H橋可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設計與實驗(1)

1、 燕山大學 CDIO課程項目研究報告 項目名稱： H橋可逆直流調(diào)速系統(tǒng)設計與實驗 學院（系）： 電氣工程學院 年級專業(yè)： 學 號： 學生姓名： 指導教師： 日期： 2014年6月3日 目錄前言1摘要2第一章 調(diào)速系統(tǒng)總體方案設計 31.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成31.2.穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特 4 1.2.1各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算61.3雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能7 1.3.1動態(tài)數(shù)學模型7 1.3.2起動過程分析71.3.3 動態(tài)性能和兩個調(diào)節(jié)器的作用 8第二章 H橋可逆直流調(diào)速電源及保護系統(tǒng)設計 11第三章 調(diào)節(jié)器的選型及參數(shù)設計133.1電流環(huán)的設計 133.2速度環(huán)的設計

2、 15第四章 Matlab/Simulink仿真17第五章 實物制作20第六章 性能測試22 6.1 SG3525性能測試 22 6.2 開環(huán)系統(tǒng)調(diào)試 23總結(jié) 26參考文獻 26前言 隨著交流調(diào)速的迅速發(fā)展，交流調(diào)速技術越趨成熟，以及交流電動機的經(jīng)濟性和易維護性，使交流調(diào)速廣泛受到用戶的歡迎。但是直流電動機調(diào)速系統(tǒng)以其優(yōu)良的調(diào)速性能仍有廣闊的市場，并且建立在反饋控制理論基礎上的直流調(diào)速原理也是交流調(diào)速控制的基礎。采用轉(zhuǎn)速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，如要求快速起制動、突加負載動態(tài)速降時，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足。這主要

3、是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程中的電流或轉(zhuǎn)矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截至負反饋環(huán)節(jié)是專門用來控制電流的，但它只是在超過臨界電流值以后，靠強烈的負反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。實際工作中，在電機最大電流受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過渡過程中始終保持電流轉(zhuǎn)矩為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動，到達穩(wěn)定轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，電流

4、負反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負反饋，不要電流負反饋發(fā)揮主作用，因此需采用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋作用又能使它們作用在不同的階段。項目預期成果：設計一個雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，實現(xiàn)電流超調(diào)量小于等于5%；轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于等于5%；過渡過程時間小于等于0.1s的無靜差調(diào)速系統(tǒng)。項目分工：參數(shù)計算： 仿真： 電路設計 ： 電路焊接： PPT答辯： 摘要本設計的題目是基于SG3525的雙閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設計。SG3525是電流控制型PWM控制器，

5、所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調(diào)節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結(jié)構(gòu)上有電壓環(huán)和電流環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關電源的電壓調(diào)整率、負載調(diào)整率和瞬態(tài)響應特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，則單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。而轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用PI調(diào)節(jié)器可以獲得無靜差；構(gòu)成的滯后校正，可以保證穩(wěn)態(tài)精度；雖快速性的限制來換取系統(tǒng)穩(wěn)定的，但是電路較簡單。所以雙閉環(huán)直流調(diào)速是性能很好、應用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)。本設計選用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)

6、速控制電路，本課題內(nèi)容重點包括調(diào)速控制器的原理，并且根據(jù)原理對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器進行了詳細地設計。概括了整個電路的動靜態(tài)性能，最后將整個控制器的電路圖設計完成,并且進行仿真。關鍵詞：雙閉環(huán)直流可逆調(diào)速系統(tǒng)、H橋驅(qū)動電路、SG3525信號產(chǎn)生電路、PI調(diào)節(jié)器、MATLAB仿真第一章 調(diào)速系統(tǒng)總體方案設計1.1轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成UPE 圖1.帶電流截止反饋的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)1.2穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖和靜特性為了分析單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性，先繪出了它的電流截止負反饋環(huán)節(jié)的輸人一輸出特性如圖2所示。圖2.電流截止負反饋環(huán)節(jié)的輸人一輸出特性的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。圖3帶電流截止

