雙閉環(huán)不可逆PWM直流調(diào)速系統(tǒng)

1、運動控制系統(tǒng)課程設計題目：雙閉環(huán)不可逆PWM直流調(diào)速系統(tǒng) 院 系：工學院電氣與電子工程系專 業(yè)：自動化 班 級：自動化1202 姓 名：王學松 學 號：201202022007 指導教師：王選誠 二一五年七月運動控制系統(tǒng)課程設計任務書一、基本情況 學時：1周 學分：1學分 適應班級：自動化1201-1202二、進度安排本設計共安排1周，合計30學時，具體分配如下：實習動員及準備工作： 2學時總體方案設計： 4學時硬件設計： 12學時撰寫設計報告： 8 學時答辯： 4學時教師輔導： 隨時三、基本要求1、課程設計的基本要求運動控制系統(tǒng)課程設計的主要內(nèi)容包括：理論設計與撰寫設計報告等。其中理論設計又

2、包括總體方案選擇，硬件系統(tǒng)設計、硬件設計包括單元電路，選擇元器件及計算參數(shù)等；課程設計的最后要求是寫出設計總結(jié)報告，把設計內(nèi)容進行全面的總結(jié)，若有實踐條件，把實踐內(nèi)容上升到理論高度。2、課程設計的教學要求運動控制系統(tǒng)課程設計課程設計的教學采用相對集中的方式進行，以班為單位全班學生集中到設計室進行。做到實訓教學課堂化，嚴格考勤制度，在實訓期間累計曠課達到2節(jié)以上，或者遲到、早退累計達到4次以上的學生，該課程考核按不及格處理。在實訓期間需要外出查找資料，必須在指定的時間內(nèi)方可外出。 課程設計的任務相對分散，每5-6名學生組成一個小組，完成一個課題的設計。小組成員既有分工、又要協(xié)作，同一小組的成員之

3、間可以相互探討、協(xié)商，可以互相借鑒或參考別人的設計方法和經(jīng)驗。但每個學生必須單獨完成設計任務，要有完整的設計資料，獨立撰寫設計報告，設計報告雷同率超過60%的課程設計考核按不及格處理。四、設計題目及控制要求題目：雙閉環(huán)不可逆PWM直流調(diào)速系統(tǒng)要求：1穩(wěn)態(tài)無靜差i5%，轉(zhuǎn)速超調(diào)量n20%；2完成系統(tǒng)個環(huán)節(jié)的原理圖設計和參數(shù)計算；3根據(jù)技術要求，對系統(tǒng)進行動態(tài)校正，確定ASR調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)型式及進行參數(shù)計算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標的要求；4調(diào)速系統(tǒng)中設置有過電壓、過電流等保護，并且有制動措施；設計不可逆轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，基本技術數(shù)據(jù)參數(shù)如下：直流電動機：Pn

4、=10kw，Un=220V，In=53.5A，nN=1500r/min，=1.5， Ra=0.37，I=2mH，Tm= 0.063s，GD2=125Nm2，電樞回路總電阻R=0.58。五、設計報設計完成后，必須撰寫課程設計報告。設計報告必須獨立完成，格式符合要求，文字（不含圖形、程序）不少于3000字，圖形繪制規(guī)范。設計報告的格式如下： 1、封面 2、摘要 3、目錄4、正文(1) 所作題目的意義、本人所做的工作及系統(tǒng)的主要功能；(2) 方案選擇及論證；(3) 硬件電路設計及描述（包括硬件的選型及電路圖、輸入輸出接線圖等的設計）；5、心得體會 6、參考文獻 不少于5篇。六、考核方法運動控制系統(tǒng)課

5、程設計的考核方式為考查，考核結(jié)果為優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格五等，分數(shù)在90-100之間為優(yōu)秀，80-89分之間為良好，70-79分之間為中等，60-69分之間為及格，60分以下為不及格。 考核分三個方面進行：平時表現(xiàn)20%；設計過程25%；設計報告 40%；設計答辯15%。有下列情形之一者，課程設計考核按不及格處理： 1、設計期間累計遲到、早退達4次；2、設計期間累計曠課達2節(jié)； 3、設計報告雷同率超過60%或無設計報告；4、不能完成設計任務，達不到設計要求。 煙臺南山學院課程設計 第I頁摘 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址种匾淖饔谩Ｖ绷麟姍C是最常見的一

