基于SG3525的雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計說明

1、廣東石油化工學(xué)院計算機(jī)與電子信息學(xué)院自動化系電氣工程及其自動化專業(yè)電 力 拖 動 自 動 控 制 系 統(tǒng) 運(yùn) 動 控 制 系 統(tǒng)課程設(shè)計題 目： 基于 SG3525 的雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計班 別 電氣 07-2 班 姓 名 張 根 明 學(xué) 號 07034020233 指導(dǎo)老師 楊 柏 松 專業(yè)主任日期基于 SG3525 的雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計一、引言 近年來，隨著科技的進(jìn)步，電力電子技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，直流電機(jī)得到了越 來越廣泛的應(yīng)用。直流它具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)速范圍廣；過載 能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無極快速起動、制動和反轉(zhuǎn)；需要能 滿足生產(chǎn)過

2、程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求，從而對直流電機(jī)的調(diào)速提出了較 高的要求，改變電樞回路電阻調(diào)速、改變電樞電壓調(diào)速等技術(shù)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求， 這時通過 PWM 方式控制直流電機(jī)調(diào)速的方法應(yīng)用而生。采用傳統(tǒng)的的調(diào)速系統(tǒng)主要有以下缺陷：模擬電路容易隨時間漂移，會產(chǎn)生一些不 必要的熱損耗，以及對噪聲敏感等。而在用了 PWM 技術(shù)后避免了以上缺陷，實(shí)現(xiàn)了 用數(shù)字方式來控制模擬信號，可以大幅度降低成本和功耗。另外，由于 PWM 調(diào)速系 統(tǒng)的的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩(wěn)的直流電流，低速特性 好；同樣，由于開關(guān)頻率高，快速響應(yīng)特性好，動態(tài)抗干擾能力強(qiáng)，可以獲得很寬的 頻帶；開關(guān)器件只工

3、作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗小，裝置效率高， PWM 具有很高的抗 噪性，且有節(jié)約空間、比較經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。第二章 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)2.1 直流電動機(jī)的 PWM 控制原理脈寬調(diào)制( Pulse Width Modulation )簡稱 PWM 控制技術(shù)，是利用半導(dǎo)體開關(guān) 器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖列，并通過控制脈沖寬度或周期達(dá)到變壓 目的，或者控制電壓脈沖寬度和脈沖列的周期以達(dá)到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。 快速電力電子器件功率晶體管( GTR )、可關(guān)斷晶閘管(GTO )等按 PWM 技術(shù)構(gòu)成的 直流斬波電路如下圖 2-1(a) 所示。圖 (b) 為相應(yīng)輸出波形 圖 2-1 PWM 斬波

4、器原理圖及波形圖（a）原理圖圖（ b）輸出電壓波形圖這種 DC-DC 直流功率變換電路廣泛應(yīng)用于開關(guān)穩(wěn)壓電源、 UPS 以及步進(jìn)電動機(jī)、 直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，與晶閘管電動機(jī)系統(tǒng)相比， PWM 調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn)： （1）由于開關(guān)頻率高， 僅靠電動機(jī)電樞電感的濾波作用就能獲得脈動很小的直流電流， 電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)低速運(yùn)行穩(wěn)定，電機(jī)損耗和發(fā)熱小。（ 2 ）調(diào)速范圍寬，可達(dá) 1:10000 。 （3）系統(tǒng)頻帶寬，因此快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。（ 4 ）主電路器件工作在開關(guān)狀態(tài)， 主電路能耗小， 裝置效率高， 系統(tǒng)的功率因數(shù)較高。 如上圖 2-1 （a）中，假定開關(guān)管 V1 先接通 T

5、1 秒（忽略 V1 的管壓降，電源電壓 U 全部加到電樞上），然后關(guān)斷 T2 秒（這期間電樞端電壓為零） 。如此反復(fù)，則電樞端電 壓波形上圖（ b ）所示。電樞電壓的平均值： 式中：為一個周期中，開關(guān)管 V1 導(dǎo)通時間所占的比率，稱為負(fù)載率或者占空比，使 用下面三種方法中的任何一種，都可以改變值，從而達(dá)到調(diào)壓目的：1 、定寬調(diào)頻法：保持不變，使在 0 范圍內(nèi)變化。2 、調(diào)寬調(diào)頻法：保持不變，使在 0 范圍內(nèi)變化。3 、定頻調(diào)寬法： T1+T2=T 保持不變，使在 0T 范圍內(nèi)變化。不管哪種方法，的變化范圍均為 01 ，因而電樞電壓平均值的調(diào)節(jié)范圍為 0 , 均為正值，即電機(jī)只能在一個方向調(diào)速。

6、當(dāng)需要可逆調(diào)速時就要使用圖2-2 （a）所示橋式（或稱 H 型）斬波電路。圖 2-2 橋式 PWM 斬波器原理圖及波形b ）輸出電壓波形（a）原理圖圖 2-2 中開關(guān)管、是同時導(dǎo)通同時關(guān)斷的， 、也是同時導(dǎo)通同時關(guān)斷，但與、與不 允許同時導(dǎo)通，否則電源直通短路。設(shè)、 先同時導(dǎo)通秒后同時關(guān)斷，間隔一定時間（為 避免電源直通，該間隔稱為死區(qū)時間）之后，再試、同時導(dǎo)通秒后同時關(guān)斷，如此反 復(fù)，則電樞端電壓波形如圖 2-2 （b ）所示電樞電壓平均值為 :圖 2- 3 給出了兩種 PWM （不可逆調(diào)速與可逆調(diào)速）斬波電路電樞端電壓平均值 的特性曲線。 Ud =f（ ）。控制占空比也就控制了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

7、2.2 脈寬調(diào)制變換器PWM 變換器的作用是： 用 PWM 調(diào)制的方法， 把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率 一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn) 速。PWM 變換器電路有多種形式， 主要分為不可逆與可逆兩大類。 可逆 PWM 變換器 主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱 H 形）電路。這時，電動機(jī) M 兩端電壓的 極性隨開關(guān)器件柵極驅(qū)動電壓極性的變化而改變，其控制方式有雙極式、單極式、受 限單極式等多種。由于本設(shè)計采用雙極式控制，這里只著重分析最常用的雙極式控制 的橋式可逆 PWM 變換器。PWM 變換器電路有多種形式， 可分為不可逆和可逆兩大類， 下面分