7、反饋的閉環(huán)直流穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖3上式對應帶電流截止反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如圖441.3雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能1.3.1動態(tài)數(shù)學模型考慮到單閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)可繪出單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示。圖中表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。為了引出電流反饋，電機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中必須把電流顯露出來。圖5單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖1.3.2起動過程分析設置單閉環(huán)控制的一個重要目的就是要獲得接近于理想的起動過程，因此在分析單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時，有必要首先探討它的起動過程。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)(a)帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動過程 (b)理想快

8、速起動過程圖6 調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波形1.3.3 動態(tài)性能和調(diào)節(jié)器的作用1）動態(tài)抗擾性能1抗負載擾動由圖5動態(tài)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，負載擾動作用在電流環(huán)之后，只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來產(chǎn)生抗擾作用。因此，在突加（減）負載時，必然會引起動態(tài)速降（升）。為了減少動態(tài)速降（升），必須在設計ASR時，要求系統(tǒng)具有較好的抗擾性能指標。2. 抗電網(wǎng)電壓擾動57圖7單閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗擾性能2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用（1）使轉(zhuǎn)速n跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)無靜差。（2）對負載變化起抗擾作用。（3）其輸出限幅值決定允許的最大電流。第二章H橋可逆直流調(diào)速電源及保護系統(tǒng)設計直流調(diào)速用的可控直流電源直流驅(qū)動系統(tǒng)電壓控制的

9、方式來調(diào)節(jié)電樞電壓需要一個特殊的可控直流電源。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電能，使用電力電子開關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)變流機組需要的設備多，體積大，費用高，效率低，安裝復雜，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時間，但閘流管容量小，汞弧整流器造價較高，體積仍然很大，維護麻煩，萬一水銀泄漏，

10、將會污染環(huán)境，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)，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)。直流220V的電源可通過單相橋式整流電路產(chǎn)生，但是由于整流電路的輸出電壓具有較大的交流部分，不能適合大多數(shù)電子電路及設備的要求。因此，一般在整流后，還需要利用濾波電路將脈動的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷骸?電源電路如圖所示，與用于信號處理的濾波電路相比，直流電源中濾波電路的顯著特點是：均采用無源電路；理想情況下，濾去所有交流成分，只

11、保留直流成分； 能夠輸出較大電流。系統(tǒng)的保護包括過壓，過流和短路保護。該模塊用于電樞電流的檢測與過流保護，至于電樞回路和直流母線側(cè)。 限流電阻：為了避免大電容C在通電瞬間產(chǎn)生過大的充電電流，在整流器和濾波電容間的直流回路上串入限流電阻（或電抗），通上電源時，先限制充電電流，再延時用開關K將短路，以免長期接入時影響整流電路的正常工作，并產(chǎn)生附加損耗。 泵升限制電路：當脈寬調(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)動部分的動能將會變成電能，并通過雙極式可逆 PWM 變換器回送給直流電源。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回送電能，電機制動時只好給濾

12、波電容充電，從而使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。過高的泵升電壓會損壞元器件，所以必須采取預防措施，防止過高的泵升電壓出現(xiàn)?？梢圆捎糜煞至麟娮鑂和開關元件（電力電子器件）VT組成的泵升電壓限制電路。當濾波電容器C兩端的電壓超過規(guī)定的泵升電壓允許數(shù)值時，VT導通，將回饋能量的一部分消耗在分流電阻R上。第3章 調(diào)節(jié)器的選型及參數(shù)設計設計要求：電流超調(diào)量5%轉(zhuǎn)速超調(diào)量 過渡時間本報告設計為H橋可逆直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，分為內(nèi)環(huán)電流環(huán)ACR與外環(huán)轉(zhuǎn)速環(huán)ASR兩部分，現(xiàn)將參數(shù)整定如下：設計已知基本參數(shù)為：直流電動機額定電壓： UN=54V額定電流： IN=3.24A額定轉(zhuǎn)速： nN=1450r/min