6、種電機，在各領域中得到廣泛的應用。研究直流電機的控制和測量方法，對提高控制精度和響應速度、節(jié)約能源都具有重要的意義。電機調(diào)速問題一直是自動化領域比較重要的問題之一。不同領域?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，并設計出應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發(fā)展歷程，提出了PWM調(diào)速方法的優(yōu)勢，指出了PWM調(diào)速方法的發(fā)展前景，點出以PWM變頻調(diào)速方式應用最為廣泛，本文將對PWM的理論進行詳細論述。在此基礎上，做出SG3525單片機控制的PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的整體設計，然后對各個部分分別進行論證，力圖

7、在每個組成單元上都達到最好的系統(tǒng)性能。關鍵詞：直流調(diào)速 雙閉環(huán) PWM SG3525 直流電機 煙臺南山學院課程設計 目錄第1章 緒論111  直流調(diào)速系統(tǒng)的概述112  研究課題的目的和意義113  設計內(nèi)容和要求21.3.1  設計要求21.3.2  設計內(nèi)容21.3.3  技術參數(shù)3第2章 系統(tǒng)總體方案設計42. 1 設計分析42.1.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖42.1.2 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的原理42.1.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點52.1.4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)72.1.5 PWM變換器介紹9第3章 電路設計143.

8、1  PWM（雙極式）主電路設計143.2 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設計143.2.1 電流調(diào)節(jié)器143.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器153.3 信號產(chǎn)生電路153.4 IGBT基極驅(qū)動電路原理173.5 基于EXB841驅(qū)動電路設計183.6 鋸齒波信號發(fā)生電路19第4章 系統(tǒng)參數(shù)計算204.1 電流調(diào)節(jié)器的設計204.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計21總結(jié)23參考文獻24 煙臺南山學院課程設計 第24頁第1章 緒論11  直流調(diào)速系統(tǒng)的概述  三十多年來，直流電機調(diào)速控制經(jīng)歷了重大的變革。首先實現(xiàn)了整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習用已久的直流發(fā)電機電動機組及水銀整流裝置使直流電

9、氣傳動完成了一次大的躍進。同時，控制電路已經(jīng)實現(xiàn)高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技術的應用，使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標大幅提高，應用范圍不斷擴大。直流調(diào)速技術不斷發(fā)展，走向成熟化、完善化、系列化、標準化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動領域中仍然難以替代。直流調(diào)速是指人為地或自動地改變直流電動機的轉(zhuǎn)速,以滿足工作機械的要求。從機械特性上看,就是通過改變電動機的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動機的機械特性,從而改變電動機機械特性和工作特性機械特性的交點,使電動機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、海洋鉆機、金屬切

10、削機床、造紙機、高層電梯等需要高性能可控電力拖動的領域中得到了廣泛的應用。近年來，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流拖動系統(tǒng)無論在理論上和實踐上都比較成熟，并且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎，所以直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中有著舉足輕重的作用。 12  研究課題的目的和意義  在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動的作用點離被調(diào)量較遠，調(diào)節(jié)作用受到多個環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動的性能要差一些。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善因此，在雙閉環(huán)系統(tǒng)

11、中，由電網(wǎng)電壓波動引起的轉(zhuǎn)速動態(tài)變化會比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。用經(jīng)典的動態(tài)校正方法設計調(diào)節(jié)器須同時解決穩(wěn)、準、快、抗干擾等各方面相互有矛盾的靜、動態(tài)性能要求，需要設計者有扎實的理論基礎和豐富的實踐經(jīng)驗，而初學者則不易掌握，于是有必要建立實用的設計方法。大多數(shù)現(xiàn)代的電力拖動自動控制系統(tǒng)均可由低階系統(tǒng)近似。若事先深入研究低階典型系統(tǒng)的特性并制成圖表，那么將實際系統(tǒng)校正或簡化成典型系統(tǒng)的形式再與圖表對照，設計過程就簡便多了。這樣，就有了建立工程設計方法的可能性。     13  設計內(nèi)容和要求 1.3.1  設計要求

