PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

1、PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計摘 要在電氣時代的今天，電動機在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔?。直流電機是最常見的一種電機，在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。研究直流電機的控制和測量方法，對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。電機調(diào)速問題一直是自動化領(lǐng)域比擬重要的問題之一。不同領(lǐng)域?qū)τ陔姍C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)用場合。本文基于PWM的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進行了研究，并設(shè)計出應(yīng)用于直流電動機的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。首先描述了變頻器的開展歷程，提出了PWM調(diào)速方法的優(yōu)勢，指出了未來PWM調(diào)速方法的開展前景，點出了研究PWM調(diào)速方法的意義。應(yīng)用于直流電機的

2、調(diào)速方式很多，其中以PWM變頻調(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)計的根底理論，本文將對PWM的理論進行詳細論述。在此根底上，本文將做出SG3525單片機控制的H型PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的整體設(shè)計，然后對各個局部分別進行論證，力圖在每個組成單元上都到達最好的系統(tǒng)性能。 關(guān)鍵詞：直流調(diào)速 ；雙閉環(huán) ；PWM ；SG3525 ；直流電機IDC-drive speed system with PWMABSTRACTIn electrical time's today, the electric motor in the industry and agr

3、iculture production, the people daily life is playing the very vital role. The direct current machine is the most common one kind of electrical machinery, obtains the widespread application in various domains. The research direct current machine's control and the measuring technique, to increase

4、 the control precision and the speed of response, the frugal energy and so on have the important meaning. A problem about speed-modulation of DC motor is very important in the field automatic. The requests to the effect after the speed-modulation of the DC motor are different in different fields. Th

5、en, different speed-modulation ways are using in different fields.This paper researches DC-drive speed system with a dual-converter and dual-closed-loop based PWM, discussing a new control method that combines PWM with D C-drive, designs applies in direct current motor's double closed loop curre

6、nt velocity modulation system. DC motor is used very generally because its speed-modulation effect is very good and its speed-modulation is easily to be realized. PWM theory is used most generally among the speed-modulation ways. The text will introduce the H-PWM way mostly. We will try to do modula

7、tion to the DC motor with SG3525. The importance of the text is the parts which are composed the system. Another importance is the principles of working about every parts.Key word: DC speed regulation ；Double-loop ；PWM ；SG3525；DC moter； II目 錄摘要·········&#

8、183;·················································&#

9、183;·········Abstract·······································

10、···························前言······················

11、3;··············································1第1章 直流調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計·

12、···········································2 1.1 設(shè)計技術(shù)指標要求····

13、3;··············································21.2 現(xiàn)行方案的討論與比擬·&

14、#183;·············································21.3 選擇PWM控制調(diào)速系統(tǒng)的理由·

15、······································41.4 選擇IGBT的H橋型主電路的理由········

16、83;····························41.5 采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的理由··················

17、83;····················5第2章 PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計 ··························

18、;········62.1 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計········································

19、;·············62.1.1 PWM變換器介紹··································&#

20、183;························62.1.2 泵升電路·······················

21、83;·········································132.2 參數(shù)設(shè)計·······

22、;··················································

23、;··········132.2.1 IGBT的參數(shù)·····································&#

24、183;························132.2.2 緩沖電路參數(shù)·······················

25、·····································142.2.3 泵升電路參數(shù)··········

26、3;·················································14第3

27、章 PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路設(shè)計·································15 3.1 PWM信號發(fā)生器···········&#

28、183;···············································153.1.1 SG3525

29、芯片的主要特點·············································153.1.2 SG3525引腳各端子功能&#

30、183;············································163.1.3 SG3525的工作原理··&

31、#183;··············································18 3.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)設(shè)計&#

32、183;···············································183.2. 1 轉(zhuǎn)速、電流

33、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·····

34、3;····························193.2.3 電流調(diào)節(jié)器設(shè)計···················&

35、#183;·······························223.2.4 速度調(diào)節(jié)器設(shè)計···············

36、3;···································24第4章 系統(tǒng)實驗驗證············

37、3;·········································26 4.1 系統(tǒng)結(jié)框圖······

38、3;·················································

39、3;26 4.2 系統(tǒng)工作原理···············································

40、83;·······26 4.3 系統(tǒng)單元調(diào)試········································&#

41、183;··············27 4.3.1 根本調(diào)試·································&

42、#183;·······················27 4.3.2 脈寬發(fā)生單元的整定·······················&

43、#183;·······················274.3.3 轉(zhuǎn)速反響調(diào)節(jié)器、電流反響調(diào)節(jié)器的整定······················

