TKPWM型直流電動機(jī)雙極性PWM可逆調(diào)速電路排故裝置

1、TK-PWM 型 直流電動機(jī)雙極性 PWM可逆調(diào)速電路排故裝置、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?分析電流環(huán)與速度環(huán)在直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用2熟悉PWM可逆調(diào)速電路的基本組成及工作原理3掌握PWM可逆調(diào)速電路的整定與調(diào)試4測定直流調(diào)速機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)械特性，完成實(shí)訓(xùn)考核、實(shí)驗(yàn)設(shè)備序號名稱數(shù)量備注1TK-PWMS 直流電動機(jī)雙極性 PWM可逆調(diào)速電路排故裝置12DQ03-1不銹鋼電機(jī)導(dǎo)軌、光碼盤測速系統(tǒng)及數(shù)顯轉(zhuǎn)速表13直流并勵電機(jī)DQ0914制動器15雙蹤示波器1自備6萬用表1自備三、實(shí)驗(yàn)線路及原理1、概述采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，形成脈寬調(diào)制變換器一一直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈 寬調(diào)速系統(tǒng)或直流 PWM調(diào)速系

2、統(tǒng)。脈寬調(diào)制變換器是把脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的一種直流斬波器，脈寬調(diào)制 是利用電力電子開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，將直流電壓變成連續(xù)的直流脈沖序列，并通過控制脈沖的寬度或 周期達(dá)到變壓的目的。與 V-M系統(tǒng)相比，PWM系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：1 ）主電路線路簡單，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(jī)損耗及發(fā)熱都較小。3）低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，調(diào)速范圍寬。4）若是與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。5 ）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，道通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適中時(shí)，開關(guān)損耗也不大。由于有以上優(yōu)點(diǎn)直流 PWM系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛，特別是在中、小容量的高動態(tài)

3、性能中，已完全取代了 V-M系統(tǒng)。為達(dá)到更好的機(jī)械特性要求，一般直流電動機(jī)都是在閉環(huán)控制下運(yùn)行。經(jīng)常采用的閉環(huán)系統(tǒng)有 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流截止負(fù)反饋。2、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)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(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。總體方案簡化圖如圖1所示。圖1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化圖3、橋式可逆PWM變換器的工作原理橋式可逆PWM變換

4、兩端電壓的極性隨開關(guān)器電路如圖2所示。這是電動機(jī) M圖2橋式可逆PWM換器電路雙極式控制可逆PWM變換U gi Ug4器的四個(gè)驅(qū)動電壓波形如圖3所示。OUg2O圖3 PWM變換器的驅(qū)動電壓波形他們的關(guān)系是：Ug! =Ug4二-Ug2二-Ug3。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)0豈t：t°n時(shí)，晶體管VT" > VT4飽 和導(dǎo)通而VT3、VT2截止，這時(shí)UAB =Us。當(dāng)ton乞t : T時(shí)，VT,、VT4截止，但VT3、VT?不能立即導(dǎo)通， 電樞電流id經(jīng)VD2、VD3續(xù)流，這時(shí)Uab =Us。Uab在一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)相間，這是雙極式PWM變換器的特征，其電壓、電流波形如圖3所示。

5、電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正、負(fù)脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，ton T，則Uab的平均值為正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，則反轉(zhuǎn)；如果正負(fù)脈沖相等，2ton =T，平均輸出電壓為零，則電動機(jī)停止。2雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為UdtonT _t°nT如果定義占空比T，電壓系數(shù)二則在雙極式可逆變換器中=2 -111調(diào)速時(shí)，的可調(diào)范圍為01相應(yīng)的丫二-1 1。當(dāng)時(shí)， 為正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)時(shí),221為負(fù)，電動機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)時(shí)，襯=0，電動機(jī)停止。但電動機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，而是正2負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個(gè)交變電流的平均值等于零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，