12、0;（1）該調(diào)速系統(tǒng)能進行平滑地速度調(diào)節(jié)，負載電機不可逆運行，具有較寬地轉(zhuǎn)速調(diào)速范圍（D10），系統(tǒng)在工作范圍內(nèi)能穩(wěn)定工作； （2）系統(tǒng)靜特性良好，無靜差（靜差率S2）； （3）動態(tài)性能指標：轉(zhuǎn)速超調(diào)量n8%，電流超調(diào)量i5%，動態(tài)最大轉(zhuǎn)速降n810%；調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程時間（調(diào)節(jié)時間）ts1s； （4）系統(tǒng)在5%負載以上變化的運行范圍內(nèi)電流連續(xù)； （5）調(diào)速系統(tǒng)中設置有過電壓、過電流保護，并且有制動措施；（6）主電路采用三項全控橋；1.3.2  設計內(nèi)容 （1）根據(jù)題目的技術要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構(gòu)形式和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，

13、畫出系統(tǒng)組成的原理框圖。 （2）調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計算（包括有變壓器、電力電子器件、平波電抗器與保護電路等）。 （3）驅(qū)動控制電路的選型設計（模擬觸發(fā)電路、集成觸發(fā)電路、數(shù)字觸發(fā)電路均可）。（4）動態(tài)設計計算：根據(jù)技術要求，對系統(tǒng)進行動態(tài)校正，確定ASR調(diào)節(jié)器與ACR調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)形式及進行參數(shù)計算，使調(diào)速系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標的要求。 （5）繪制雙閉環(huán)直流不可逆調(diào)速系統(tǒng)電器原理圖（要求用計算機繪圖），并用Orcad或Matlab軟件進行拖動控制系統(tǒng)仿真以及硬件仿真。（建立傳遞函數(shù)方框圖），并研究參數(shù)變化時對直流電動機動態(tài)性能的影響。

14、60;1.3.3  技術參數(shù) （1）晶閘管整流裝置：Rrec=0.15，Ks=36； （2）負載電機額定數(shù)據(jù)：Pn=10kW，UN=220V，IN=53.5A，nN=1500r/min，Ra=0.37，=1.5；（3）系統(tǒng)主電路R=0.58，Tm=0.063s；第2章 系統(tǒng)總體方案設計2. 1 設計分析2.1.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器串極聯(lián)結(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制PWM裝置。其中脈寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)

15、制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，達到設計要求。圖2.1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2.1.2 直流雙閉環(huán)系統(tǒng)的原理ASR（速度調(diào)節(jié)器）根據(jù)速度指令Un*和速度反饋Un的偏差進行調(diào)節(jié)，其輸出是電流指令的給定信號Ui*（對于直流電動機來說，控制電樞電流就是控制電磁轉(zhuǎn)矩，相應的可以調(diào)速）。ACR(電流調(diào)節(jié)器)根據(jù)Ui*和電流反饋Ui的偏差進行調(diào)節(jié)，其輸出是UPE（功率變換器件的）的控制信號Uc。進而調(diào)節(jié)UPE的輸出，即電機的電樞電壓，由于轉(zhuǎn)速不能突變，電樞電壓改變后，電樞電流跟著發(fā)生變化，相應的電磁轉(zhuǎn)矩也跟著變化，由Te-TL=Jdn/dt，只要Te

16、與TL不相等轉(zhuǎn)速會相應的變化。整個過程到電樞電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩達到平衡，轉(zhuǎn)速不變后，達到穩(wěn)定。2.1.3 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)點一般來說，我們總希望在最大電流受限制的情況下，盡量發(fā)揮直流電動機的過載能力，使電力拖動控制系統(tǒng)以盡可能大的加速度起動，達到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，電流應快速下降，保證輸出轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩平衡，進入穩(wěn)定運行狀態(tài)1。這種理想的起動過程如圖2.2所示。為實現(xiàn)在約束條件快速起動，關鍵是要有一個使電流保持在最大值的恒流過程。根據(jù)反饋控制規(guī)律，要控制某個量，只要引入這個量的負反饋。因此采用電流負反饋控制過程，起動過程中，電動機轉(zhuǎn)速快速上升，而要保持電流恒定，只需電流負反饋；穩(wěn)定運行過程中，要