44、;········28 4.4 實驗結(jié)果········································

45、···················284.4.1 開環(huán)機械特性測試····························&#

46、183;····················284.4.2 閉環(huán)機械特性測試··························

47、3;······················29結(jié)束語···························

48、;········································30參考文獻·········

49、;··················································

50、;······31致謝···········································&

51、#183;·························32PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計前 言在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)革命過程中，電氣自動化在20世紀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

52、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)是其中的核心局部?，F(xiàn)代的電力拖動控制系統(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)。如果事先對這些典

53、型系統(tǒng)作比擬深入的研究,把它們的開環(huán)對數(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)性能指標的關(guān)系,寫成簡單的公式或制成簡明的圖表,那么在設(shè)計實際系統(tǒng)時,只要能把它校正或簡化成典型系統(tǒng)的形式,就可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來進行參數(shù)計算,這樣,就建立了工程設(shè)計方法的可能性。目前，隨著大功率電力電子器件的迅速開展，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

54、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。鑒于直流調(diào)速系統(tǒng)在國民經(jīng)濟和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及國防事業(yè)中的重要作用，有必要對直流調(diào)速系統(tǒng)作進一步的研究和開發(fā)。第1章 直流調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計1.1 設(shè)計技術(shù)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(zhuǎn)數(shù)：1600rpm2.調(diào)速范圍：1：12003.起動時超調(diào)量：電流超調(diào)量:；轉(zhuǎn)速超調(diào)量: 1.2 現(xiàn)行方案的討論與比擬直流電動機的調(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，從電動機額定

55、轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)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(yīng)，但是需要大容量可調(diào)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(diào)速，但只能減弱磁通進行調(diào)速簡稱弱磁調(diào)速，從電機額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)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(yīng)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(diào)速的方法，設(shè)備簡單，操作方便。但是只能進行有級調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機械特性較軟；空載時幾乎

56、沒什么調(diào)速作用；還會在調(diào)速電阻上消耗大量電能。    改變電阻調(diào)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(diào)速性能要求不高或低速運轉(zhuǎn)時間不長的傳動系統(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。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(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)變流機組。用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調(diào)的直流電壓

57、。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(zhuǎn)變流機組，形成所謂的離子拖動系統(tǒng)。離子拖動系統(tǒng)克服旋轉(zhuǎn)變流機組的許多缺點，而且縮短了響應(yīng)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(diào)速系統(tǒng)即晶閘管電動機調(diào)速系統(tǒng)，簡稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止Ward-Leonard系

58、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，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(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(nèi)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(yīng)保存足夠的余量

59、，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(dāng)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(diào)速狀態(tài)，即系統(tǒng)在較低速運行時，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

60、限的。如果主電路電感不是非常大，那么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)段特性比擬硬，根本上還是直線；斷續(xù)段特性那么很軟，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(diào)制器的設(shè)計及調(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)速系統(tǒng)主電路線路簡單，

61、需用的功率器件少。2 開關(guān)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(diào)速范圍廣，可到達1：10000左右。4 如果可以與快速響應(yīng)的電動機配合，那么系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強。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，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，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。 變頻調(diào)速很快為廣闊電動機用戶所接受，成為了一種最受歡送的調(diào)速方法，在一些中小容量的動態(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)速是非常值得自動化工作

62、者去研究的。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：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的平安工作區(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

63、路具備電流連續(xù)、電動機四象限運行、無摩擦死區(qū)、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。 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。在反響控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因外部擾動或系統(tǒng)內(nèi)部變化，只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產(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)點因此選用閉環(huán)系統(tǒng)。單閉環(huán)速度反響調(diào)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

64、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(zhuǎn)矩。另外，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)抗干擾性較差，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動時，必須待轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后，調(diào)節(jié)作用才能產(chǎn)生，因此動態(tài)誤差較大。在要求較高的調(diào)速系統(tǒng)中，一般有兩個根本要求：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(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，電動機以恒加速度升速至給定轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)。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

65、控量，組成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 第2章 PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計2.1 主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1.1 PWM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，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2-1a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(guān)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(guān)斷時為電動機電樞

66、回路提供釋放電儲能的續(xù)流回路。圖2-1 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(diào)的脈沖電壓驅(qū)動。在一個開關(guān)周期T內(nèi)，當(dāng)時，為正，VT飽和導(dǎo)通，電源電壓通過VT加到電動機電樞兩端；當(dāng)時，為負，VT截止，電樞失去電源，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(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。 圖2-1b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(zhuǎn)矩，

