TK-PWM型 直流电动机双极性PWM可逆调速电路排故装置.doc

TK-PWM型 直流电动机双极性PWM可逆调速电路排故装置一、实验目的1.分析电流环与速度环在直流调速系统中的作用2.熟悉PWM可逆调速电路的基本组成及工作原理3.掌握PWM可逆调速电路的整定与调试4.测定直流调速机械系统的机械特性，完成实训考核二、实验设备序号名称数量备注1TK-PWM型 直流电动机双极性PWM可逆调速电路排故装置12DQ03-1 不锈钢电机导轨、光码盘测速系统及数显转速表13直流并励电机DQ0914制动器15双踪示波器1自备6万用表1自备三、实验线路及原理1、概述采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成脉宽调制变换器直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统或直流PWM调速系统。脉宽调制变换器是把脉冲宽度进行调制的一种直流斩波器，脉宽调制是利用电力电子开关器件的导通与关断，将直流电压变成连续的直流脉冲序列，并通过控制脉冲的宽度或周期达到变压的目的。与V-M系统相比，PWM系统在很多方面有较大的优越性：1）主电路线路简单，需用的功率器件少。2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。3）低速性能好，稳态精度高，调速范围宽。4）若是与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强。5）功率开关器件工作在开关状态，道通损耗小，当开关频率适中时，开关损耗也不大。由于有以上优点直流PWM系统应用日益广泛，特别是在中、小容量的高动态性能中，已完全取代了V-M系统。为达到更好的机械特性要求，一般直流电动机都是在闭环控制下运行。经常采用的闭环系统有转速负反馈和电流截止负反馈。2、双闭环调速系统的结构图直流双闭环调速系统的结构图如图1所示，转速调节器与电流调节器串极联结，转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制PWM装置。其中脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速，达到设计要求。总体方案简化图如图1所示。图1 双闭环调速系统的结构简化图3、桥式可逆PWM变换器的工作原理桥式可逆PWM变换器电路如图2所示。这是电动机M两端电压 的极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。图2 桥式可逆PWM变换器电路双极式控制可逆PWM变换器的四个驱动电压波形如图3所示。图3 PWM变换器的驱动电压波形他们的关系是：。在一个开关周期内，当时，晶体管、饱和导通而、截止，这时。当时，、截止，但、不能立即导通，电枢电流经、续流，这时。在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征，其电压、电流波形如图3所示。电动机的正反转体现在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，则的平均值为正，电动机正转，当正脉冲较窄时，则反转；如果正负脉冲相等，平均输出电压为零，则电动机停止。双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为如果定义占空比，电压系数则在双极式可逆变换器中调速时，的可调范围为01相应的。当时，为正，电动机正转；当时，为负，电动机反转；当时，电动机停止。但电动机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值等于零，不产生平均转矩，徒然增大电动机的损耗这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电动机停止时仍然有高频微震电流，从而消除了正、反向时静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。双极式控制的桥式可逆PWM变换器有以下优点：1）电流一定连续。2）可使电动机在四象限运行。3）电动机停止时有微震电流，能消除静摩擦死区。4）低速平稳性好，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。4、PWM调速系统的静特性。由于采用了脉宽调制，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单，电压平衡方程如下 . 按电压平衡方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式，电枢两端在一个周期内的电压都是，平均电流用表示，平均转速，而电枢电感压降的平均值在稳态时应为零。