17、求轉(zhuǎn)矩保持平衡，需使轉(zhuǎn)速保持恒定，應以轉(zhuǎn)速負反饋為主。采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖2.3所示。0nnt圖2.2理想啟動過程圖2.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速控制系統(tǒng)原理圖圖2.4 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖參考雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)圖和一些電力電子的知識，采用機理分析法可以得到雙閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2.4所示。2.1.4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)tn0(a) IdLnIdmtId0 IdLnIdm（b） (a)帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) (b)理想的快速起動過程圖2.5直流調(diào)速系統(tǒng)的電流、轉(zhuǎn)速啟動特性曲線雙閉環(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，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能時

18、，有必要先探討它的起動過程。雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在突加給定電壓Un*由靜止狀態(tài)起動時，轉(zhuǎn)速和電流的過渡過程如圖2.5所示。由于在起動過程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三個階段，整個過渡過程也就分為三個階段，在圖中表以、和。第階段：0t1是電流上升階段。突加給定電壓Un*后，通過兩個調(diào)節(jié)器的控制作用，使Uct、Udo、Id都上升，當IdIdl后，電動機開始轉(zhuǎn)動。由于電機慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會太快，因而ASR的輸入偏差電壓Un=Un*Un數(shù)值較大并使其輸出達到飽和值U*im，強迫電流Id迅速上升。當Id=Idm時，UiU*im，電流調(diào)節(jié)器ACR的作用使Id不再迅速增加，標志著這一階段的

19、結(jié)束。在這一階段中，ASR由不飽和很快達到飽和，而ACR一般應該不飽和，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。第階段：t1t2是恒流加速階段。這一階段是起動過程的主要階段。在這個階段中，ASR一直是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒流給定U*im作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id恒定（電流可能超調(diào)，也可能不超調(diào)，取決于ACR的參數(shù)），因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增加。又Ud0=RdId+Cn，nUd0Uct，這樣才能保持Id=cont。由于ACR是PI調(diào)節(jié)器，要使它的輸出量按線性增長，其輸入偏差電壓Ui=U*i-Ui必須維持一定的恒值，也就是說，Id應略低于Idm。此外還應指出，為了

20、保證電流環(huán)的這種調(diào)節(jié)作用，在起動過程中電流調(diào)節(jié)器是不能飽和的，同時整流裝置的最大電流Ud0m也須留有余地，即晶閘管裝置也不應飽和，這都是設計中必須注意的。第階段：t2以后是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。此時n=n*，Un=U*n，Un=0，但由于積分作用，U*i=U*im，所以電動機仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速必超調(diào)。當n>n*時，Un<0，使ASR退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓即ACR的給定電壓U*i迅速下降，Id也迅速下降。但由于Id>Idl，在一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)增加。當Id= Idl時，T=TL，n達到最大值（t3時刻）。此后，電動機在負載的阻力下減速，與此相應，電流Id也出現(xiàn)一段小與

21、IdL的過程，直到穩(wěn)定。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR與ACR都不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在外環(huán)，ASR處于主導地位，而ACR的作用則是力圖使Id盡快地跟隨ASR的輸出量U*i，或者說，電流內(nèi)環(huán)是一個電流隨動子系統(tǒng)。綜上所述，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動過程有三個特點：1飽和非線性。在不同情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)。2準時間最優(yōu)控制。階段屬于電流受限制條件下的最短時間控制。采用飽和非線性控制方法實現(xiàn)準時間最優(yōu)控制是一種很有使用價值的控制策略，在各種多環(huán)系統(tǒng)中普遍地得到應用。3轉(zhuǎn)速必超調(diào)。按照PI調(diào)節(jié)器的特性，只有轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR的輸入偏差電壓Un為負值，才能使ASR退飽和。這就是說，采

22、用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速必超調(diào)。2.1.5 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2.6（a）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在電力晶體管VT關斷時為電動機電樞回路提供釋放電儲能的續(xù)流回路。 （a）原理圖 （b）電壓和電流

