升降壓斬波電路在直流可逆電動機的運用_[文檔在線提供]

1、 電氣與信息工學(xué)院 電力電子課程設(shè)計 電力電子技術(shù)課程設(shè)計說明書 升降壓斬波在直流可逆電動機調(diào)速中的運用院 、 部： 電氣與信息工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 郭 盈 才 指導(dǎo)教師： 王 翠 專 業(yè)： 自動化 班 級： 自本1001 完成時間： 2012年5月1日 摘 要 直流斬波電路（DC Chopper）的功能是將直流電變成為另一種固定的或可調(diào)的直流電，也稱為直流直流變換器，直流斬波電路一般是將直流變成只留意的情況不包括直流交流直流的情況：直流斬波電路的種類很多，包括6種基本斬波電路：降壓斬波電路，升壓斬波電路，升降壓斬波電路，cuk斬波電路，sepic斬波電路，zeta斬波電路，前兩種是最基本的電

2、路， 直流斬波電路廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)中，按技術(shù)分類有：嵌入式/ARM技術(shù)、單片機、DSP/EDA/PLD、系統(tǒng)管理器件、模擬技術(shù)、專用芯片技術(shù)、電源技術(shù)、傳感技術(shù)、顯示/光技術(shù)、開關(guān)技術(shù)、通信與網(wǎng)絡(luò)、PCB技術(shù)、接口/總線/驅(qū)動、集成電路等。本文主要講的是升降壓斬波電路在直流可逆電動機的運用。文章先分析了降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路的工作原理，介紹了集成芯片SG3525的應(yīng)用特點，并對由SG3525控制，通過升降壓斬波電路來實現(xiàn)的直流脈寬調(diào)速電行了分析和實驗。 本文介紹了通過斬波電路來實現(xiàn)的直流脈寬調(diào)速電路，此斬波電路有基本的降壓型變換器和升壓行變換器相組合選用全控型器件調(diào)速MOSF

3、ET，當此變換器對直流電動機供電時，只要對MOSFET進行實時的PWM控制，就可以實現(xiàn)點擊的四象限運行，此斬波電路中IGBT的驅(qū)動信號由集成脈寬調(diào)速控制器SG3525產(chǎn)生，由于它簡單可靠急使用方法靈活，大大簡化脈寬調(diào)制器的手機及調(diào)試。關(guān)鍵詞：升/降/升降壓斬波電路 SG3525 直流脈寬調(diào)速 直流電動機 PWM控制1 電路組成及系統(tǒng)分析直流脈寬調(diào)速電路原理如圖1所示，其中直流斬波電路可看成降壓型變換器和升壓型變換器的串聯(lián)組合，采用IGBT作為自關(guān)斷器件，利用集成脈寬調(diào)制控制器SG3525產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號作為驅(qū)動信號，由兩個IGBT及其反并聯(lián)的續(xù)流二極管組成。 圖1.1 電路原理圖 2 主電路

4、工作原理三相127 V交流電經(jīng)橋式整流電路，濾波電路變成直流電壓加在P、N兩點間，直流斬波電路上端接P點，下端接N點，中點公共端(COM)(如圖1所示)。若使COM端與電機電樞繞組A端相接，B端接N，可使電機正轉(zhuǎn)。若T2截止，T1周期性地通斷，在T1導(dǎo)通的T。 時間內(nèi)，形成電流回路PT1一AB-N，此時UAB>0， AB>0；在T1截止時由于電感電流不能突變，電流 AB經(jīng)D2續(xù)流形成回路為A-B-D2-A，仍有UAB>0，IAB>0，電機工作在正轉(zhuǎn)電動狀態(tài)(第一象限)，T1，D2構(gòu)成一個Buck變換器。若T1截止，T2周期性地通斷，在T2導(dǎo)通的T。 時間內(nèi)，形成電流回路