8、別闡述其工作 原理2.2.1 不可逆 PWM 變換器由功率管 VT 組成的簡單不可逆變換器示于圖 2-4 ，電源電壓由交流電源經(jīng)不控整 流電路供電，加在調(diào)制管與直流電動機(jī)電樞繞組串聯(lián)電路上，電容 C 的作用是消除直 流供電線路上的諧波電流對主電路的干擾。二極管 D 是在關(guān)斷時為電樞回路提供釋放 電感儲能的續(xù)流回路。導(dǎo)通與關(guān)斷由基極脈寬調(diào)制信號控制，調(diào)制信號由脈沖寬度調(diào) 制器產(chǎn)生。PWM 變換器圖 2-4 簡單的不可逆由圖可知，調(diào)制信號在一個周期內(nèi)，當(dāng) 0 tton 時，為正電平，飽和導(dǎo)通，電 源電壓通過加到電動機(jī)電樞繞組兩端。當(dāng) ton t T 時為負(fù)電平， V 截止關(guān)斷，電樞 失去電源電壓，

9、經(jīng) D 續(xù)流。在一個周期內(nèi)電樞得到的平均電壓 Ud Tn/U aU （ 為占空比），改變占空比即可調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖 2-4 （b ）給出了穩(wěn)態(tài)時電樞端電壓以及電樞電流的波形。由圖可見穩(wěn)態(tài)電流是 脈動的，其平均值等于負(fù)載電流。下面對電流連續(xù)情況進(jìn)行分析為簡化起見，假定、二極管 D 均具有理想開關(guān)特性，無慣性，無損耗，即開關(guān)狀 態(tài)的轉(zhuǎn)換在瞬間完成；供電電源為理想恒壓源；在不同工作狀態(tài)下電樞回路電阻 R 及 電感 L 為常數(shù)；開關(guān)周期 T 遠(yuǎn)小于機(jī)電時間常數(shù)并忽略開關(guān)周期內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)速 N 和反電 動勢 E 的變化。當(dāng)電動機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡時，電樞電流重復(fù)出現(xiàn)周期性變化，即準(zhǔn) 穩(wěn)態(tài)。而穩(wěn)

10、態(tài)時的電樞回路電壓平衡方程式： 可知電樞電流平均值為面分析電樞電流的脈動狀態(tài)。圖 2-5 給出了主電路的等效電路，對應(yīng)電壓平衡方程 為:（a）V 導(dǎo)通時 （b ）V 截止時圖 2-5 不可逆 PWM 變換器等效電路其中 R 和 L 分別是電樞回路的總電阻和總電感。電流連續(xù)時，由 （2-1） 式和（2-2 ） 式可求出電流和 , 給出它們的電流波形如圖所示。圖 2-6 電樞電流變化曲線當(dāng)開關(guān)頻率 f 較高，可忽略開關(guān)周期內(nèi) id1的變化， 用平均壓降 id1 代替電樞電阻上的瞬時壓降，式（ 2-1 ）和式（ 2-2 ）可近似為這時都近似成常數(shù)，相當(dāng)于圖中用直線來代替按指數(shù)規(guī)律變化的電流曲線。由式

11、2-3 ）和式（ 2-4 ）可得出：式（2-5 ）表明，電流脈動量是隨占空比值變化的。且電流脈動量的最大值出現(xiàn) 在=1/2 時，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時，系統(tǒng)機(jī)械特性表達(dá)式為：調(diào)節(jié)占空比可得到一族平行線。如下圖圖 2-7 不可逆系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性在簡單的不可逆電路中電流 id 不能反向，因而沒有制動能力，只能單象限運(yùn)行。 需要制動時，必須為反向電流提供通路，如圖 2-8 所示的雙管交替開關(guān)電路。當(dāng) VT1 導(dǎo)通時，流過正向電流 +id ，VT2 導(dǎo)通時，流過 -id 。應(yīng)注意，這個電路還是不可逆 的，只能工作在第一、二象限，因?yàn)槠骄妷翰]有改變極性。圖 2-8 有制動功能的不可逆 PWM 變換器電路原理圖

12、圖 2-8 所示電路的電壓和電流波形有三種不同情況， 無論何種狀態(tài)，功率開關(guān)器件 VT1 和 VT2 的驅(qū)動電壓都是大小相等、極性相反的，即 Ug1 =-Ug2 。在一般電動 狀態(tài)中， id 始終為正值 （其正方向示于圖 2-8 中）。在 0tton 時， Ug1 為正， VT1導(dǎo)通， Ug2 為負(fù)，VT2 關(guān)斷。此時，電源電壓 Us 加到電樞兩端，電流 id 沿圖 2-8 中 的回路 1 流通。在 ton t T 時， Ug1 和 Ug2 都改變極性， VT1 關(guān)斷，但 VT2 卻不 能立即導(dǎo)通，因?yàn)?id 沿回路 2 經(jīng)二極管 VD2 續(xù)流，在 VD2 兩端產(chǎn)生的壓降 （其極性 見圖 2-

13、8） 給 VT2 施加反壓，使它失去導(dǎo)通的可能。因此，實(shí)際上是由 VT1 和 VD2 交替導(dǎo)通，雖然電路中多了一個功率開關(guān)器件 VT2 ，但并沒有被用上。一般電動狀態(tài) 下的電壓和電流波形也就和簡單的不可逆電路波形完全一樣。b ) H 型2.2.2 可逆 PWM 變換器 電機(jī)可逆運(yùn)行時，需要向電機(jī)電樞提供。 可逆變換器按主電路結(jié)構(gòu)不同可分為 T 型和 H 型兩種。如圖所示a）T型圖 2-9 可逆變換器主電路T 型電路需要正負(fù)對稱的雙極性直流電源，功率開關(guān)管要承受兩倍的電源電壓， 在相同的直流電壓下，其輸出電壓的幅值為 H 型電路的一半，效率較低，故實(shí)際應(yīng)用 的大部分是 H 型可逆電路。由于本設(shè)計