6、徒 然增大電動機(jī)的損耗這是雙極式控制的缺點(diǎn)。但它也有好處，在電動機(jī)停止時(shí)仍然有高頻微震電流，從而消除了正、反向時(shí)靜摩擦死區(qū)，起著所謂動力潤滑”的作用。雙極式控制的橋式可逆 PWM變換器有以下優(yōu)點(diǎn)：1 ）電流一定連續(xù)。2）可使電動機(jī)在四象限運(yùn)行。3）電動機(jī)停止時(shí)有微震電流，能消除靜摩擦死區(qū)。4）低速平穩(wěn)性好，每個(gè)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。4、PWM調(diào)速系統(tǒng)的靜特性。由于采用了脈寬調(diào)制，電流波形都是連續(xù)的，因而機(jī)械特性關(guān)系式比較簡單，電壓平衡方程如下Usd魯 E ("ton)didUsdF E (tontE按電壓平衡方程求一個(gè)周期內(nèi)的平均值，即可導(dǎo)出機(jī)械特性方程

7、式，電樞兩端在一個(gè)周期內(nèi)的電壓都 是Ud =Us，平均電流用Id表示，平均轉(zhuǎn)速n =E/Ce，而電樞電感壓降L-的平均值在穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)為零。dt于是其平均值方程可以寫成Us 二 Rid E二 Rid Cen則機(jī)械特性方程式Us R n -CeCeId十-和Ce5、電路設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主電路采用雙極性PWM控制方式，其中主電路由四個(gè)IGBT管構(gòu)成H橋，通過控制IGBT的柵極電壓，用以控制IGBT管的通斷。受限單極性的控制方式是這樣進(jìn)行控制的：在圖1中，電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，在VT1的柵極施加脈沖，VT4的柵極施加高電平，VT2、VT3的柵極為低電平；反轉(zhuǎn)時(shí)，VT2柵極施加脈沖，VT3的柵極施加高電平，VT1、

8、VT4的柵極為低電平。四個(gè)快恢復(fù)二極管 VD1VD4用于續(xù)流。速度調(diào)節(jié)器的電流反饋量是由主回路中的電流傳感器取得的。速度反饋量取自轉(zhuǎn)速表輸出的電壓值。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可設(shè)定不同的給定量、速度反饋量及電流反饋量，以完成開環(huán)、速度單閉環(huán)、電流單閉環(huán) 及雙閉環(huán)的調(diào)速實(shí)驗(yàn)。無論是開環(huán)實(shí)驗(yàn)還是閉環(huán)實(shí)驗(yàn)，用萬用表觀測的Un* /Uct電壓為4.7V。由于給定量Ug恒為正，因此速度反饋量必須為負(fù)值，在需用到速度閉環(huán)時(shí)必須檢測測速發(fā)電機(jī)提供 的輸出電壓的極性，在做雙閉環(huán)實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須將正端連接到面板2端，負(fù)值端連接到面板的 1端。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖如圖 4所示：(1)給定給定的原理圖如下圖所示。圖5為電壓給定原理圖圖

9、5電壓給定原理圖電壓給定由兩個(gè)電位器 RP1、RP2及兩個(gè)鈕子開關(guān) S1、S2組成。S1為正、負(fù)極性切換開關(guān)，輸出的 正、負(fù)電壓的大小分別由 RP1、RP2來調(diào)節(jié)，其輸出電壓范圍為 0士 I5V , S2為輸出控制開關(guān)，打到“運(yùn) 行”側(cè)，允許電壓輸出，打到“停止”側(cè)，則輸出恒為零。(2)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)表間常數(shù)Toi = 0.002s，以濾 了平衡反饋信號的延遲， 給定濾波環(huán)節(jié)，使二者在-UiR0/2R0/2丄 Rbal示，由初始條件知濾波時(shí) 平電流檢測信號為準(zhǔn)。為 在給定通道上加入同樣的 時(shí)間