5、AT2一B_A；在T2截止時，由于電感電流不能突變，電流 AB經(jīng)D1續(xù)流形成回路為AD1一PN A，此時UAB>()，lABd0，電機工作在正轉(zhuǎn)制動狀態(tài)(第二象限)，T2，D1構(gòu)成一個Boost變換器。只要改變T1，T2導(dǎo)通時間的大小，即改變給T1，T2所加門極驅(qū)動信號脈沖的寬度，即可改變UAB和IAB的大小調(diào)控直流電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。若使COM 端與電機電樞繞組A端相接，B端接N，可使電機工作在正轉(zhuǎn)電動或制動狀態(tài)(I，象限)，若使COM端與B相接而A端接N，可使電機工作在反轉(zhuǎn)電動或制動狀態(tài)(II，IV象限)。正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)狀態(tài)電機電樞繞組的連接通過狀態(tài)開關(guān)進行切換。這樣僅用兩個開關(guān)器件就可

6、實現(xiàn)電機的四象限運行。電機的轉(zhuǎn)速經(jīng)測速發(fā)電機以及FBS(轉(zhuǎn)速變換器)輸出到ASR(轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器)，作為ASR的輸入并和給定電壓比較，組成系統(tǒng)的外環(huán)，ASR的輸出作為ACR(電流調(diào)節(jié)器)的輸入并和主電路電流反饋信號進行比較作為系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)。由于電流調(diào)節(jié)器的輸出接到SG3525的第2腳，R2為限流電阻，所以要求電流調(diào)節(jié)器再通過一個反號器的輸出電壓的極性必須為正，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定則又要求其輸出電壓信號為正，最后轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定選擇了負極性的可調(diào)電壓，如圖1所示。ASR和ACR均采用PI調(diào)節(jié)器，利用電流負反饋與速度調(diào)節(jié)器輸出限幅環(huán)節(jié)的作用，使系統(tǒng)能夠快速起制動，突加負載動態(tài)速降小，具有

7、較好的加速特性。 2.1 電容濾波的三相不可控整流電路  在電容濾波的三相不可控整流電路中，最常用的是三相橋式結(jié)構(gòu)，一下圖給出了其電路及理想的工作波形。2.2 基本原理  該電路中，當某一對二極管導(dǎo)通時，輸出直流電壓等于交流側(cè)線電壓中最大的一個，該線電壓既向電容供電，也向負載供電。當沒有二極管導(dǎo)通時，由電容向負載放電，ud按指數(shù)規(guī)律下降。  設(shè)二極管在距線電壓過零點角處開始導(dǎo)通，并以二極管VD6和VD1開始導(dǎo)通的時刻為時間零點，則線電壓為      uab= U2sin()&

8、#160; 而相電壓為      ua= U2sin(/6)  在t = 0時，二極管VD6和VD1開始同時導(dǎo)通，直流側(cè)電壓等于uab；下一次同時導(dǎo)通的一對管子是VD1和VD2，直流側(cè)電壓等于uac。這兩段導(dǎo)通過程之間的交替有兩種情況，一種是在VD1和VD2同時導(dǎo)通之前VD6和VD1是關(guān)斷的，交流側(cè)向直流側(cè)的充電電流id是斷續(xù)的，如圖1所示，另一種是VD1一直導(dǎo)通，交替時由VD6導(dǎo)通換相至VD2導(dǎo)通，id恰好連續(xù)。由前面所述“電壓下降速度相等”的原則，可以確定臨界條件。假設(shè)在t2/3的時刻“速度相等”恰好發(fā)生。&#

9、160; 以上討論過程中，忽略了電路中諸如變壓器漏抗、線路電感等的作用。另外，實際應(yīng)用中為了抑制電流沖擊，常在直流側(cè)串入較小的電感，成為感容濾波的電路，如圖4a所示。此時輸出電壓和輸入電流的波形如圖4b所示，由波形可見，ud波形更平直，而電流i2的上升段平緩了許多。這對于電路的工作是有利的。當L與C的取值變化時，電路的工作情況會有很大的不同，這里不再詳細介紹。可得          這就是臨界條件。RC > 和RC 分別是電流id 斷續(xù)和連續(xù)的條件。圖2給出了RC等于和小于 時的電流波形。