14、也采用雙極式控制，這里只著重分析最常用的 雙極式控制的橋式可逆 PWM 變換器。（1）雙極式控制方式： 正向運(yùn)行：第 1 階段，在 0tton 期間，Ug1 、Ug4 為正， VT1 、VT4 導(dǎo)通， Ug2 、Ug3 為負(fù)， VT2 、VT3 截止，電流 id 沿回路 1流通，電動機(jī) M 兩端電壓 UAB =+Us ；第 2 階段，在ton t T期間，Ug1 、Ug4 為負(fù)， VT1 、VT4 截止， VD2 、VD3 續(xù)流， 并鉗位使 VT2 、VT3 保持截止，電流 id 沿回路 2 流通，電動機(jī) M 兩端電壓 UAB =-Us ； 反向運(yùn)行：第 1 階段，在 0tton 期間，Ug1

15、 、Ug4 為負(fù)，VT2 、VT3 截止， VD1 、VD4 續(xù)流，并鉗位使 VT1 、VT4 截止，電流-id 沿回路 4流通，電動機(jī) M 兩端電壓 UAB =+Us ；第 2 階段，在 ton tT 期間， Ug2 、Ug3 為正， VT2 、VT3 導(dǎo)通， Ug1 、Ug4 為 負(fù)，使 VT1 、 VT4 保持截止，電流-id 沿回路 3 流通，電動機(jī) M 兩端電壓 UAB =-Us ；輸出波形：雙極式控制可逆所示。圖 2-10 雙極式控制可逆 PWM 變換器的正向電動運(yùn)行波形圖 2-11 雙極式控制可逆 PWM 變換器的反向電動運(yùn)行波形2)輸出平均電壓：雙極式控制可逆 PWM 變換器的

16、輸出平均電壓為(2.3)式中 = ton/T 為 PWM 波形的占空比，改變 (0 1)即可調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，若令= Ud/Us 為 PWM 電壓系數(shù)，則在雙極式控制的可逆變換器中， = 2 -13 )調(diào)速范圍： 調(diào)速時，的可調(diào)范圍為 0 1， -1 +1 ，當(dāng) 0.5 時，為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)； 當(dāng) 0.5 時，為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)； 當(dāng) = 0.5 時，= 0 ，電機(jī)停止當(dāng)電機(jī)停止時電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電 流也是交變的。這個交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電機(jī)的損耗， 這是雙極式控制的缺點(diǎn)。但它也有好處，在電機(jī)停止時仍有高頻微振電流，從而消除 了正、反向

17、時的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動力潤滑”的作用。（ 4 ）雙極式控制的橋式可逆 PWM 變換器的優(yōu)點(diǎn)：（1）電流一定連續(xù)。（2）可使電機(jī)在四象限運(yùn)行。（3）電機(jī)停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)。（ 4 ）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá) 1:20000 左右。（5）低速時，每個開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通 （5）雙極式工作制機(jī)械特性表達(dá)式：式中、的定義與不可逆電路的相同。電磁轉(zhuǎn)矩Cm = Km N 電機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)； no = Us / Ce 理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比圖 2-12雙極式工作制機(jī)械特性2.3 電能回饋與泵升電壓的限制圖 2-13 所示是橋式可逆

18、直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的原理圖。 PWM 變換器的直流 電源通常由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容 C 濾波，以獲得恒 定的直流電壓 Us 。由于電容容量較大，突加電源時相當(dāng)于短路，勢必產(chǎn)生很大的充電 電流，容易損壞整流二極管。為了限制充電電流，在整流器和濾波電容之間串入限流 電阻 Ro（或電抗 ），合上電源以后，延時用開關(guān)將 Ro 短路，以免在運(yùn)行中造成附加損 耗。濾波電容器往往在 PWM 裝置的體積和重量中占有不小的份額，因此電容器容量的選 擇是 PWM 裝置設(shè)計中的重要問題。濾波電容的計算方法可以在一般電工手冊中查到， 但對于 PWM 變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，

19、還有當(dāng)電機(jī)制動時吸收運(yùn)行系 統(tǒng)動能的作用。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電機(jī)制動時只 好對濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓” 。電力電子器件的耐壓限制著最高泵升電壓 Usm ，因此電容量就不可能很小，一般 幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)所需的電容量達(dá)到數(shù)千微法。在大容量或負(fù)載有較大慣量的系統(tǒng)中， 不可能只靠電容器來限制泵升電壓，這時，可以采用圖 2-13 中的鎮(zhèn)流電阻 Rb 來消耗 掉部分動能， Rb 的分流電路靠開關(guān)器件 VTb 在泵升電壓達(dá)到允許數(shù)值時接通。對于 更大容量的系統(tǒng)，為了提高效率，可以在二極管整流器輸出端并接逆變器，把多余的 能量逆變后回饋電網(wǎng)。圖 2-

20、13 橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的原理圖第三章 基于 SG3525 的 PWM 控制直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路設(shè)計3.1 SG3525 集成電路脈寬調(diào)制器3.1.1SG3525 芯片介紹隨著電能變換技術(shù)的發(fā)展， 功率 MOSFET 在開關(guān)變換器中開始廣泛使用， 為此美 國硅通用半導(dǎo)體公司 (Silicon General) 推出 SG3525 。SG3525 是用于驅(qū)動 N 溝道功 率 MOSFET 。其產(chǎn)品一推出就受到廣泛好評。 SG3525 系列 PWM 控制器分軍品、 工 業(yè)品、民品三個等級。下面我們對 SG3525 特點(diǎn)、引腳功能、工作原理以及典型應(yīng)用 進(jìn)行介紹。SG3525 是電流控制

21、型 PWM 控制器，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(jìn)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(guān)電源的電壓調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率 和瞬態(tài)響應(yīng)特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。3.1.2 SG3525 的引腳功能：圖 3-1 SG3525 引腳（1）Lnv.input（ 引腳 1） ：誤差放大器反向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該引腳接反饋信 號。在開環(huán)系統(tǒng)中，該端與補(bǔ)償信號輸入端 （引腳 9） 相連，可構(gòu)成跟隨器。（2）Noninv.

