經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路放大，再送到IGBT相應(yīng)的柵極，用以控制IGBT管的通斷。單極性的控制方式是這樣進(jìn)行控制的：在圖5-15中，左邊兩個(gè)管子的驅(qū)動(dòng)脈沖UG1=-UG2，使VT1和VT2交替導(dǎo)通；而右邊兩管VT3、VT4因電機(jī)的轉(zhuǎn)向施加不同的直流控制信號(hào)。在電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，VG4恒為正，VG3恒為負(fù)，使VT4常通，VT3截止。在電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，VT4截止而VT3常通。四個(gè)快恢復(fù)二極管VD1VD4用于逆變電路的續(xù)流。其中電流調(diào)節(jié)器的

5、電流反饋量是由主回路中的取樣電阻Rs進(jìn)行取樣的。速度反饋量取自測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出的電壓值。 本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可設(shè)定不同的給定量、速度反饋量及電流反饋量，以完成開(kāi)環(huán)、電流單閉環(huán)、速度單閉環(huán)及雙閉環(huán)的調(diào)速實(shí)驗(yàn)。由于給定量Ug恒為正，因此速度反饋量必須為負(fù)值，在需用到速度閉環(huán)時(shí)必須檢測(cè)測(cè)速發(fā)電機(jī)提供的輸出電壓的極性，將正端連接到面板T1端，負(fù)值端連接到面板的T2端(面板上左邊的接線柱為T(mén)1,右邊的接線柱為T(mén)2端)。面板上的轉(zhuǎn)向選擇開(kāi)關(guān)改變，速度信號(hào)與T1、T2端的連線也相應(yīng)改變。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(1)觀測(cè)并記錄在電機(jī)正、反轉(zhuǎn)時(shí)，H橋四個(gè)臂開(kāi)關(guān)器件的不同控制邏輯。(2)觀測(cè)并記錄電樞回路電流Id隨給定電壓Ug、負(fù)載

6、電阻Rg改變的波形。(3)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)機(jī)械特性n=f（Id）的測(cè)定。(4)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制特性n=f（Ug）的測(cè)定。五、預(yù)習(xí)題(1)在驅(qū)動(dòng)脈沖形成過(guò)程中，為什么要加邏輯延時(shí)（死區(qū)），延時(shí)過(guò)長(zhǎng)會(huì)影響那些指標(biāo)？(2)H橋變換器的單極式工作模式與雙極式工作模式相比有哪些特點(diǎn)？(3)加大轉(zhuǎn)速反饋深度會(huì)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)哪些指標(biāo)產(chǎn)生影響？六、實(shí)驗(yàn)方法(1)電機(jī)在正、反轉(zhuǎn)時(shí)H橋開(kāi)關(guān)器件控制波形的觀測(cè)：按系統(tǒng)原理圖1-1連接線路。此時(shí)測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出暫不接入控制系統(tǒng)中。電流反饋量電位器調(diào)至零，使系統(tǒng)處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)。閉合本調(diào)速系統(tǒng)的控制電源，再閉合提供的直流電源Us。用示波器觀測(cè)TL494輸出的PWM脈沖，通過(guò)調(diào)節(jié)給

7、定電壓量調(diào)節(jié)電位器使輸出脈沖占空比為r=100%，用萬(wàn)用表測(cè)量此時(shí)的Uc=Ucmax，并記錄之。調(diào)節(jié)Ug至占空比約50%，用雙蹤示波器同時(shí)觀測(cè)面板上驅(qū)動(dòng)正脈沖G1-E1與負(fù)脈沖G2-E2的輸出信號(hào)，適當(dāng)調(diào)節(jié)示波器掃描時(shí)間使脈沖上升、下降沿關(guān)系清晰，并記錄之。給定電壓Ug由最小值0逐漸上調(diào)使Uc逐漸上升至Ucmax，將此過(guò)程中G1-E1、G2-E2、G3-E3、G4-E4的占空比變化過(guò)程填入下表：為了在實(shí)驗(yàn)中用雙蹤示波器測(cè)量G1G4的波形而不造成短路現(xiàn)象，因此G1G4的波形是在光耦隔離器的輸入端取出的，它只反映波形的占空比隨輸入控制電平及正反轉(zhuǎn)控制的變化，并不能代表送到IGBT管的柵極的實(shí)際波形