10、對一個確定的裝置來講，通常只有R是可變的，它的大小反映了負載的輕重。因此可以說，在輕載時直流側(cè)獲得的充電電流是斷續(xù)的，重載時是連續(xù)的，分界點就是R= （C）。  RC > 時，交流側(cè)電流和電壓波形如圖1所示，其中和的求取可仿照單相電路的方法。和確定之后，即可推導(dǎo)出交流側(cè)線電流 ia 的表達式，在此基礎(chǔ)上可對交流側(cè)電流進行諧波分析。由于推導(dǎo)過程十分繁瑣，這里不再詳述。  以上分析的是理想的情況，未考慮實際電路中存在的交流側(cè)電感以及為抑制沖擊電流而串聯(lián)的電感。當考慮上述電感時，電路的工作情況發(fā)生變化,其電路圖和交流側(cè)電流波形如圖3所示，其中圖3a為電路

11、原理圖，圖3b、c分別為輕載和重載時的交流側(cè)電流波形。將電流波形與不考慮電感時的波形比較可知，有電感時電流波形的前沿平緩了許多，有利于電路的正常工作。隨著負載的加重,電流波形與電阻負載時的交流側(cè)電流波形逐漸接近。2.2.1主要數(shù)量關(guān)系  (1)輸出電壓平均值 空載時，輸出電壓平均值最大，為 。隨著負載加重，輸出電壓平均值減小，至RC = 進入id連續(xù)情況后，輸出電壓波形成為線電壓的包絡(luò)線，其平均值為Ud=2.34U2?？梢?，Ud在2.34U22.45U2之間變化。  與電容濾波的單相橋式不可控整流電路相比，Ud的變化范圍小得多，當負載加重到一定程度后，U

12、d就穩(wěn)定在2.34U2不變了。  (2) 電流平均值 輸出電流平均值IR為：IR=Ud/R   與單相電路情況一樣，電容電流iC平均值為零，因此： Id=IR  在一個電源周期中，id有6個波頭，流過每一個二極管的是其中的兩個波頭，因此二極管電流平均值為Id的1/3，即：IVD=Id/3=IR/3  (3) 二極管承受的電壓 二極管承受的最大反向電壓為線電壓的峰值，為 。23 控制電路控制電路以SG3525為核心構(gòu)成，它采用恒頻脈寬調(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)部包含精密基準源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器

13、、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。SG3525外圍電路接線圖見 圖2。圖2 SG3525外圍電路接線圖LM1413是一種復(fù)合晶體管(達林頓電路)陣列驅(qū)動器，增益和耗散功率大，可靠性高。本電路中用它來放大SG3525第11，14引腳輸出到MOSFET的驅(qū)動信號并防止誤驅(qū)動。 圖2.3.1 SG3525控制電路SG3525的內(nèi)部電路和參數(shù)：LM1413內(nèi)部電路和參數(shù)3 設(shè)計方法 對于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR，本系統(tǒng)是給定為負極性，反饋為正極性。當電機正反轉(zhuǎn)時要求轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器反饋的電壓極性總是為正極性，因此電機正反轉(zhuǎn)時FBS單元的輸出應(yīng)總是正電壓。本系統(tǒng)中的FBS單元有兩個輸出

14、電壓為不同極性的端子，閉環(huán)時FBS單元輸出為正電壓的一端應(yīng)作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的反饋。因此本系統(tǒng)在加上雙環(huán)之前要進行開環(huán)實驗以確定FBS單元的輸出極性哪一個為正，具體實驗步驟如下： (1)把面板上的鈕子開關(guān)撥到開環(huán)，并把ASR單元的給定電壓直接接到PWM單元的輸人端(在面板上用導(dǎo)線短接)，F(xiàn)BS單元的輸人接到測速發(fā)電機的輸出，逐漸加大給定電壓并用萬用表測出FBS兩個輸出端(A)，(B)的極性哪一個為正，并記錄； (2)加上雙環(huán)，把面板上的鈕子開關(guān)撥到閉環(huán)，F(xiàn)BS單元的正極性的輸出端接到ASR 的反饋端，ASR單元的輸出接到ACR單元的給定端，ACR的輸出接到PWM單元的輸人； (3)接通控制電路電源