22、input（ 引腳 2） ：誤差放大器同向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)中， 該端接給定信號。根據(jù)需要，在該端與補(bǔ)償信號輸入端 （引腳 9）之間接入不同類型的反 饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型的調(diào)節(jié)器。（3）Sync（ 引腳 3） ：振蕩器外接同步信號輸入端。該端接外部同步脈沖信號可實(shí)現(xiàn) 與外電路同步。（4）OSC.Output（ 引腳 4） ：振蕩器輸出端。（5）CT（ 引腳 5）：振蕩器定時電容接入端。（6）RT（ 引腳 6） ：振蕩器定時電阻接入端。（7）Discharge（ 引腳 7） ：振蕩器放電端。該端與引腳 5 之間外接一只放電電阻， 構(gòu)成放電回路。（8）Soft St

23、art（ 引腳 8） ：軟啟動電容接入端。該端通常接一只 5 的軟啟動電容。（9）Compensation（ 引腳 9） ：PWM 比較器補(bǔ)償信號輸入端。在該端與引腳 2 之 間接入不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)成比例、比例積分和積分等類型調(diào)節(jié)器。（10）Shutdown（ 引腳 10） ：外部關(guān)斷信號輸入端。該端接高電平時控制器輸出被 禁止。該端可與保護(hù)電路相連，以實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)。（11）OutputA（ 引腳 11） ：輸出端 A。引腳 11 和引腳 14 是兩路互補(bǔ)輸出端。（12）Ground（ 引腳 12） ：信號地。（13）Vc（ 引腳 13） ：輸出級偏置電壓接入端。（14）Output

24、B（ 引腳 14） ：輸出端 B。引腳 14 和引腳 11 是兩路互補(bǔ)輸出端。（15）Vcc（ 引腳 15） ：偏置電源接入端。（16）Vref（ 引腳 16） ：基準(zhǔn)電源輸出端。 該端可輸出一溫度穩(wěn)定性極好的基準(zhǔn)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)，無須外接分壓電阻。 SG3525 還增加了同步功能，可以工作在主從模式，也 可以與外部系統(tǒng)時鐘信號同步， 為設(shè)計提供了極大的靈活性。 在 CT 引腳和 Discharge 引腳之間加入一個電阻就可以實(shí)現(xiàn)對死區(qū)時間的調(diào)節(jié)功能。由于 SG3525

25、 內(nèi)部集成了 軟啟動電路，因此只需要一個外接定時電容。SG3525 的軟啟動接入端 （引腳 8）上通常接一個軟啟動電容。 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 鎖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(dǎo)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(shí)際中，基準(zhǔn)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(dāng)輸出電壓因輸入電壓的升高或負(fù)載的變化而升高

26、時，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間變長，因此輸出晶體管的導(dǎo)通時間將最終 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。圖 3-2 SG3525 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖外接關(guān)斷信號對輸出級和軟啟動電路都起作用。 當(dāng) Shut down( 引腳 10) 上的信號 為高電平時， PWM 鎖存器將立即動作，禁止 SG3525 的輸出，同時，軟啟動電容將 開始放電，直到關(guān)斷信號結(jié)束，才重新進(jìn)入軟啟動過程。注意， Shut down 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。

27、如果輸入電壓過低，在 SG3525 的 輸出被關(guān)斷同時，軟啟動電容將開始放電。此外， SG3525 還具有以下功能，即無論 因?yàn)槭裁丛蛟斐?PWM 脈沖中止，輸出都將被中止， 直到下一個時鐘信號到來， PWM 鎖存器才被復(fù)位。SG3525 采用恒頻脈寬調(diào)制控制方案 , 適合于各種開關(guān)電源 ,斬波器的控制。其內(nèi)部 包含精密基準(zhǔn)源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器等 , 并含有欠壓鎖定電 路 ,閉鎖控制電路和軟起動電路。 采用集成芯片產(chǎn)生 PWM 信號進(jìn)行控制具有線路較為 簡單，易于控制，無需編程等特點(diǎn)，是目前 PWM 常用的方法。美國硅通公司的 SG3525 是性能優(yōu)良， 功能齊全，通

28、用性強(qiáng)的單片集成 PWM 控制器。脈寬調(diào)制信號由 SG3525 產(chǎn)生。如圖 3-2 所示：主要由以下部分組成：(1) 基準(zhǔn)電壓調(diào)整器?；鶞?zhǔn)電壓調(diào)整器輸出電壓為 5.1 V ，且有短路保護(hù)。它供給 所有內(nèi)部電路，同時又可作為外部基準(zhǔn)參考電壓。(2) 振蕩器。 振蕩器的振蕩回路由電阻和電容元件構(gòu)成， 改變充電電容的大小即可 改變鋸齒波的頻率，即振蕩器的振蕩頻率。此電路中， RS 放電電阻較小，所以形成的 鋸齒波波形后沿較陡。(3) 誤差放大器及補(bǔ)償輸入誤差放大器是差動輸入的放大器，本電路在補(bǔ)償端 9 引入幅值可調(diào)的 ACR 的輸出信號。(4) 鎖存器。 鎖存器接收比較器的輸出信號， 它有關(guān)閉電路和

29、振蕩器輸出時間脈沖 復(fù)位。這樣，當(dāng)關(guān)閉電路動作， 即使過流信號立即消失，鎖存器也可維持一個周期的 關(guān)閉控制，直到下一個周期時鐘信號使鎖存器復(fù)位為止。另外，由于 PWM 鎖存器將 比較器來的置位信號鎖存，消除了系統(tǒng)所有的跳動和振蕩信號。只有在下一個時鐘周 期才能重新復(fù)位 .有利于提高可靠性，經(jīng)過鎖存器的輸出為 PWM 。(5) 輸出 11, 12 及 14 端連結(jié)在一起，由 13 端輸出信號，這樣就保證了 13 端的 輸出與鎖存器的輸出一致。振蕩器產(chǎn)生近似的鋸齒波，鋸齒波的頻率由和振蕩器相連接的外接的電阻電容決 定，同時對應(yīng)于鋸齒波的下降沿產(chǎn)生一時鐘脈沖 CP；在時鐘脈沖 CP 的作用下，分相