67、直流電動機在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩電流比。    由于VT在一個周期內(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，即在期間 在期間     式中，R，L電動機電樞回路的總電阻和總電感；E電動機的反電動勢。    PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率都較高，至少是14kHz，因此電流的脈動幅值不會很大，再影響到轉(zhuǎn)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

68、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、動態(tài)性能均差。    圖2-2a所示為具有制動作用的不可逆PWM變換電路，該電路設(shè)置了兩個電力晶體管VT1和VT2，形成兩者交替開關(guān)的電路，提供了反向電流的通路。這種電路組成的PWM調(diào)速系統(tǒng)可在第I、II兩個象限中運行。    VT1和VT2的基極驅(qū)動信號電壓大小相等，極性相反，即。當(dāng)電動機工作在電動狀態(tài)時，在一個周期內(nèi)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(dǎo)通；為負，VT2截止。此時，電源電壓加到

69、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(chǎn)生的壓降給VT2施加反壓，使VT2不可能導(dǎo)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交替導(dǎo)通，而VT2那么始終不導(dǎo)通，其電壓、電流波型如圖2-2b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(zhuǎn)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(zhuǎn)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

70、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(dǎo)通，由E產(chǎn)生的反向電流沿回路3通過VT2流通，產(chǎn)生能耗制動，一局部能量消耗在回路電阻上，一局部轉(zhuǎn)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，VT2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(chǎn)生的壓降使VT1承受反壓而不能導(dǎo)通。在整個制動狀態(tài)中，VT2和VD1輪流導(dǎo)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2-2c。反向電流的制動作用使電動機轉(zhuǎn)速下降，直到新的穩(wěn)態(tài)。圖2-2 具有制動作用的不可逆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，

71、即在電動機的輕載電動狀態(tài)中，負載電流很小，在VT1關(guān)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2-2d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(dǎo)通，反電動勢E經(jīng)VT2沿回路3流過反向電流，產(chǎn)生局部時間的能耗制動作用。到了期間，VT2關(guān)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(dǎo)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(guān)周期內(nèi)，VT1、VD1、VT2、VD1四個電力電子開關(guān)器件輪流導(dǎo)通，其電流波形示圖2-2d。    綜上所述，具有制動作用的不可逆PWM變換器構(gòu)成的

72、調(diào)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(gòu)成的直流調(diào)速系統(tǒng)，電動機有兩種運行狀態(tài)，在電動狀態(tài)下，依靠電力晶體管VT1的開和關(guān)兩種狀態(tài)，在發(fā)電制動狀態(tài)下那么依靠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。可逆PWM變換器主電路的結(jié)構(gòu)形式有T型和H型兩種，其根本電路如圖2-3所示，圖中a為T型PWM

73、變換器電路，b為H型PWM變換器電路。 圖2-3 可逆PWM變換器電路 aT型 bH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(gòu)成系統(tǒng)時便于引出反響，適用于作為電壓低于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(gòu)成調(diào)速系統(tǒng)的電動機電樞兩端浮地。&

74、#160;   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2-3b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(qū)動電壓波形相同，即，VT1和VT4同時導(dǎo)通和關(guān)斷；，VT2和VT3同時導(dǎo)通和關(guān)斷。而且，和，相位相反，在一個開關(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，變換器輸出電壓在一個周期內(nèi)有正負極性變化，這是雙

75、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2-4所示。圖2-4 雙極式PWM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(dǎo)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2-4b，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

76、的c-e極承受反壓而不能導(dǎo)通，電樞電流沿回路2流通，電動機仍處于電動狀態(tài)。有關(guān)參量波形圖示于圖2-4a。    如果電動機負載較輕，平均電流小，在續(xù)流階段電流很快衰減到零，即當(dāng)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(dǎo)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(dǎo)通，電流沿回路4流通，電動機工作在制動狀態(tài)。當(dāng)時，VT1和VT4才導(dǎo)通，電流又

77、沿回路1流通。有關(guān)參量的波形示于圖2-4b。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(qū)動電壓的脈沖寬窄而定。當(dāng)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(zhuǎn)；當(dāng)正脈沖較窄時，平均電壓為負，電動機反轉(zhuǎn)。如果正、負脈沖寬度相等，平均電壓為零，電動機停止運轉(zhuǎn)。因為雙極式可逆PWM變換器電動機電樞兩端的平均電壓為     假設(shè)仍以

78、來定義PWM電壓的占空比，那么雙極式PWM變換器的電壓占空比為。改變即可調(diào)速，的變化范圍為。為正值，電動機正轉(zhuǎn)；為負值，電動機反轉(zhuǎn)；，電動機停止運轉(zhuǎn)。在時，電動機雖然不動，但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(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增加了電動機的損耗，當(dāng)然是不利的。但是這個交變電流使電動機產(chǎn)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單極式可逆PWM變換器：    單極式可逆PWM變換器和雙極式變換器在電路構(gòu)成上完全一