15、，用示波器分別觀察鋸齒波和PWM信號的波形，記錄波形、頻率和幅值； (4)分別觀察兩個脈沖變壓器二次側(cè)的電壓波形，記錄波形、周期、最大脈寬、幅值； (5)接通主電路電源，觀察IGBT的門極和發(fā)射極間的電壓波形； (6)分別加上“正向”和“反向”給定信號，起動電機，并逐步加上額定負載進行調(diào)速實驗。注意觀察給定電壓，導(dǎo)通比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。 圖3.1.2 MOSFET驅(qū)動電路 此圖給出了電力MOSFET的一種驅(qū)動電路，它包裹電氣隔離和晶體管放大電路兩部分。當無輸入信號時高速放大器A輸出負電平，V1導(dǎo)通輸出負驅(qū)動電壓。當有信號輸入A時輸出正電平，V2導(dǎo)通輸出正驅(qū)動電壓。 圖3.1.2電機正反轉(zhuǎn)控制電路主

16、電路采用可逆PWMM的雙極式H型電路。運用4個C2655晶體管和4個續(xù)流二極管組成的橋式電路，靠晶體管導(dǎo)通和關(guān)閉的占空比D來實現(xiàn)電動機調(diào)速的目的，輸出端的電位極性不同可以使電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。應(yīng)用中應(yīng)盡量提高斬波頻率，減少電流的脈動。3.1 實驗結(jié)果 圖3.1.1，圖3.1.2是本直流脈寬調(diào)速雙閉環(huán)系統(tǒng)突加負載，突減負載時的電流，轉(zhuǎn)速波形圖，可以看出系統(tǒng)突加負載動態(tài)速降低，具有較硬的機械特性和較好的抗干擾性，而且運行穩(wěn)定，通過狀態(tài)開關(guān)的切換可方便地實現(xiàn)可逆運行。 圖3.1.1 突加負載時轉(zhuǎn)速 電流波形圖 圖3.1.2 突減負載時的電流，轉(zhuǎn)速波形圖 結(jié)束語 本文所述的直流脈寬調(diào)速電路通過一種由降壓變

17、換器和升壓變換器組合而成的直流斬波電路加以實現(xiàn)，此直流斬波電路選用全控型器件IGBT，電機正反轉(zhuǎn)時電樞繞組的連接采用狀態(tài)開關(guān)進行切換，這樣只用兩個開關(guān)器件就實現(xiàn)了電機的四象限運行。直流脈寬信號由SG3525產(chǎn)生，調(diào)試非常方便，電路控制也很靈活。實驗證明本調(diào)試系統(tǒng)直流電壓大小調(diào)節(jié)和電機可逆運行的實現(xiàn)非常方便，并具有較硬的靜特性和機械特性。本文介紹了通過斬波電路來實現(xiàn)的直流脈寬調(diào)速電路，此斬波電路有基本的降壓型變換器和升壓行變換器相組合選用全控型器件調(diào)速MOSFET，當此變換器對直流電動機供電時，只要對MOSFET進行實時的PWM控制，就可以實現(xiàn)點擊的四象限運行，此斬波電路中IGBT的驅(qū)動信號由集

18、成脈寬調(diào)速控制器SG3525產(chǎn)生，由于它簡單可靠急使用方法靈活，大大簡化脈寬調(diào)制器的手機及調(diào)試。致謝通過課程設(shè)計的學(xué)習，還是學(xué)到了不少的知識！不僅糾正了課程學(xué)習過程中出現(xiàn)的許多錯誤，還在試驗中驗證了自己的一些猜想。在學(xué)習的過程中有失敗，當然也有困惑，有成功，當然就有喜悅。雖然只是課程設(shè)計，但我拿出了自己的全部精力去對待，能學(xué)到知識固然值得驕傲，能認識到自己的過錯和不足不也是一件幸事嗎！做學(xué)問也是做人，再作學(xué)問的過程中體味做人的道理不也是一種收獲嗎？記得古語中說：“學(xué)，然后知不足”！希望這次學(xué)習只是我學(xué)習單片機的開始，也算是啟蒙吧！我必將更加努力的學(xué)習它完善自己。我想這就是我學(xué)習這門課的最大感受吧！此次課程設(shè)計令我受益匪淺，但遇到的困難也不少。在電路設(shè)計上，讓我深刻體會到自身在專業(yè)知識方面的缺乏，一些專業(yè)素語還是第一次接觸，這時互聯(lián)網(wǎng)就很好的發(fā)揮了作用，搜一搜，很快就可以得到答案。由于對電路設(shè)計缺乏經(jīng)驗，此次設(shè)計需要大量借鑒相關(guān)專業(yè)知