30、器（ T 觸發(fā)器）的兩輸出端產(chǎn)生兩相位相反的方波信號，其頻率是鋸齒波頻率的一半； 誤差放大器是差動輸入放大器，同相輸入端端 2 接給定電壓，閉環(huán)控制制時反向輸入 端 1 接反饋電壓，端 9 和端 1 之間接入適當(dāng)?shù)姆答伨W(wǎng)絡(luò)構(gòu)成調(diào)節(jié)器可滿足系統(tǒng)動靜特 性的要求；外加于端 9 的信號和誤差放大器的輸出疊加于比較器的一反向輸入端，比 較器的同相輸入端加振蕩器產(chǎn)生的鋸波信號，這樣比較器的輸出端產(chǎn)生 PWM 信號， 改變外加于端 9 的信號或來自于端 2的反饋信號或端 1 的給定信號均可改變 PWM 信 號的占空比；內(nèi)部 PWM 鎖存器可以使關(guān)閉更可靠；兩個輸出級結(jié)構(gòu)是一樣的，門電 路輸出上側(cè)為或非門，

31、下側(cè)為或門，門電路的輸入 A 端，C端和 D 端所加的信號是一 樣的，分別是欠壓鎖定輸出，時鐘脈沖 CP 和來自鎖存器的 PWM 信號，分相器的兩 輸出端分別加到兩輸出級的門電路 B 端，由于分相器輸出兩相位相反的方波。因此芯片兩對外輸出端輸出的是兩波形一樣而相位相差180 的 PWM 信號，而且頻率是比較器產(chǎn)生的 PWM 信號的一半。此外，集成電路 SG3525 還有欠壓鎖定電 路、閉鎖控制電路和軟起動電路。3.2 邏輯延時環(huán)節(jié)主電路功率開關(guān)管的控制所需要信號是對角上兩管控制信號相同，而同一橋臂上 的控制信號相反。這樣主電路需要兩路互為反向的控制信號。 SG3525 的 13 端的輸 出信號

32、作為一路信號，其經(jīng)過一反向器后作為另一路信號即可滿足所需。雖然目前的 工藝水平可以使電力電子半導(dǎo)體開關(guān)器件開關(guān)頻率做得很高，但其導(dǎo)通和關(guān)斷仍會占用一極短的時間，控制信號消失的瞬間并不意味著功率開關(guān)管就真正關(guān)斷。假如一功 率開關(guān)管的控制信號剛消失的同時給同一橋臂另一功率開關(guān)管加控制信號很可能造成 同一橋臂的兩管子同時導(dǎo)通而形成對電源短路。為了避免這種情況發(fā)生，設(shè)置了邏輯延時環(huán)節(jié)。邏輯延時環(huán)節(jié)的二極管使低電平 信號或說負(fù)信號照樣通過 R和 C 延遲高電平信號向后傳送的時間。這樣就可以保證一 功率開關(guān)管可靠關(guān)斷后再給與其同一橋臂上的功率開關(guān)管加高電平信號，避免其同時 導(dǎo)通。電路連接圖見圖 3-3 所

33、示圖 3-3 SG3525 控制及延時電路3.3 隔離及驅(qū)動電路驅(qū)動電路是電力電子主電路與控制電路之間的接口，是電力電子裝置的重要環(huán) 節(jié)，對整個裝置的性能又很大的影響。采用性能良好的驅(qū)動電路，可使電力電子器件 工作在較理想的開關(guān)狀態(tài)，縮短開關(guān)時間，減小開關(guān)損耗，對裝置的運(yùn)行效率、可靠 性和安全性都有重要意義。另外，對電力電子器件或整個裝置的一些保護(hù)措施也往往 就近設(shè)在驅(qū)動電路中，或者通過驅(qū)動電路來實(shí)現(xiàn)，這使得驅(qū)動電路的設(shè)計更為重要。 驅(qū)動電路是將控制電路產(chǎn)生的 PWM 信號加以隔離、放大，形成驅(qū)動主電路中各開關(guān) 器件的驅(qū)動信號。在本脈寬調(diào)速裝置中主電路是強(qiáng)電，控制電路屬弱電，控制電路對 主電路

34、進(jìn)行控制時就需要隔離環(huán)節(jié)， SG3525 產(chǎn)生的 PWM 信號較小，不能直接驅(qū)動 大功率的開關(guān)管，所以要加上驅(qū)動環(huán)節(jié)，在這里將重點(diǎn)介紹下典型全控型器件中的電 壓型驅(qū)動電路 MOSFET 和 IGBT 。1.電力 MOSFET 的驅(qū)動電路電力 MOSFET 和 IGBT 都屬于電壓驅(qū)動型器件， 電力 MOSFET 的柵源極之間和 IGBT 的柵射極之間都有數(shù)千皮法的左右的極間電容， 為快速建立驅(qū)動電壓， 要求驅(qū)動 電路具有較小的輸出電阻，使 MOSFET 開通的柵源極間驅(qū)動電壓一般取 10 15V ， 使 IGBT 開通的驅(qū)動電壓一般 15 20V 。同樣，關(guān)斷時施加一定幅值的負(fù)驅(qū)動電壓 （一

35、般取-5 -15V ）有利于減小關(guān)斷時間和關(guān)斷損耗。在柵極串入一只低值電阻（數(shù)十歐 左右）可以減小寄生振蕩，該電阻阻值應(yīng)隨被驅(qū)動器件電流額定值的增大而減小。在本設(shè)計中，直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)所用的隔離及驅(qū)動電路是電力 MOSFET 的一種驅(qū)圖 3-4 給出的這種電力 MOSFET 的驅(qū)動電路，它也包括電氣隔離和晶體管放大 電路兩部分。當(dāng)無輸入信號時高速放大器 A 輸出負(fù)電平， V3 導(dǎo)通輸出負(fù)驅(qū)動電壓。 當(dāng) 有輸入信號時 A 輸出正電平， V2 導(dǎo)通輸出正驅(qū)動電壓。電力 MOSFET 是用柵極電壓 來控制漏極電流的，因此它的第一個顯著特點(diǎn)是驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小。 其第二個顯著特點(diǎn)是開關(guān)速度