23、波型圖2.6 簡單的不可逆PWM變換器電路電力晶體管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。在一個開關周期T內(nèi)，當0tton時， Ub為正，VT飽和導通，電源電壓通過VT加到電動機電樞兩端；當tontT時，Ub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Ud= Uston/T=Us式中，=Ud/U5=ton/TPWM電壓的占空比，又稱負載電壓系數(shù)。ton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2.6（b）時電動機電樞的脈沖端電壓ud、平均電壓ud和電樞電流id的波型。由圖可見，電流是id脈動的，其平均值等于負載電流Idl=TL/

24、Cm（TL負載轉(zhuǎn)矩，Cm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)具有開關兩種狀態(tài)，電路電壓平衡方程式也分為兩階段，即在0tton期間U5=Rid+Ldid/dt+E在tontT期間0=Rid+Ldid/dt+E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iD不能反向，因此系統(tǒng)沒有制動作用，只能做單向限運行，這種電路又稱為“受限式”不可逆PWM電路。這

25、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2.7(a)動作用的不可逆PWM變換電路，該電路設置了兩個電力晶體管VT1和VT2，形成兩者交替開關的電路，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Ub=-Ub2。當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id分為兩段變化。在0tton期間，Ub1為正，VT1飽和導通；Ub2為負，VT2截止。此時，電源電壓U5加到電動機電樞兩端，電流id沿圖中的回路1流通。在tontT期間，Ub1和Ub2改變極性，V

26、T1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交替導通，而VT2則始終不導通，其電壓、電流波型如圖2.7（b）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Ub1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Ud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)Ud<E的情況。這時電力晶體管VT2能在電動機制動中起作用。在tontT期間，VT2在正的Ub2和反電

27、動勢E的作用下飽和導通，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，一部分能量消耗在回路電阻上，一部分轉(zhuǎn)化為磁場能存儲在回路電感中，直到t=T為止。在Ttton（也就是0tton）期間，因Ub2變負，VT2截止，-id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承受反壓而不能導通。在整個制動狀態(tài)中，VT2和VD1輪流導通，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2.7（c）。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2.7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，即在電動機的輕

28、載電動狀態(tài)中，負載電流很小，在VT1關斷后（即tontT期間）沿回路2徑VD2的續(xù)流電流id很快衰減到零，如在圖2.7（d）中的tonT期間的t2時刻。這時VD2兩端的壓降也降為零，而此時由于Ub2為正，使VT2得以導通，反電動勢E經(jīng)VT2沿回路3流過反向電流-id，產(chǎn)生局部時間的能耗制動作用。到了0tton期間，VT2關斷，-id又沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，到t=t4時-id衰減到零，VT1在Ub1作用下因不存在而反壓而導通，電樞電流再次改變方向為-id沿回路經(jīng)VT1流通。在一個開關周期內(nèi)，VT1、VD1、VT2、VD1四個電力電子開關器件輪流導通，其電流波形示圖2.7（d）。 綜上所述，具有制

29、動作用的不可逆PWM變換器構(gòu)成的調(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?？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2.8所示，圖中2.8（a）PWM變換器電路，（b）為H型PWM變換器電路。 圖2.8可逆PWM變換器電路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)時便于引出反饋，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

30、的一半。H型電路是實際上廣泛應用的可逆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。第3章 電路設計3.1  PWM（雙極式）主電路設計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。PWM逆變器的直流電源由交流電網(wǎng)經(jīng)不控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容C0濾波，以獲得恒定的直流電壓Us。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電動機制動時只好對濾波電容充電，這時電容器兩端電壓升高稱作“泵升電壓”。為了限制泵升電壓，

31、用鎮(zhèn)流電阻Rz消耗掉這些能量，在泵升電壓達到允許值時接通VTz。3.2 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設計為了實現(xiàn)閉環(huán)控制，必須對被控量進行采樣，然后與給定值比較，決定調(diào)節(jié)器的輸出，反饋的關鍵是對被控量進行采樣與測量。3.2.1 電流調(diào)節(jié)器由于電流檢測中常常含有交流分量，為使其不影響調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。此濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)表示，由初始條件知濾波時間常數(shù)Toi=0.002s，以濾平電流檢測信號為準。為了平衡反饋信號的延遲，在給定通道上加入同樣的給定濾波環(huán)節(jié)，使二者在時間上配合恰當。圖3.1 給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器3.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速反饋電路如圖3.2所示，由測速發(fā)電機