于是其平均值方程可以写成则机械特性方程式5、电路设计本实验系统的主电路采用双极性PWM控制方式，其中主电路由四个IGBT管构成H桥，通过控制IGBT的栅极电压，用以控制IGBT管的通断。受限单极性的控制方式是这样进行控制的：在图1中，电机正转时，在VT1的栅极施加脉冲，VT4的栅极施加高电平，VT2、VT3的栅极为低电平；反转时，VT2栅极施加脉冲，VT3的栅极施加高电平，VT1、VT4的栅极为低电平。四个快恢复二极管VD1VD4用于续流。速度调节器的电流反馈量是由主回路中的电流传感器取得的。速度反馈量取自转速表输出的电压值。本实验系统可设定不同的给定量、速度反馈量及电流反馈量，以完成开环、速度单闭环、电流单闭环及双闭环的调速实验。无论是开环实验还是闭环实验，用万用表观测的n*Uct电压为4.7V。由于给定量Ug恒为正，因此速度反馈量必须为负值，在需用到速度闭环时必须检测测速发电机提供的输出电压的极性，在做双闭环实验时，必须将正端连接到面板2端，负值端连接到面板的1端。本实验系统原理框图如图4所示：图4 系统框图（1）给定给定的原理图如下图所示。图5为电压给定原理图图5 电压给定原理图电压给定由两个电位器RP1、RP2及两个钮子开关S1、S2组成。S1为正、负极性切换开关，输出的正、负电压的大小分别由RP1、RP2来调节，其输出电压范围为0士l5V，S2为输出控制开关，打到“运行”侧，允许电压输出，打到“停止”侧，则输出恒为零。（2）电流调节器由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不影响调节器的输入，需加低通滤波。此滤波环节传递函数可用一阶惯性环节表示，由初始条件知滤波时间常数，以滤平电流检测信号为准。为了平衡反馈信号的延迟，在给定通道上加入同样的给定滤波环节，使二者在时间上配合恰当。图6 电流调节器（3）转速调节器转速反馈电路如图7所示，由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，由初始条件知滤波时间常数。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。图7 转速反馈电路（4）信号产生电路PWM生成电路如图8所示，SG3525生成的PWM信号经过一个非门转为两路相反的PWM信号，为了确保上下两桥臂不会直通发生事故，中间加入电容，进行逻辑延时，后面再加上非门和与门构成的电路。图8 PWM生成电路本设计采用集成脉宽调制器SG3525作为脉冲信号发生的核心元件。根据主电路中IGBT的开关频率，选择适当的Rt、Ct值即可确定振荡频率。电路中的PWM信号由集成芯片SG3525产生，SG3525可为脉宽调制式推挽、桥式、单端及串联型SMPS（固定频率开关电源）提供全部控制电路系统的控制单元。由它构成的PWM型开关电源的工作频率可达100kHz，适宜构成100-500W中功率推挽输出式开关电源。SG3525采用是定频PWM电路，DIP-16型封装。SG3525其各引脚功能如图9所示，内部框图如图10所示。脚8为软起动端。 图9 SG3525管脚图图10 SG3525内部框图直流电源 Vs 从脚 15 接入后分两路，一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的元器件作为电源。振荡器脚 5 须外接电容 CT，脚 6 须外接电阻 RT。振荡器频率由外接电阻RT 和电容CT决定，振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相输入端，比较器的反向输入端接误差放大器的输出，误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，输出一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲，再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。或非门的另两个输入端分别为双稳态触发器和振荡器锯齿波。双稳态触发器的两个输出互补，交替输出高低电平，将PWM脉冲送至三极管VT1 及 VT2的基极，锯齿波的作用是加入死区时间，保证 VT1 及VT2不同时导通。最后，VTl及VT2分别输出相位相差为 180的 PWM波。（5）驱动电路IGBT驱动采用了光耦TLP250。光耦TLP250是一种可直接驱动小功率MOSFET和IGBT的功率型光耦，其最大驱动能力达1.5A。选用TLP250光耦既保证了功率驱动电路与PWM脉宽调制电路的可靠隔离，又具备了直接驱动MOSFET的能力，使驱动电路特别简单。