36、快， 工作頻率高。 另外，電力 MOSFET 的熱穩(wěn)定性優(yōu)于 GTR ，但是電力 MOSFET 電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過 10kw 的 電力電子裝置。此外，專為驅(qū)動電力 MOSFET 而設(shè)計的混合集成電路有三菱公司的 M57918L ， 其輸入信號電流幅值為 16mA ，輸出最大脈沖電流為 +2A 和-3A ，輸出驅(qū)動電壓 +15V 和 -10V 。 IGBT 的驅(qū)動多采用專用的混合集成驅(qū)動器，常用的有三菱公司的M579系列（如 M57962L 和 M57959L ）和富士公司的 EXB 系列（如 EXB840 、EXB841 、 EXB850 和 EXB851 ）。同一系列

37、的不同型號其引腳和接線基本相同，只是適用被驅(qū) 動器件的容量和開關(guān)頻率以及輸入電流幅值等參數(shù)有所不同。2. 過流保護(hù)過電流分為過載和短路兩種情況，同時采用幾種過電流保護(hù)措施，可提高可靠性 和合理性。電子電路作為第一保護(hù)措施，快熔僅作為短路時的部分區(qū)段的保護(hù)，直流 快速斷路器整定在電子電路動作之后實(shí)現(xiàn)保護(hù)，過電流繼電器整定在過載時動作。 全保護(hù)：過載、短路均由快熔進(jìn)行保護(hù)，適用于小功率裝置或器件裕度較大的場合。 短路保護(hù)：快熔只在短路電流較大的區(qū)域起保護(hù)作用。對重要的且易發(fā)生短路的晶閘管設(shè)備，或全控型器件，需采用電子電路進(jìn)行過電流保 護(hù)。常在全控型器件的驅(qū)動電路中設(shè)置過電流保護(hù)環(huán)節(jié)，響應(yīng)最快。 3

38、對驅(qū)動電路的要求可歸納如下：（1）IGBT 與 MOSFET 都是電壓驅(qū)動，都具有一個 2.5 5V 的閾值電壓， 有一個容性輸入阻抗 ,因此 IGBT 對柵極電荷非常敏感故驅(qū)動電路必須很可靠，要保證 有一條低阻抗值的放電回路，即驅(qū)動電路與 MOSFET 的連線要盡量短。（2）用內(nèi)阻小的驅(qū)動源對柵極電容充放電，以保證柵極控制電壓，有足夠陡的前 后沿，使 MOSFET 的開關(guān)損耗盡量小。另外 , MOSFET 開通后，柵極驅(qū)動源應(yīng)能提 供足夠的功率，使 MOSFET 不退出飽和而損壞。（3 ）驅(qū)動電路要能傳遞幾十 kHz 的脈沖信號。（ 4 ）在大電感負(fù)載下 , MOSFET 的開關(guān)時間不能太短

39、，以限制出 di/dt 形成的 尖峰電壓，確保 MOSFET 的安全。（ 5 ）由于 MOSFET 在電力電子設(shè)備中多用于高壓場合，故驅(qū)動電路與控制電路 在電位上應(yīng)嚴(yán)格隔離。（ 6 ） MOSFET 的柵極驅(qū)動電路應(yīng)盡可能簡單實(shí)用，最好自身帶有對 MOSFET 的保護(hù)功能，有較強(qiáng)的抗干擾能力。3.4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)設(shè)計3.4.1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成圖 3-5 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)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(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。二者之間實(shí)行嵌套 （或稱串級 ）聯(lián)接，如圖 3-5 所示。把轉(zhuǎn)

40、速調(diào) 節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE 。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)（表示圖 3-5 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器一般都采用 PI 調(diào)節(jié)器，這 樣構(gòu)成的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電路原理圖如圖 3-5 所示，圖中標(biāo)出了兩個調(diào)節(jié)器輸 入輸出電壓的實(shí)際極性， 它們是按照電力電子變換器的控制電壓 Uc 為正電壓的情況標(biāo) 出的，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用。圖中還表示了兩個調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅 作用的，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的輸出限幅電壓 U*im 決定了電流給定電壓的最大值，

41、電流 調(diào)節(jié)器 ACR 的輸出限幅電壓 Ucm 限制了電力電子變換器的最大輸出電壓 Udm 。3.4.2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)框圖和靜特性根據(jù) 3-5 的原理圖，可以很容易的畫出雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如 3-6 所示 （其中 為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)， 為電流反饋系數(shù) ）：圖 3-6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖分析靜特性的關(guān)鍵是掌握這樣的 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，系統(tǒng)靜特性如圖 3-7 所示， 一般存在兩種狀況：飽和輸出達(dá)到限幅值，不飽和輸出未達(dá)到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器 飽和時，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號使調(diào)節(jié)器 退出飽和；換句話說，飽和的調(diào)節(jié)器暫時隔斷了輸入和

42、輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于該調(diào)節(jié) 環(huán)開環(huán)。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時， PI 的作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時總為零。 實(shí)際上，在正常運(yùn)行時，電流調(diào)節(jié)器是不會達(dá)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。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和的靜特性對應(yīng)于圖中的 CA 段，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和的靜特性對應(yīng)于圖中的 AB 段。圖 3-7 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于最大電流時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差，這時， 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到最大電流時，對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和 輸出 U*im ，這時，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差，得到過電流 的自動保護(hù)。這就是采

43、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至負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)靜特性好。3.5 轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器的作用1 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 的作用（ 1 ）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器， 它使轉(zhuǎn)速 n 很快地跟隨給定電壓變化， 穩(wěn)態(tài)時可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用 PI 調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無靜差。2）對負(fù)載變化起抗擾作用（3）其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。2 電流調(diào)節(jié)器 ACR 的作用（1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過程中，它的作用是使電流緊緊跟隨 其給定電壓（即外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸出量）變化。（2）對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾的作用。（3）在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中，保證獲得