32、得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，由初始條件知濾波時間常數(shù)Ton=0.01s。根據(jù)和電流環(huán)一樣的原理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入相同時間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。圖3.2 含給定濾波與反饋濾波的PI型電轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器3.3 信號產(chǎn)生電路本設計采用集成脈寬調(diào)制器SG3524作為脈沖信號發(fā)生的核心元件。根據(jù)主電路中IGBT的開關頻率，選擇適當?shù)腞t、Ct值即可確定振蕩頻率。電路中的PWM信號由集成芯片SG3524產(chǎn)生，SG3524采用是定頻PWM電路,DIP-16型封裝。由SG3524構(gòu)成的基本電路如圖3.3所示，由15腳輸入+15V電壓，用于產(chǎn)生+5V基準電壓。在6、7引腳之間接入外部阻容元件構(gòu)

33、成PI調(diào)節(jié)器，可提高穩(wěn)態(tài)精度。12、13引腳通過電阻與+15V電壓源相連，供內(nèi)部晶體管工作，由電流調(diào)節(jié)器輸出的控制電壓作為2引腳輸入，通過其電壓大小調(diào)節(jié)12、13引腳的輸出脈沖寬度，實現(xiàn)脈寬調(diào)制變換器的功能實現(xiàn)。圖3.3 SG3524管腳圖圖3.4 SG3524引腳接線圖圖3.5 SG3524內(nèi)部框圖主要參數(shù)：輸入電壓Uimax：40V 輸出電流：500mA 好散功率：1W3.4 IGBT基極驅(qū)動電路原理工作原理如圖3.6所示圖3.6 EXB841內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖EXB841 系列驅(qū)動器的各引腳功能如下：腳1 ：連接用于反向偏置電源的濾波電容器；腳2 ：電源(+20V)；腳3 ：驅(qū)動輸出；腳4 ：用

34、于連接外部電容器，以防止過流保護電路誤動作；腳5 ：過流保護輸出；腳6 ：集電極電壓監(jiān)視；腳7 、8 ：不接；腳9 ：電源；腳10 、11 ：不接；腳14 、15 ：驅(qū)動信號輸入（-，）；3.5 基于EXB841驅(qū)動電路設計驅(qū)動電路中V5起保護作用，避免EXB841的6腳承受過電壓，通過VD1檢測是否過電流，接VZ3的目的是為了改變EXB模塊過流保護起控點，以降低過高的保護閥值從而解決過流保護閥值太高的問題。R1和C1及VZ4接在+20V電源上保證穩(wěn)定的電壓。VZ1和VZ2避免柵極和射極出現(xiàn)過電壓，Rge是防止IGBT誤導通。針對EXB841存在保護盲區(qū)的問題，可如圖3.7所示將EXB841的

35、6腳的超快速恢復二極管VDI換為導通壓降大一點的超快速恢復二極管或反向串聯(lián)一個穩(wěn)壓二極管，也可采取對每個脈沖限制最小脈寬使其大于盲區(qū)時間，避免IGBT過窄脈寬下的低輸出大功耗狀態(tài)。針對EXB841軟關斷保護不可靠的問題，可以在EXB841的5腳和4腳間接一個可變電阻，4腳和地之間接一個電容，都是用來調(diào)節(jié)關斷時間，保證軟關斷的可靠性。針對負偏壓不足的問題，可以考慮提高負偏壓。一般采用的負偏壓是-5V，可以采用-8V的負偏壓(當然負偏壓的選擇受到IGBT柵射極之間反向最大耐壓的限制)，輸人信號被接到15腳，EXB841正常工作驅(qū)動IGBT.圖3.7 EXB841驅(qū)動IGBT設計圖主要參數(shù)：電源電壓

