TKPWM型直流電動機雙極性PWM可逆調速電路排故裝置

1、TK-PWM 型 直流電動機雙極性 PWM可逆調速電路排故裝置、實驗目的1分析電流環(huán)與速度環(huán)在直流調速系統(tǒng)中的作用2熟悉PWM可逆調速電路的基本組成及工作原理3掌握PWM可逆調速電路的整定與調試4測定直流調速機械系統(tǒng)的機械特性，完成實訓考核、實驗設備序號名稱數量備注1TK-PWMS 直流電動機雙極性 PWM可逆調速電路排故裝置12DQ03-1不銹鋼電機導軌、光碼盤測速系統(tǒng)及數顯轉速表13直流并勵電機DQ0914制動器15雙蹤示波器1自備6萬用表1自備三、實驗線路及原理1、概述采用脈沖寬度調制的高頻開關控制方式，形成脈寬調制變換器一一直流電動機調速系統(tǒng)，簡稱直流脈 寬調速系統(tǒng)或直流 PWM調速系

2、統(tǒng)。脈寬調制變換器是把脈沖寬度進行調制的一種直流斬波器，脈寬調制 是利用電力電子開關器件的導通與關斷，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)態(tài)精度高，調速范圍寬。4）若是與快速響應的電機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗干擾能力強。5 ）功率開關器件工作在開關狀態(tài)，道通損耗小，當開關頻率適中時，開關損耗也不大。由于有以上優(yōu)點直流 PWM系統(tǒng)應用日益廣泛，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)。為達到更好的機械特性要求，一般直流電動機都是在閉環(huán)控制下運行。經常采用的閉環(huán)系統(tǒng)有 轉速負反饋和電流截止負反饋。2、雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的結構圖直流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的結構圖如圖1所示，轉速調節(jié)器與電流調節(jié)器串極聯結，轉速調節(jié)器的輸出作為電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制PWM裝置。其中脈寬調制變換器的作用是：用脈沖寬度調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、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，以調節(jié)電機轉速，達到設計要求?？傮w方案簡化圖如圖1所示。圖1雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的結構簡化圖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器電路如圖2所示。這是電動機 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器的四個驅動電壓波形如圖3所示。OUg2O圖3 PWM變換器的驅動電壓波形他們的關系是：Ug! =Ug4二-Ug2二-Ug3。在一個開關周期內，當0豈t：t°n時，晶體管VT" > VT4飽 和導通而VT3、VT2截止，這時UAB =Us。當ton乞t : T時，VT,、VT4截止，但VT3、VT?不能立即導通， 電樞電流id經VD2、VD3續(xù)流，這時Uab =Us。Uab在一個周期內正負相間，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、電動機的正反轉體現在驅動電壓正、負脈沖的寬窄上。當正脈沖較寬時，ton T，則Uab的平均值為正，電動機正轉，當正脈沖較窄時，則反轉；如果正負脈沖相等，2ton =T，平均輸出電壓為零，則電動機停止。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，電壓系數二則在雙極式可逆變換器中=2 -111調速時，的可調范圍為01相應的丫二-1 1。當時， 為正，電動機正轉；當時,221為負，電動機反轉；當時，襯=0，電動機停止。但電動機停止時電樞電壓并不等于零，而是正2負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等于零，不產生平均轉矩，

6、徒 然增大電動機的損耗這是雙極式控制的缺點。但它也有好處，在電動機停止時仍然有高頻微震電流，從而消除了正、反向時靜摩擦死區(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：1 ）電流一定連續(xù)。2）可使電動機在四象限運行。3）電動機停止時有微震電流，能消除靜摩擦死區(qū)。4）低速平穩(wěn)性好，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。4、PWM調速系統(tǒng)的靜特性。由于采用了脈寬調制，電流波形都是連續(xù)的，因而機械特性關系式比較簡單，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周期內的平均值，即可導出機械特性方程