44、電機(jī)允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程。（4）當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。這個作用對系統(tǒng)的可靠運(yùn)行來說十分重 要的。3.6 雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的組成如圖 3-8 所示，圖中可逆脈寬調(diào)制變換器主電路系采用 MOSFET 所構(gòu)成的橋式結(jié)構(gòu)，它由四個功率 MOSFET 管和四個續(xù)流二極管組成的雙 極式 PWM 可逆變換器，根據(jù)脈沖占空比的不同，在直流電機(jī)上可得到或的直流 電壓。脈寬調(diào)制器為集成電路 SG3525 ，元件 R4、C4、VD5 、R5、C5、VD6 構(gòu)成 邏輯延時環(huán)節(jié)。 TG 是與直流電動機(jī)連

45、動的測速發(fā)電機(jī)，經(jīng)過速度變換器 FBS 后可獲 得一反映轉(zhuǎn)速變化的速度反饋信號，此信號接入速度調(diào)節(jié)器 ASR 的反饋輸入端， G 為 電壓給定器。 回路中的電阻 R2 有兩個作用，第一，可以用來觀察波形， 其上的電壓波形反映了主回路的電流波形； 第二，起過流保護(hù)的作用。 當(dāng) R2 的電壓超 過整定值后，過流保護(hù)電路動作，關(guān)閉脈沖，從而保護(hù)功率 MOSFET 管，電阻 R2 其 實(shí)就是整個直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)中的截流保護(hù)環(huán)節(jié)。二極管整流橋把輸入的交流電變?yōu)橹绷麟?，正常情況下，交流輸入為 220V ，經(jīng) 過整流變?yōu)?300V 直流電，電阻 R1 為起動限流電阻，在 VT1 和 VT4 的源極回路中，

46、串接兩個取樣電阻，其上的電壓分別反映電流大小的電壓，可作為雙閉環(huán)系統(tǒng)的電流 反饋信號，接到電流調(diào)節(jié)器 ACR 的輸入端。如圖 3-8 所示，振蕩器的振蕩回路由 C2 、C3、R3 構(gòu)成，Rd 作為放電電阻、改 變充電電容的大小即可改變鋸齒波的頻率，即振蕩器的振蕩頻率。鋸齒波信號由振蕩 電路產(chǎn)生，作為載波信號 Ut ，調(diào)制信號由可調(diào)電位器 RP 上的電壓信號 Ur 和外加的 給定信號 Ug 疊加而成， RP 上的電壓信號用于確定脈寬調(diào)制波的初始占空比， Ug 可 正可負(fù)，用于控制逆變器輸出電壓的大小和極性，在開環(huán)系統(tǒng)中，電壓給定器 G 的輸 出電壓直接加在 Ug 上， Ug 也可以由模擬或數(shù)字調(diào)

47、節(jié)器的輸出來控制，構(gòu)成閉環(huán)自動 控制系統(tǒng)。本電路是由模擬的轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)器來控制的，電壓給定器 G 的輸出接在 ASR 的輸入端， Ug 由 ACR 的輸出控制。在可逆變換器中，跨接在電源 Us 兩端的上、下兩個功率場效應(yīng)管經(jīng)常交替工作， 由于功率場效應(yīng)管的關(guān)斷要有一定的時間。在這段時間內(nèi)功率場效應(yīng)管并未完全關(guān)斷， 如果在此期間另一個功率場效應(yīng)管已經(jīng)導(dǎo)通，則將造成上下兩管直通，從而使電源正 負(fù)極短路。為了避免發(fā)生這種情況，設(shè)置了由 R、C 元件構(gòu)成的邏輯延時環(huán)節(jié)。保證 在對一個管子發(fā)生關(guān)閉脈沖后，延時 5s左右的時間后再發(fā)出對另一個管子的開通脈 沖。 Ua 為 SG3525 的 13 腳輸出占

48、空比可調(diào)得脈沖波形 （占空比調(diào)節(jié)范圍不小于 0.1-0.9） ，經(jīng)多 RC 移相后，輸出兩組互為到相、死區(qū)時間為 5s左右的脈沖，經(jīng)過 光耦隔離后， 分別驅(qū)動四只 MOSFET 管，其中 VT1 、VT4 驅(qū)動信號相同， VT2 、VT3 驅(qū)動信號相同。 在電路中，由電流調(diào)節(jié)器和電流測量環(huán)節(jié)構(gòu)成電流內(nèi)環(huán)，由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速測量環(huán) 節(jié)構(gòu)成轉(zhuǎn)速外環(huán)。兩個調(diào)節(jié)器都是比例、積分調(diào)節(jié)器，因此，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無靜差調(diào) 節(jié)。電動機(jī)的轉(zhuǎn)速能自動維持在給定的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。電流環(huán)的接入可使閉環(huán)系統(tǒng)突加 給定起動，此外，電流環(huán)還有抑制由電網(wǎng)電壓的波動而產(chǎn)生的干擾的作用。要實(shí)現(xiàn)可 逆運(yùn)行，只需要改變給定電壓的極性即可，不

49、會產(chǎn)生短路現(xiàn)象。由于直流電機(jī)負(fù)載的變化會影響到電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動，當(dāng)負(fù)載增加時，電機(jī)轉(zhuǎn)速會 瞬間減小，通過速度變換器 FBS 、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ASR 和電流調(diào)節(jié)器 ACR 的作用， ASR 輸出送至 SG3525 的信號會使得 SG3525 的引腳輸出的 PWM 波形的占空比增大， 從 而加在直流電機(jī)電樞兩端的電壓會相應(yīng)增大，因此電機(jī)轉(zhuǎn)速回升。反之，當(dāng)負(fù)載減輕 時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升， SG3525 的 13 腳輸出 PWM 波形的占空比會減少，電機(jī)轉(zhuǎn)速 下降。因而直流電機(jī)轉(zhuǎn)速隨負(fù)載波動而恒為穩(wěn)定狀態(tài)。從而實(shí)現(xiàn)了直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn) 定。因此可以得出結(jié)論的是，雙閉環(huán)可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)起動過程的電流和轉(zhuǎn)速波