图11 驱动电路（6）转速及电流检测电路转速变换用于有转速反馈的调速系统中，它将反映转速变化并与转速成正比的电压信号变换成适用于控制单元的电压信号。图1-12为其原理图：图1-12 速度变换使用时，将DD03-1导轨上的电压输出端接至转速变换的输入端“1”和“2”。输入电压经R1和RP1分压，调节电位器RP1可改变转速反馈系数。通过霍尔传感器测量电流的电流检测电路原理如图13所示。图13 电流检测电路四、故障与检修对于使用时出现的一些故障，应对具体现象进行具体分析，找出故障原因所在。这里仅选一些有代表性的故障作分析和说明。1.接通电源，改变给定电压但电机不转。这种故障现象的故障原因较多，（1）给定电路开路，（2）主电路输出开路，（3）场效应管损坏，（4）芯片SG3525无信号输出。2. 接通电源后保险丝熔断，故障可能在于引出线接错，或者是变压器原边短路，或者是接触器短路。3. 给定电压已调到零位时，电机仍在转动，可能的原因是偏移电压调节不当，PWM占空比没有调节到位。五、试运行操作注意：除了给定电位器，其余电位器已经调节在合适位置，请勿随意调节。1、熟悉实验装置的基本原理、电路结构和主要元器件，检查实验装置输入和输出的电路连接是否正确，检查保险丝是否完好，以及电源开关是否在“关”的位置。2、打开控制电路的电源开关，用示波器观测PWM输出点的波形，光耦TLP250的输入波形及输出波形。调节偏移电压电位器，可以改变PWM波的占空比。3、系统单元调试偏移电压调节：把系统接至开环，给定为0，调节面板上的调节偏移电压的电位器，使电机处于刚好不转的状态。速度调节器的调节：用2号导线将电容C短接，断开故障K1、K2、K5，用万用表测量速度调节器的输出端（Ui*）和地之间的电压，调节电位器RP4，使输出尽可能接近0V。速度调节器正负限幅值的整定：去掉电容C的短接导线，去掉故障1，输入端加一负的给定，用万用表测量速度调节器的输出端（Ui*）和地之间电压，调节正的限幅值电位器RP5，使输出为5左右，加一正给定，调节负限幅电位器RP6，使输出为-4V。电流调节器负限幅值的整定同速度调节器相同。电流反馈输出的整定：本实验所使用电机应调节限流值为0.7A左右。把给定直接接至PWM发生器（Un*/Uct）（即开环实验），改变负载，使电机的电枢电流达到0.3A，调节电流反馈输出电位器RP7使电压值等于电流调节器的限幅值即可，本实验设定电流在0.3A的时候反馈值为2.7V。速度反馈输出的整定：把给定直接接至PWM发生器，调节给定，使转速为1400r/min，调节转速调节器电位器RP3使输出3（Un）为-4V。4、电流转速双闭环系统测定：根据图4接线，组成电流转速双闭环。给定电压为正电压，转速反馈电压为负电压，直流发电机接负载制动器（制动器接入直流稳压电源，直流稳压电压调至最小）。将速度调节器、电流调节器都接成PI调节器，接入系统，形成双闭环调速系统。接好线后，先打开控制电源的开关，后开主电路电源的开关，接通电机励磁电源和电机电枢电源。逐渐增大给定电压Un*，使电机启动升速，使转速达到1200rpm。机械特性n=f（Id）测定：A、先不加载负载制动器，从零开始增大给定电压，使电动机转速达到n=1200rpm，再加载负载（直流稳压电源逐渐增大，即增大负载）。测出n，Id值，记录于下表：n(rpm)Id(A)B、降低Ug，测试n=800rpm的n，Id值，记录于下表：n(rpm)Id(A)5、排故实训通过故障箱内的钮子开关设置故障（开关上拨，正常状态，开关下拨，故障状态），结合故障说明跟原理图，分析故障原因，找出故障所在点。6、把负载减小至最小，给定减小至零，切断直流电，断开励磁，关断电源，结束实验。六、实训指导1、实习内容用通电实验方法发现故障现象，进行故障分析，并在电气原理图中用虚线标出最小故障范围。2、电气故障的设置原则（1）人为设置的故障点，必须是考核系统在使用过程中，由于受到振动、受潮、高温、异物侵入、电动机负载及线路长期过载运行、启动频繁、安装质量低劣和调整不当等原因造成的“自然”故障。（2）切忌设置改动线路、换线、更换电器元件等由于人为原因造成的非“自然”的故障点。（3）故障点的设置，应做到隐蔽且设置方便，除简单控制线路外，两处故障一般不宜设置在单独支路或单一回路中。（4）对于设置一个以上故障点的线路，其故障现象应尽可能不要相互掩盖。否则学生在检修时，若检查思路尚清楚，但检修到定额时间的2/3还不能查出一个故障点时，可作适当的提示。（5）应尽量不设置容易造成人身或设备事故的故障点，如有必要时，教师必须在现场密切注意学生的检修动态，随时作好采取应急措施的准备。（6）设置的故障点，必须与学生应该具有的修复能力相适应。3、注意事项（1）连接电机时，要注意极性。（2）为保证系统在负反馈状态下运行，测速发电机输出电压极性与控制系统的连接必须正确。（3）在Ug下调，使电机减速时，应缓慢调节。（4）增加机械负载时，先使制动器开路，然后将电流调至最