10、上配合恰當(dāng)。丄CoiT1圖6電流調(diào)節(jié)器（3）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 轉(zhuǎn)速反饋電路如圖7所示，由測速發(fā)電機(jī)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Ton =0.012s。根據(jù)和電流環(huán)一樣的道理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入相同時(shí)間常數(shù)始條件知濾波時(shí)間常數(shù) 的給定濾波環(huán)節(jié)。Rn汩一Un* R0/2RO/24JUi*Con-UnR0/2LR0/2RbalICon圖7轉(zhuǎn)速反饋電路（4）信號產(chǎn)生電路PWM生成電路如圖8所示，SG3525生成的PWM信號經(jīng)過一個(gè)非門轉(zhuǎn)為兩路相反的PWM信號，為了確保上下兩橋臂不會直通發(fā)生事故，中間加入電容，進(jìn)行邏輯延時(shí)，后面再加上非門和與門構(gòu)成的電路。本設(shè)計(jì)采用集成脈寬調(diào)制器S

11、G3525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(guān)頻率，選擇適當(dāng)?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 SG3525產(chǎn)生，SG3525可為脈寬調(diào)制式推挽、橋式、單端及串聯(lián)型SMPS （固定頻率開關(guān)電源）提供全部控制電路系統(tǒng)的控制單元。由它構(gòu)成的PWM型開關(guān)電源的工作頻率可達(dá)100kHz，適宜構(gòu)成100-500W中功率推挽輸出式開關(guān)電源。SG3525采用是定頻 PWM電路，DIP-16型封裝。SG3525其各引腳功能如圖 9所示，內(nèi)部框圖如圖10所示。腳8為軟起動端。反相輸入匚116二血碗舫入匚21:A冋歩瑞匚314二|跑E粽詰甜嶠出匚41ZZZI A, BS

12、CCT匚512=1世RT匚&11二1啟電瑞匚711二1閉筋控制歌啟動綁匚84二1樸償圖10 SG3525內(nèi)部框圖直流電源 Vs從腳15接入后分兩路，一路加到或非門；另一路送到基準(zhǔn)電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生穩(wěn)定的元器件作為電源。振蕩器腳5須外接電容 CT,腳6須外接電阻 RT。振蕩器頻率由外接電阻 RT和電容CT決定，振蕩器的輸出分為兩路，一路以時(shí)鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個(gè)或非門；另一路 以鋸齒波形式送至比較器的同相輸入端，比較器的反向輸入端接誤差放大器的輸出，誤差放大器的輸出與 鋸齒波電壓在比較器中進(jìn)行比較，輸出一個(gè)隨誤差放大器輸出電壓高低而改變寬度的方波脈沖，再將此方 波脈沖送到

13、或非門的一個(gè)輸入端?；蚍情T的另兩個(gè)輸入端分別為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和振蕩器鋸齒波。雙穩(wěn)態(tài)觸 發(fā)器的兩個(gè)輸出互補(bǔ)，交替輸出高低電平，將PWM脈沖送至三極管 VT1及VT2的基極，鋸齒波的作用是加入死區(qū)時(shí)間，保證VT1及VT2不同時(shí)導(dǎo)通。最后， VTl及VT2分別輸出相位相差為180°的PWM波。（5 ）驅(qū)動電路IGBT驅(qū)動采用了光耦TLP250。光耦TLP250是一種可直接驅(qū)動小功率MOSFET和IGBT的功率型光耦，其最大驅(qū)動能力達(dá) 1.5A。選用TLP250光耦既保證了功率驅(qū)動電路與PWM脈寬調(diào)制電路的可靠隔離，又具備了直接驅(qū)動 MOSFET的能力，使驅(qū)動電路特別簡單。（6）轉(zhuǎn)速及電流檢測