50、 形接近理想快速起動過程的波形 ;具有很硬的靜特性和機(jī)械特性 ; 能夠快速實(shí)現(xiàn)直流電 機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制第四章 實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成 GM圖 4-1 雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)雙閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)簡易原理框圖如圖 4-1 ，圖中可逆 PWM 變換器主電路系采用 MOSFET 所構(gòu)成的橋式結(jié)構(gòu)形式， UPW 為脈寬調(diào)制器， DLD 為邏輯延時環(huán)節(jié)， GD 為 MOS 管的柵極驅(qū)動電路， FA 為瞬時動作的過流保護(hù)。 二系統(tǒng)工作原理速度給定信號 G，速度調(diào)節(jié)器 ASR ，電流調(diào)節(jié)器 ACR ，控制 PWM 信號產(chǎn)生裝置 UPM 脈寬調(diào)制器， DLD 單元把一組 PWM 波形分成兩組相差 180 的 PWM 波，

51、用 于控制倆組臂。 G 用以輸出 0 15V 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，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(jī) M 供電。這樣通過改變給定電壓就可以對電動機(jī)調(diào)速了DLD 邏輯延時單元，對 PWM 控制信號進(jìn)行延時和整形當(dāng)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。 D

52、ZS 為零速封鎖器其輸出控制 ASR 和 ACR ，當(dāng) 調(diào)速系統(tǒng)給定電壓為零時確保電動機(jī)轉(zhuǎn)速為零，避免運(yùn)算放大器因零點(diǎn)漂移造成電動 機(jī)不能停車。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別 調(diào)節(jié)電流和轉(zhuǎn)速，二者之間施行串級連接，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)做電流調(diào)節(jié)器的輸 入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制 PWM 變換器的觸發(fā)裝置。 三實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器 （見圖 4-2）1 MCL 系列教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺主控制屏。2MCL 31 組件（適合 MCL ）。3MCL 10 組件或 MCL 10A 組件。4 電機(jī)導(dǎo)軌及測速發(fā)電機(jī) TG 、直流電動機(jī) M01 。5 直流發(fā)電機(jī) M03 。6 雙蹤示

53、波器圖 4-2 雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)四實(shí)驗(yàn)步驟1 SG3525 性能測試（1）用示波器觀察“ 1”端（即 SG3525 的 5 腳）的電壓波形，波形 （1V ， 20 s） 如 圖 4-3 為：（2）用示波器觀察“ 2”端（即 SG3525 的 13 腳）的電壓波形 （5V ， 20 s） ，波 形如圖 4-4 為：圖 4-4 13 腳的波形（3）用導(dǎo)線將“ G ”的“ 1 ”和“ UPW ”的“ 3”相連，分別調(diào)節(jié)正負(fù)給定，記錄2”端輸出的最大占空比 （占空比=50% ，5V ， 20 s） 的波形如圖4-5 為：圖 4-5 最大占空比時的波形最小占空比 （占空比=13% ，5V，20s）

54、 的波形如圖4-6 為：圖 4-6 最小占空比時的波形2控制電路的測試（1）邏輯延時時間的測試 在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上， 分別將正、負(fù)給定均調(diào)到零，用示波器觀察“DLD ” 的“1” 和“ 2 ”端的輸出波形 （20mv ，10s） ，并記錄延時時間： td= 3.8 s（2）同一橋臂上下管子驅(qū)動信號列區(qū)時間測試 分別將“隔離驅(qū)動”的 G 和主回路的 G 相連，用雙蹤示波器 （50mv ，20s） ，分 別測量 VVT1.GS 和VVT2.GS 以及 VVT3.GS 和 VVT4.GS 的死區(qū)時間：tdVT1.VT2= 1.6 stdVT3.VT4= 3.6 s（注意：由于在學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室中， 只有

55、 MEL-03 的三相可調(diào)電阻掛箱， 而沒有 MEL-13 的測功機(jī)掛箱，所以在下列幾項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中提到的額定負(fù)載都是由 MEL-03 掛箱的可調(diào)電 阻串聯(lián)直流發(fā)電機(jī) M03 來得到的 ）3開環(huán)系統(tǒng)調(diào)試按圖 4-2 接線（1）電流反饋系數(shù)的調(diào)試 a將正、負(fù)給定均調(diào)到零，合上主控制屏電源開關(guān)，接通直流電機(jī)勵磁電源。 b 調(diào)節(jié)正給定，電機(jī)開始起動直至達(dá) 1800r/min 。 c給電動機(jī)拖加負(fù)載，即逐漸減小發(fā)電機(jī)負(fù)載電阻，直至電動機(jī)的電樞電流為 1A 。 d調(diào)節(jié)“ FBA ”的電流反饋電位器，用萬用表測量“ 9”端電壓達(dá) 2V 左右。（2）速度反饋系數(shù)的調(diào)試 在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再次調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的 14

56、00r/min ，調(diào)節(jié) MCL-31 （或 MCL-III 型主控制屏）的“ FBS ”電位器，使速度反饋電壓為 5V 左右。（3）系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性測定 參照速度反饋系數(shù)調(diào)試的方法，使電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá) 1800r/min ，S4 開關(guān)撥向“正給定” ， 改變可調(diào)電阻加載旋鈕 （或直流發(fā)電機(jī)負(fù)載電阻 Rd ），在空載至額定負(fù)載范圍內(nèi)測取 6 個點(diǎn)，記錄相應(yīng)的轉(zhuǎn)速 n 和直流發(fā)電機(jī)電流 id ，特性曲線見圖 4-7 。表 4-1 開環(huán)正給定高速的數(shù)據(jù)記錄n=1800r/minn(r/m180017501700165016001550in)id(A)0.60.7811.181.41.6圖 4-7 開環(huán)正給定高速的特性曲線調(diào)節(jié) RP3 ，使 n=1000 r/min 和 n=500r/min ，作同樣的記錄，可得到電機(jī)在