79、樣，不同之處在于驅(qū)動信號不一樣。圖2-3b中，左邊兩個電力電子器件的驅(qū)動信號，具有和雙極式一樣的正、負交替的脈沖波形，使VT1和VT2交替導(dǎo)通；右邊兩個器件VT3、VT4的驅(qū)動信號那么按電動機的轉(zhuǎn)向施加不同的控制信號：電動機正轉(zhuǎn)時，使恒為負，恒為正，VT3截止VT4常通；電動機反轉(zhuǎn)時，那么使恒為正，恒為負，VT3常通VT4截止。這種驅(qū)動信號的變化顯然會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比有不同。當(dāng)電動機負載較重時電流方向連續(xù)不變；負載較輕時，電流在一個開關(guān)周期內(nèi)也會變向。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PW

80、M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，可到達很寬的調(diào)速范圍。 但雙極式H型可逆PWM變換器也有缺點，在工作過程中，四個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。為了防止這種情況，我們設(shè)置邏輯延時環(huán)節(jié)DLD，保證在對一個元件發(fā)出關(guān)斷信號后，延遲足夠時間再發(fā)出對另一個元件的開通信號。由于電力電子的器件的導(dǎo)通時也存在開通時間，因此延遲時間通常大于元件的關(guān)斷時間即可以了。所以，本次設(shè)計我們選擇雙極式H型可逆PW

81、M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)動局部的動能將變成電能，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，不能將這局部能量回饋給電網(wǎng)，只能對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)。可以采用由分流電阻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2-6所示。 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，VT導(dǎo)通，將回饋能量的一局部

82、消耗在分流電阻R上。這種方法簡單實用，但能量有損失，且會使分流電阻R發(fā)熱，因此對于功率較大的系統(tǒng)，為了提高效率，可以在分流電路中接入逆變，把一局部能量回饋到電網(wǎng)中去。但這樣系統(tǒng)就比擬復(fù)雜了，我們就不選擇這種方式了。2.2 參數(shù)設(shè)計2.2.1 IGBT管的參數(shù)IGBTInsulated 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2-6所示。設(shè)計中選的IGBT管的型號是IRGPC50U,它的參數(shù)如下：管

83、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額定電流I：1.2A圖2-7 IGBT信號及波形圖2.2.2 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(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30-50kHz；因此很小的電路電感就可能引起頗大的，從而產(chǎn)生過電壓，危及IGBT的平安。逆變器中IGBT開通時出現(xiàn)尖峰電流，其原因是由于在剛導(dǎo)通的IGBT負載電流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(fù)電流，所以在此二極管恢復(fù)阻斷前，剛導(dǎo)通的

84、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。2.2.3 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。第3章PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路設(shè)計3.1 PWM信號發(fā)生器PWM信號發(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)生的電壓信號送給H橋中的四個IGBT。通過改變電力晶體管基極控制電壓的占空比，而到達調(diào)速的

85、目的。其控制電路如圖3-1所示.圖3-1 PWM控制電路3.11 SG3525芯片的主要特點SG3525為美國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)部包含有精密基準源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比擬器、分頻器和保護電路等。調(diào)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(diào)的矩形波即PWM信號。它適用于各開關(guān)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(diào).每一通道的驅(qū)動電流最大值可達200mA,灌拉電流峰值可達500mA。

86、可直接驅(qū)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(diào)、PWM瑣存、禁止多脈沖、逐個脈沖關(guān)斷等功能。該電路由基準電壓源、震蕩器、誤差放大器、PWM比擬器與鎖存器、分相器、欠壓鎖定輸出驅(qū)動級，軟啟動及關(guān)斷電路等組成，可正常工作的溫度范圍是0-700C?；鶞孰妷簽?.1 V士1%，工作電壓范圍很寬，為8V到35V.3.1.2 SG3525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稱值為80db，其大小由反響或輸出負載來決定，輸

87、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。負反響控制時，將電源輸出電壓分壓后與基準電壓相比擬。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的基準比擬電壓與INV. INPUT端的取樣電壓相比擬。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

88、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(yīng)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(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，反之那么充電時間短。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(diào)節(jié)死區(qū)時間，使死區(qū)時間調(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越大放電時間越長，反之那么放電時間短。8腳:SOFTSTATR(軟啟動):比擬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(nèi)部Vf的50uA恒流源充電。9腳:COMPENSATION(補償端):在誤差放大器輸出端9腳與誤差放大