14、電路轉(zhuǎn)速變換用于有轉(zhuǎn)速反饋的調(diào)速系統(tǒng)中，它將反映轉(zhuǎn)速變化并與轉(zhuǎn)速成正比的電壓信號變換成適用于 控制單元的電壓信號。圖1-12為其原理圖：R1lor IA RP1豐 C1 32 圖1-12速度變換和 RP1使用時(shí)，將DD03-1導(dǎo)軌上的電壓輸出端接至轉(zhuǎn)速變換的輸入端“1 ”和“ 2”。輸入電壓經(jīng)R1分壓，調(diào)節(jié)電位器 RP1可改變轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。通過霍爾傳感器測量電流的電流檢測電路原理如圖13所示。圖13電流檢測電路四、故障與檢修對于使用時(shí)出現(xiàn)的一些故障，應(yīng)對具體現(xiàn)象進(jìn)行具體分析，找出故障原因所在。這里僅選一些有代表 性的故障作分析和說明。(2 )主1接通電源，改變給定電壓但電機(jī)不轉(zhuǎn)。這種故障現(xiàn)象的

15、故障原因較多，（1）給定電路開路,電路輸出開路，（3）場效應(yīng)管損壞，（4）芯片SG3525無信號輸出。2. 接通電源后保險(xiǎn)絲熔斷，故障可能在于引出線接錯，或者是變壓器原邊短路，或者是接觸器短路。PWM占空比沒有調(diào)節(jié)3. 給定電壓已調(diào)到零位時(shí)，電機(jī)仍在轉(zhuǎn)動，可能的原因是偏移電壓調(diào)節(jié)不當(dāng), 到位。五、試運(yùn)行操作注意：除了給定電位器，其余電位器已經(jīng)調(diào)節(jié)在合適位置，請勿隨意調(diào)節(jié)。1、熟悉實(shí)驗(yàn)裝置的基本原理、電路結(jié)構(gòu)和主要元器件，檢查實(shí)驗(yàn)裝置輸入和輸出的電路連接是否正 確，檢查保險(xiǎn)絲是否完好，以及電源開關(guān)是否在“關(guān)”的位置。2、打開控制電路的電源開關(guān)，用示波器觀測PWM輸出點(diǎn)的波形，光耦 TLP250的

16、輸入波形及輸出波形。調(diào)節(jié)偏移電壓電位器，可以改變PWM波的占空比。3、系統(tǒng)單元調(diào)試偏移電壓調(diào)節(jié)：把系統(tǒng)接至開環(huán)，給定為0，調(diào)節(jié)面板上的調(diào)節(jié)偏移電壓的電位器，使電機(jī)處于剛好不轉(zhuǎn)的狀態(tài)。速度調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)：用2號導(dǎo)線將電容 C短接，斷開故障 K1、K2、K5，用萬用表測量速度調(diào)節(jié)器的輸出端（Ui* ）和地之間的電壓，調(diào)節(jié)電位器RP4,使輸出盡可能接近 0V。速度調(diào)節(jié)器正負(fù)限幅值的整定：去掉電容C的短接導(dǎo)線，去掉故障1,輸入端加一負(fù)的給定，用萬用表測量速度調(diào)節(jié)器的輸出端（Ui* ）和地之間電壓，調(diào)節(jié)正的限幅值電位器RP5，使輸出為5左右，加一正給定，調(diào)節(jié)負(fù)限幅電位器RP6，使輸出為-4V。 電流調(diào)節(jié)器

17、負(fù)限幅值的整定同速度調(diào)節(jié)器相同。 電流反饋輸出的整定：本實(shí)驗(yàn)所使用電機(jī)應(yīng)調(diào)節(jié)限流值為0.7A左右。把給定直接接至 PWM發(fā)生器（Un*/Uct）（即開環(huán)實(shí)驗(yàn)），改變負(fù)載，使電機(jī)的電樞電流達(dá)到0.3A，調(diào)節(jié)電流反饋輸出電位器RP7使電壓值等于電流調(diào)節(jié)器的限幅值即可，本實(shí)驗(yàn)設(shè)定電流在0.3A的時(shí)候反饋值為2.7V。 速度反饋輸出的整定：把給定直接接至PWM發(fā)生器，調(diào)節(jié)給定，使轉(zhuǎn)速為1400r/min，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器電位器RP3使輸出3（ Un ）為-4V。4、電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)系統(tǒng)測定：根據(jù)圖4接線，組成電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)。給定電壓為正電壓，轉(zhuǎn)速反饋電壓為負(fù)電壓，直流發(fā)電機(jī)接負(fù)載一一制動器（制動器接入直流