8、。本實(shí)驗(yàn)中，G1，G2的波形是通過(guò)射極跟隨輸出的，它的峰值約為4.4V，而送到IGBT管的實(shí)際驅(qū)動(dòng)波形的峰值為15V。在實(shí)驗(yàn)中對(duì)這個(gè)現(xiàn)象能加以分析。(2)電樞回路電流波形的觀測(cè)：重復(fù)步驟1。為了觀測(cè)電樞回路的電流波形，將圖5-12電樞回路中A點(diǎn)處連線斷開(kāi)，串入1W/10W固定電阻R，將面板上的轉(zhuǎn)向選擇開(kāi)關(guān)撥到“正轉(zhuǎn)”，示波器探頭接R兩端，閉合直流電源。將Ug逐漸調(diào)至Uc=Ucmax，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的負(fù)載電阻RG使Id=Ied，慢慢減少Ug的值,觀測(cè)電動(dòng)機(jī)電樞回路電流Id的變化，選典型波形記錄之。調(diào)節(jié)給定電位器Ug使Uc由高電平快速下降,觀測(cè)Id的穩(wěn)定過(guò)程。(3)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特性的測(cè)定重復(fù)步驟（一）

9、中的1。逐漸增加給定電壓Ug使電機(jī)啟動(dòng)，升速；調(diào)節(jié)給定Ug與負(fù)載電阻RG使電動(dòng)機(jī)Id=Ied，n=1200rpm。其中Ied指電機(jī)的額定電流。Ug不變，改變RG使Id逐漸下降，測(cè)出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速n及電流平均值Id，記錄于下表：n(rpm)Id(A)(4)系統(tǒng)閉環(huán)特性的測(cè)定將電流反饋量調(diào)節(jié)電位器調(diào)到最高端。轉(zhuǎn)向選擇開(kāi)關(guān)撥至“正向”，Ug>0，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，測(cè)量測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓，將高電位端接入速度反饋的T1端，低電位端接入T2，以保證速度反饋為負(fù)值。閉環(huán)機(jī)械特性的測(cè)定 調(diào)節(jié)給定Ug、轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋調(diào)節(jié)電位器使電機(jī)轉(zhuǎn)速n=1200rpm，這時(shí)Un=-0.9V，Ui=0.4V，Ug=1.89V

10、。改變負(fù)載電阻RG，將平均電流Id及轉(zhuǎn)速n記錄于下表。 調(diào)節(jié)給定Ug、轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋調(diào)節(jié)電位器使電機(jī)轉(zhuǎn)速n=1000rpm，這時(shí)Un=-0.76V，Ui=0.33V，Ug=1.58V，改變負(fù)載電阻RG，將相關(guān)Id與n記錄于下表。轉(zhuǎn)速： 電流： n（rpm）1200Id（A）n（rpm）1000Id（A）將轉(zhuǎn)向選擇開(kāi)關(guān)為“反向”重復(fù)確定測(cè)速發(fā)電機(jī)電壓的接入極性；再測(cè)定其閉環(huán)機(jī)械特性，如實(shí)驗(yàn)方法中的4，并記錄于上表。閉環(huán)控制特性的測(cè)定調(diào)節(jié)給定Ug及負(fù)載電阻RG，使系統(tǒng)穩(wěn)定在Id=Ied，n=1200rpm，逐漸降低Ug，記錄相關(guān)的Ug與n于下表。正轉(zhuǎn)n（rpm）Ug（V）反轉(zhuǎn)n（rpm）Ug（V）動(dòng)態(tài)波形的觀測(cè)使電機(jī)穩(wěn)定于n=1200rpm，Ug不變；突加、突減負(fù)載（60%Id100%Id）時(shí)的id、n波形。改變電流反饋量及轉(zhuǎn)速反饋量，重復(fù)上述（1）的步驟。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告(1)按照實(shí)驗(yàn)方法3記錄的波形描述導(dǎo)通臂與關(guān)斷臂切斷狀態(tài)時(shí)的控制邏輯原則。(2)畫(huà)