7、式，電樞兩端在一個周期內的電壓都 是Ud =Us，平均電流用Id表示，平均轉速n =E/Ce，而電樞電感壓降L-的平均值在穩(wěn)態(tài)時應為零。dt于是其平均值方程可以寫成Us 二 Rid E二 Rid Cen則機械特性方程式Us R n -CeCeId十-和Ce5、電路設計本實驗系統(tǒng)的主電路采用雙極性PWM控制方式，其中主電路由四個IGBT管構成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行控制的：在圖1中，電機正轉時，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；反轉時，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。四個快恢復二極管 VD1VD4用于續(xù)流。速度調節(jié)器的電流反饋量是由主回路中的電流傳感器取得的。速度反饋量取自轉速表輸出的電壓值。本實驗系統(tǒng)可設定不同的給定量、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)的調速實驗。無論是開環(huán)實驗還是閉環(huán)實驗，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值，在需用到速度閉環(huán)時必須檢測測速發(fā)電機提供 的輸出電壓的極性，在做雙閉環(huán)實驗時，必須將正端連接到面板2端，負值端連接到面板的 1端。本實驗系統(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電位器 RP1、RP2及兩個鈕子開關 S1、S2組成。S1為正、負極性切換開關，輸出的 正、負電壓的大小分別由 RP1、RP2來調節(jié)，其輸出電壓范圍為 0士 I5V , S2為輸出控制開關，打到“運 行”側，允許電壓輸出，打到“停止”側，則輸出恒為零。(2)電流調節(jié)器由于電流檢測中常常含有交流分量，為使其不影響調節(jié)器的輸入，需加低通濾波。此濾波環(huán)節(jié)傳遞函數可用一階慣性環(huán)節(jié)表間常數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 平電流檢測信號為準。為 在給定通道上加入同樣的 時間

10、上配合恰當。丄CoiT1圖6電流調節(jié)器（3）轉速調節(jié)器 轉速反饋電路如圖7所示，由測速發(fā)電機得到的轉速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，由初Ton =0.012s。根據和電流環(huán)一樣的道理，在轉速給定通道上也加入相同時間常數始條件知濾波時間常數 的給定濾波環(huán)節(jié)。Rn汩一Un* R0/2RO/24JUi*Con-UnR0/2LR0/2RbalICon圖7轉速反饋電路（4）信號產生電路PWM生成電路如圖8所示，SG3525生成的PWM信號經過一個非門轉為兩路相反的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，進行邏輯延時，后面再加上非門和與門構成的電路。本設計采用集成脈寬調制器S

11、G3525作為脈沖信號發(fā)生的核心元件。根據主電路中IGBT的開關頻率，選擇適當的Rt、Ct值即可確定振蕩頻率。電路中的PWM信號由集成芯片 SG3525產生，SG3525可為脈寬調制式推挽、橋式、單端及串聯型SMPS （固定頻率開關電源）提供全部控制電路系統(tǒng)的控制單元。由它構成的PWM型開關電源的工作頻率可達100kHz，適宜構成100-500W中功率推挽輸出式開關電源。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；另一路送到基準電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產生穩(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，一路以時鐘脈沖形式送至雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及兩個或非門；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行比較，輸出一個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、或非門的一個輸入端?；蚍情T的另兩個輸入端分別為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和振蕩器鋸齒波。雙穩(wěn)態(tài)觸 發(fā)器的兩個輸出互補，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)時間，保證VT1及VT2不同時導通。最后， VTl及VT2分別輸出相位相差為180°的PWM波。（5 ）驅動電路IGBT驅動采用了光耦TLP250。光耦TLP250是一種可直接驅動小功率MOSFET和IGBT的功率型光耦，其最大驅動能力達 1.5A。選用TLP250光耦既保證了功率驅動電路與PWM脈寬調制電路的可靠隔離，又具備了直接驅動 MOSFET的能力，使驅動電路特別簡單。（6）轉速及電流檢測

14、電路轉速變換用于有轉速反饋的調速系統(tǒng)中，它將反映轉速變化并與轉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，將DD03-1導軌上的電壓輸出端接至轉速變換的輸入端“1 ”和“ 2”。輸入電壓經R1分壓，調節(jié)電位器 RP1可改變轉速反饋系數。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出現的一些故障，應對具體現象進行具體分析，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不轉。這種故障現象的