13、電樞電阻： Ra=1.5電樞回路總電阻： R=4電樞電感： L = 2mH 轉(zhuǎn)動慣量： J=0.76g.觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的允許過載倍數(shù)：=1.53.1電流環(huán)的設計3.1電流環(huán)的設計根據(jù)設計要求電流超調(diào)量，并保證穩(wěn)態(tài)電流無差，可按典型I型系統(tǒng)設計電流調(diào)節(jié)器。電流控制。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的,所以把電流調(diào)節(jié)器設計成PI型的，其傳遞函數(shù)為 式中 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)a 計算電流調(diào)節(jié)器參數(shù) 電流環(huán)小時間之和按小時間常數(shù)近似處理：(和一般都比小得多,可以當作小慣性群近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié))。ACR超前時間常數(shù)；電流環(huán)開環(huán)時間增益:要求，故應取，因此 于是，ACR的比例系數(shù)為:

14、b 校驗近似條件電流環(huán)截止頻率 晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件：即滿足近似條件；忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件：即滿足近似條件；小時間常數(shù)近似處理條件：即滿足近似條件。按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達到的動態(tài)跟隨指標為,滿足設計要求。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設計a. 選擇調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按跟隨和抗擾性能都能較好的原則,在負載擾動點后已經(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置一個積分環(huán)節(jié),因此需要由設計要求，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)選用設計PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為b. 計算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)電流環(huán)等效時間常數(shù)=2轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)：按小時間常數(shù)近似處理，取=+Ton=0.00111s根據(jù)跟

15、隨性和抗干擾性能都較好的原則取，則ASR超前時間常數(shù)為轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：ASR的比例系數(shù)：c. 近似校驗轉(zhuǎn)速截止頻率為：電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件： 現(xiàn)在 滿足簡化條件。轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理條件：現(xiàn)在 滿足近似條件。當h=5時，查表得，=37.6%，不能滿足設計要求。實際上，由于這是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量。設理想空載起動時，負載系數(shù)z=0。當h=5時，因此滿足設計要求。第四章 Matlab/Simulink仿真根據(jù)理論設計結(jié)果，構(gòu)建直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型710，如圖3-5所示：圖3-5直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的仿

16、真模型為了使系統(tǒng)模型更簡潔，利用了Simulink的打包功能將調(diào)節(jié)器模型縮小為一個分支模塊10，如圖3-6(a)、(b)所示： （a） （b）圖3-6 （a）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR （b）電流調(diào)節(jié)器ACR運行已構(gòu)建好的Simulink直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真模塊10，在空載、滿載和擾動下，對系統(tǒng)進行仿真得到電動機轉(zhuǎn)速、電流的仿真波形分別如圖3-7、3-8、3-9所示： 圖3-7轉(zhuǎn)速環(huán)空載高速起動波形圖圖3-8轉(zhuǎn)速環(huán)滿載高速起動波形圖 圖3-9 t=1s時加入負載擾動轉(zhuǎn)速環(huán)的抗擾波形圖根據(jù)以上仿真結(jié)果對系統(tǒng)的性能指標進行分析：（1）上升時間：上升時間為0.3622s，響應時間較快。（2）超調(diào)量：。超調(diào)量

17、滿足系統(tǒng)的設計要求，系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性較好。（3）調(diào)節(jié)時間：系統(tǒng)再1.167s以后就達到了穩(wěn)定，穩(wěn)定后基本上無靜差，系統(tǒng)較穩(wěn)定。（4）峰值時間：該時間約為0.4079s，系統(tǒng)的瞬間響應較快。（5）在系統(tǒng)穩(wěn)定后1s時突加額定負載，系統(tǒng)僅用0.18s時間又恢復穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)穩(wěn)定抗擾性。 第5章 實物制作下圖為PWM產(chǎn)生控制電路實物圖主要器件功能介紹：（1）、三個大電容起濾波作用（2）、光耦起隔離作用（3）、滑動變阻器1調(diào)節(jié)占空比（4）、滑動變阻器2調(diào)節(jié)頻率（5）、左下角芯片為SG3525，是電流控制型PWM控制器，引腳圖見圖1 所謂電流控制型脈寬調(diào)制器是按照接反饋電流來調(diào)節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直