18、穩(wěn)壓電 源，直流穩(wěn)壓電壓調(diào)至最?。⑺俣日{(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器都接成PI調(diào)節(jié)器，接入系統(tǒng)，形成雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。接好線后，先打開控制電源的開關(guān)，后開主電路電源的開關(guān)，接通電機(jī)勵磁電源和電機(jī)電樞電源。逐 漸增大給定電壓 Un*，使電機(jī)啟動升速，使轉(zhuǎn)速達(dá)到1200rpm。機(jī)械特性n=f（ Id）測定：A、先不加載負(fù)載制動器，從零開始增大給定電壓，使電動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到n=1200rpm，再加載負(fù)載（直流穩(wěn)壓電源逐漸增大，即增大負(fù)載）。測出n，Id值，記錄于下表：n(rpm)Id(A)B、降低 Ug，測試 n=800rpm 的 n，Id 值，記錄于下表:n(rpm)Id(A)5、排故實(shí)訓(xùn)，結(jié)合故障說明跟通過故

19、障箱內(nèi)的鈕子開關(guān)設(shè)置故障（開關(guān)上撥，正常狀態(tài)，開關(guān)下?lián)?，故障狀態(tài)） 原理圖，分析故障原因，找出故障所在點(diǎn)。6、把負(fù)載減小至最小，給定減小至零，切斷直流電，斷開勵磁，關(guān)斷電源，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。六、實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)1、實(shí)習(xí)內(nèi)容用通電實(shí)驗(yàn)方法發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象，進(jìn)行故障分析，并在電氣原理圖中用虛線標(biāo)出最小故障范圍。2、電氣故障的設(shè)置原則（1）人為設(shè)置的故障點(diǎn)，必須是考核系統(tǒng)在使用過程中，由于受到振動、受潮、高溫、異物侵入、 電動機(jī)負(fù)載及線路長期過載運(yùn)行、啟動頻繁、安裝質(zhì)量低劣和調(diào)整不當(dāng)?shù)仍蛟斐傻摹白匀弧惫收?。?）切忌設(shè)置改動線路、換線、更換電器元件等由于人為原因造成的非“自然”的故障點(diǎn)。（3）故障點(diǎn)的設(shè)置，應(yīng)做到隱蔽且設(shè)置方便，除簡單控制線路外，兩處故障一般不宜設(shè)置在單獨(dú)支 路或單一回路中。（4）對于設(shè)置一個(gè)以上故障點(diǎn)的線路，其故障現(xiàn)象應(yīng)盡可能不要相互掩蓋。否則學(xué)生在檢修時(shí)，若檢查思路尚清楚，但檢修到定額時(shí)間的2/3還不能查出一個(gè)故障點(diǎn)時(shí)，可作適當(dāng)?shù)奶崾?。?）應(yīng)盡量不設(shè)置容易造成人身或設(shè)備事故的故障點(diǎn)，如有必要時(shí)，教師必須在現(xiàn)場密切注意學(xué)生 的檢修動態(tài)，隨時(shí)作好采取應(yīng)急措施的準(zhǔn)備。（6）設(shè)置的故障點(diǎn)，必須與學(xué)生應(yīng)該具有的修復(fù)能力相適應(yīng)。3、注意事項(xiàng)（1）連接電機(jī)時(shí)，要注意極性。（2）為保證系統(tǒng)在負(fù)反饋狀態(tài)下運(yùn)行，測速發(fā)電機(jī)輸出電壓極性與控制系統(tǒng)的連接必須正確。（3）在Ug下