15、故障原因較多，（1）給定電路開路,電路輸出開路，（3）場效應管損壞，（4）芯片SG3525無信號輸出。2. 接通電源后保險絲熔斷，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占空比沒有調節(jié)3. 給定電壓已調到零位時，電機仍在轉動，可能的原因是偏移電壓調節(jié)不當, 到位。五、試運行操作注意：除了給定電位器，其余電位器已經調節(jié)在合適位置，請勿隨意調節(jié)。1、熟悉實驗裝置的基本原理、電路結構和主要元器件，檢查實驗裝置輸入和輸出的電路連接是否正 確，檢查保險絲是否完好，以及電源開關是否在“關”的位置。2、打開控制電路的電源開關，用示波器觀測PWM輸出點的波形，光耦 TLP250的

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

17、負限幅值的整定同速度調節(jié)器相同。 電流反饋輸出的整定：本實驗所使用電機應調節(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)實驗），改變負載，使電機的電樞電流達到0.3A，調節(jié)電流反饋輸出電位器RP7使電壓值等于電流調節(jié)器的限幅值即可，本實驗設定電流在0.3A的時候反饋值為2.7V。 速度反饋輸出的整定：把給定直接接至PWM發(fā)生器，調節(jié)給定，使轉速為1400r/min，調節(jié)轉速調節(jié)器電位器RP3使輸出3（ Un ）為-4V。4、電流轉速雙閉環(huán)系統(tǒng)測定：根據圖4接線，組成電流轉速雙閉環(huán)。給定電壓為正電壓，轉速反饋電壓為負電壓，直流發(fā)電機接負載一一制動器（制動器接入直流

18、穩(wěn)壓電 源，直流穩(wěn)壓電壓調至最?。?。將速度調節(jié)器、電流調節(jié)器都接成PI調節(jié)器，接入系統(tǒng)，形成雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。接好線后，先打開控制電源的開關，后開主電路電源的開關，接通電機勵磁電源和電機電樞電源。逐 漸增大給定電壓 Un*，使電機啟動升速，使轉速達到1200rpm。機械特性n=f（ Id）測定：A、先不加載負載制動器，從零開始增大給定電壓，使電動機轉速達到n=1200rpm，再加載負載（直流穩(wěn)壓電源逐漸增大，即增大負載）。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、排故實訓，結合故障說明跟通過故

19、障箱內的鈕子開關設置故障（開關上撥，正常狀態(tài)，開關下撥，故障狀態(tài)） 原理圖，分析故障原因，找出故障所在點。6、把負載減小至最小，給定減小至零，切斷直流電，斷開勵磁，關斷電源，結束實驗。六、實訓指導1、實習內容用通電實驗方法發(fā)現故障現象，進行故障分析，并在電氣原理圖中用虛線標出最小故障范圍。2、電氣故障的設置原則（1）人為設置的故障點，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、 電動機負載及線路長期過載運行、啟動頻繁、安裝質量低劣和調整不當等原因造成的“自然”故障。（2）切忌設置改動線路、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。（3）故障點的設置，應做到隱蔽且設置方便，除簡單控制線路外，兩處故障一般不宜設置在單獨支 路或單一回路中。（4）對于設置一個以上故障點的線路，其故障現象應盡可能不要相互掩蓋。否則學生在檢修時，若檢查思路尚清楚，但檢修到定額時間的2/3還不能查出一個故障點時，可作適當的提示。（5）應盡量不設置容易造成人身或設備事故的故障點，如有必要時，教師必須在現場密切注意學生 的檢修動態(tài)，隨時作好采取應急措施的準備。（6）設置的故障點，必須與學生應該具有的修復能力相適應。3、注意事項（1）連接電機時，要注意極性。（2）為保證系統(tǒng)在負反饋狀態(tài)下運行，測速發(fā)電機輸出電壓極性與控制系統(tǒng)的連接必須正確。（3）在Ug下