18、接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號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，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

19、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(jié)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

20、時，軟啟動電容將開始放電。 （6）、最右端兩個芯片IR2110，其主要功能為：橋驅(qū)動 IR2110引腳功能及特點簡介：LO（引腳1）:低端輸出 COM（引腳2）:公共端 Vcc（引腳3）:低端固定電源電壓 Nc（引腳4）: 空端 Vs（引腳5）:高端浮置電源偏移電壓 VB (引腳6):高端浮置電源電壓 HO（引腳7）:高端輸出 Nc（引腳8）: 空端 VDD（引腳9）:邏輯電源電壓第六章 性能測試6.1 SG3525性能測試1、用示波器觀察即SG3525的5腳的電壓波形，波形如圖4-3為：圖5-1 5腳的波形 2、用示波器觀察即SG3525的13腳的電壓波形，波形如圖4-4為：圖5-2 13腳

21、的波形3、用導線將給定信號和控制PWM信號產(chǎn)生裝置相連，調(diào)節(jié)滑動變阻器，記錄輸出的最大占空比(占空比=50%)的波形如圖4-5為：圖5-3 最大占空比時的波形最小占空比(占空比=13%)的波形如圖4-6為：圖5-4 最小占空比時的波形6.2開環(huán)系統(tǒng)調(diào)試1、線路接線如下圖所示： 圖5-5開環(huán)系統(tǒng)測試的實物連接圖圖5-6開環(huán)系統(tǒng)測試的工作原理圖2、開環(huán)系統(tǒng)原理：速度給定信號G，控制PWM信號產(chǎn)生裝置UPM脈寬調(diào)制器，DLD單元把一組PWM波形分成兩組互補的PWM波，用于控制倆組臂。G用以輸出015V直流給定電壓，UPW采用SG3525芯片和部分外圍電路構(gòu)成，SG3525通過改變外接電容電阻的數(shù)值，

22、可以產(chǎn)生不同頻率的方波信號。改變給頂端電壓，可以改變輸出電壓的占空比，作為PWM控制器的的控制信號。GD的作用是形成四組隔離的PWM驅(qū)動脈沖；PWM為功率放大電路，直接給電動機M供電。這樣通過改變給定電壓就可以對電動機調(diào)速了DLD邏輯延時單元，對PWM控制信號進行延時和整形當被驅(qū)動電路為雙極式工作制時，為了避免同一相上、下兩只功率管直通，需要驅(qū)動信號有死區(qū)。DLD單元即用來產(chǎn)生具有死區(qū)的驅(qū)動控制信號。3、系統(tǒng)開環(huán)性能測定a電機的正轉(zhuǎn)及啟動給電機上電，調(diào)節(jié)可調(diào)變阻器以改變驅(qū)動的占空比，使占空比大于50%，以實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)，記錄啟動時機T=3s.正轉(zhuǎn)后，繼續(xù)調(diào)節(jié)可調(diào)變阻器使占空比增大，可觀察到電機空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速增加，能達到的最大空載轉(zhuǎn)速1450r/min。電機的反轉(zhuǎn)及啟動給電機上電，調(diào)節(jié)可調(diào)變阻器以改變驅(qū)動的占空比，使占空比小于50%，以實現(xiàn)電機的反轉(zhuǎn)，記錄啟動時機T=4s.反轉(zhuǎn)后，繼續(xù)調(diào)節(jié)可調(diào)變阻器使占空比減小，可觀察到電機空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速增加，能達到的最大反轉(zhuǎn)空載轉(zhuǎn)速1450r/min。 總結(jié) 時光荏苒，光陰易逝，轉(zhuǎn)眼間幾周的時間過去了，回首這幾周，有了不少收獲，為這次課程實踐項目畫了一個圓滿的句號。 在實