36、：20V 最大輸出功率：47mA 最高工作頻率：10kHz3.6 鋸齒波信號發(fā)生電路鋸齒波信號發(fā)生器SG的輸出信號Us與控制信號U*c在PWM轉(zhuǎn)換器（SG3524）中進行比較，PWM輸出幅度恒定、寬度變化的方波脈沖序列，即PWM波。SG電路可有UJT或者PUT構(gòu)成。UJT鋸齒波信號發(fā)生器基本電路如圖3.8所示 圖3.8 鋸齒波信號發(fā)生電路第4章 系統(tǒng)參數(shù)計算4.1 電流調(diào)節(jié)器的設計 (1)確定時間常數(shù) 1) 整流裝置滯后時間常數(shù)：三相橋式電路的平均時空時間Ts=0.0017S 2)電流濾波時間常數(shù):三相橋式電路每個波頭的時間是3.3ms,為了基本濾平波頭，應有(1-2)Toi=3.33ms,因

37、此取Toi=2ms=0.002s。 3)電流環(huán)小時間常數(shù)之和Ti=Ts+Toi=0.0037s。 4)電動勢系數(shù)Ce=(Udo-Id*Ra)/n=0.04，轉(zhuǎn)矩系數(shù)Cm=30Ce/3.14=0.38。 5）電機時間常數(shù)Tm=0.014Ra/375CeCm=0.084s。(2)選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設計要求：i5%，電磁時間常數(shù)T1=La/Ra=0.0178s?？砂吹湫托驮O計電流調(diào)節(jié)器。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WACR(s)=Ki(tis+1)/tis式中 Ki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)。檢查對電源電壓的抗擾性能：Tl/Ti=0

38、.0178/0.0037s=4，對于型系統(tǒng)動態(tài)抗擾性能，各項指標都可以接受。(3)選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)電流調(diào)節(jié)器超前時間常數(shù)：ti=T1=0.0178。電流環(huán)開環(huán)時間增益:要求i5%時應取KITi=0.5，因此KI=0.5/Ti=0.5/0.0037=135.1S-1。電流反饋系數(shù):=U*im/IROM=10/(1.5×2.9)=2.3V/A； =U*nm/nnom=10/2400=0.004V/(r/min) 。PWM裝置放大系數(shù)：Ks=4.8。ACR的比例系數(shù)為:Ki=KItiR/Ks=135.1×0.0178×3.4/(2.3×4.8)=0.74(

39、4)校驗近似條件電流環(huán)截止頻率:ci=KI=135.1-1 1)檢驗晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)近似條件：ci1/3Ts，即1/3Ts=1/(3×0.0017)=196.1s-1>ci滿足近似條件；2) 忽略反電動勢變化對電流環(huán)動態(tài)影響的條件：ci31/ TmTl 即31/ TmTl=31/(0.084×0.0178=77.58s-1<ci滿足近似條件；3) 小時間常數(shù)近似處理條件：ci1/31/TsToi即1/31/TsToi=1/31/(0.0017×0.002=180s-1>ci滿足近似條件。4)計算調(diào)節(jié)器電阻和電容 調(diào)節(jié)器輸入電阻為R0=40K

40、，各電阻和電容值計算如下 Ri=KiR0=0.74×40 K=29.6 K， Ci=ti/Ri=0.0178/(29.6×103)×106F=0.6， Coi=4Toi/R0=(4×0.002)/(40×103)×106F=0.2F。 4.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設計(1)確定時間常數(shù)1)電流環(huán)等效時間常數(shù)：2Ti=2×0.0037=0.0074s； 2)轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù):Ton=0.01s；3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理：T n=2Ti+Tom=0.0174s 。(2)選擇轉(zhuǎn)速調(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

41、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：WASR（s）=Kn(ts+1)/tns(3)選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)根據(jù)跟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tn=hTn=5×0.0174s=0.087s； 轉(zhuǎn)速開環(huán)增益：KN=（h+1）/(2h2T2n)=6/(2×25×0.01742)s-2=396.4s-2 ；ASR的比例系數(shù)：Kn=(h+1)CeTm/(2hRTN)=(6×2.3×0.04×0.084)/(2×5×3.4×0.0174)=19.6。(4)近似校驗轉(zhuǎn)速截止頻率為：cn=KN/1=KNtn=396.4&