直流脉宽调速系统的设计与研究-控制电路的设计

1、摘 要以电力电子学和电机调速技术为基础，本文设计了一种基于直流脉宽调速控制技术的直流电机调速系统系统。为了得到较好的动静态性能，该控制系统采用双闭环控制，同时速度调节器和电流调节器都选用PI调节器设计的调速系统采用桥式电路作为主电路，采用ASR和ACR作为调节器，触发电路已集成PWM 控制器SG3525为核心，保护电路已过流保护为主。这种系统在40年代广泛应用，但是它的缺点是占地大，效率低，运行费用昂贵，维护不方便等，特别是至少要包含两台与被调速电机容量相同的电机。为了克服这些缺点，50年代开始使用水银整流器作为可控变流装置。这种系统缺点也很明显，主要是污染环境，危害人体健康。50年代末晶闸管

2、出现，晶闸管变流技术日益成熟，使直流调速系统更加完善。晶闸管-电动机调速系统已经成为当今主要的直流调速系统，广泛应用于世界各地。关键字：SG3525 ;ACR; ASR ;直流PWM调速系统II目录引言11 PWM介绍及设计方案21.1 PWM的定义21.2 PWM基本原理21.3 直流调速系统的方案设计21.3.1 设计已知参数31.3.2 设计指标31.3.3设计内容31.3.4 选择IGBT的桥式主电路31.3.5 采用转速电流双闭环4第二章 直流脉宽调速系统主电路设计52.1 主电路结构设计52.2 参数设计52.2.1 IGBT的选择52.2.2 缓冲电路器件选择62.2.3 泵升电

3、路器件选择6第三章 调节器设计ASR， ACR73.1 电流调节器设计73.2 转速调节器设计73.3 转速反馈调节器、电流反馈调节器的整定8第四章 触发电路设计94.1 触发控制电路设计94.2 SG3525的简介94.3 SG3535的优势10第五章 保护电路115.1 整流电路中的保护电路115.2 PWM电路中的保护电路115.2.1 过流保护115.2.2 过电压保护115.2.3 缓冲电路125.3 反馈及保护电路设计125.3.1 转速检测装置选择135.3.2电流检测单元13第六章 调试146.1 晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定146.1.1 实验内容146.1.2 实

4、验系统组成和工作原理146.1.3 实验方法146.2 双闭环可逆直流脉宽调速系统性能测试176.2.1 实验内容176.2.2 实验系统的组成和工作原理186.2.3 测试内容18第七章 总 结25第八章 参考文献263引言直流调速系统是运动控制系统的基础。调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用最广泛的一中系统。目前对调速性能要求较高的各类生产机械大多采用直流传动，简称为直流调速。早在20世纪40年代采用的是发电机电动机系统，又称放大机控制的发电机电动机组系统。这种系统在40年代广泛应用，但是它的缺点是占地大，效率低，运行费用昂贵，维护不方便等，特别是至少要包含两台与被调速电机容量相同的电

5、机。为了克服这些缺点，50年代开始使用水银整流器作为可控变流装置。这种系统缺点也很明显，主要是污染环境，危害人体健康。50年代末晶闸管出现，晶闸管变流技术日益成熟，使直流调速系统更加完善。变压调速是直流调速系统的主要调速方法，系统的硬件结构至少包含了两个部分：能够调节直流电动机电枢电压的直流电源和产生被调转速的直流电动机。随着电力电子技术的发展，可控直流电源主要有两大类，第一类是相控整流器，它把交流电源直接直接转换成可控的直流电源；第二类是直流脉宽变换器，它先用不可控整流把交流电变换成直流电，然后用PWM脉宽调制方式调节输出的直流电压。而基于电流和转速的双闭环直流调速系统静动态特性都很理想。转

6、速、电流双闭环控制直流调速系统是性能好、应用最广的直流调速系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。本设计是以直流PWM 控制调速系统进行调速，采用转速调节器ASR 、以及电流调节器ACR 并用PI 调节器进行校正，对反馈信号进行采集，处理起到无静差效果。1 PWM介绍及设计方案1.1 PWM的定义 PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到

7、模拟负载上去的。脉宽调制器UPW采用美国硅通用公司（Silicon General）的第二代产品SG3525，这是一种性能优良，功能全、通用性强的单片集成PWM控制器。PWM系统在很多方面具有较大的优越性 ： 1） 从处理器到被控系统信号都是数字形式的，在进行数模转换。2） 将噪声影响降到最低,噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。3） 低速性能好，稳速精度高，调速范围广。 4） 如果可以与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。 5） 从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以

8、滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。 1.2 PWM基本原理PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。 1.3 直流调速系统的方案设计1.3.1 设计已知参数1、拖动设备：直流电动机： ，过载倍数。2、负载：直流发电机： 3、机组：转动惯量1.3.2 设计指标1、D，稳态时无静差。2、稳态转速n=1200r/min, 负载电流0.8A。3、电流超调量，空载起动到稳态转速时的转速超调量。1.3.3设计内容 1、直流脉宽（PWM）调速系统设计与研究主电路设计。 2、直流脉宽

9、（PWM）调速系统设计与研究调节器设计【ASR ,ACR】。3、直流脉宽（PWM）调速系统设计与研究触发及保护电路设计。 其中以3为主要研究内容 1.3.4 选择IGBT的桥式主电路IGBT 的优势：1）IGBT 具有输进阻抗高，电压控制功耗低。2) 在相同电压和电流定额的情况下，IGBT 的安全工作区比GTR 大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。3) IGBT 的输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET 类似。4) 与电力MOSFET 和GTR 相比，IGBT 的作为逆变器件的变频器的容量达250kVA以上，工作频率可达20kHz。可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电

10、路，这种电路有很多优点:电流一定连续；可使电动机四象限运行；电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；低速平稳性好，系统的调速范围大；低速时，每个开关器件的驱动脉宽仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。1.3.5 采用转速电流双闭环直流调速系统，传统上采用速度和电流的双闭环调速。这是从单闭环自动调速系统发展起来的。采用PI控制器的单闭环系统，虽然实现了转速的无静差调速，但因其结构中含有电流截止负反馈环节，限制了起制动的最大电流。加上电机反电势随着转速的上升而增加，使电流达到最大值之后迅速降下来。这样，电动机的转速也减小下来，使起动过程变慢，起动时间增长。为了提高生产率和加工质量，要求尽量缩短过渡过

11、程时间。我们希望使电流在起动时始终保持在最大允许值上，电动机输出最大转矩，从而可使转速直线上升过渡过程时间大大缩短。另一方面，在一个调节器的情况下，输入端综合几个信号，各参数互相影响，调整也比较困难。为获得近似理想的起动过程，并克服几个信号在一处的综合的缺点，经研究与实践，出现了转速、电流双闭环调速系统。以上两点都涉及电枢电流的控制，所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量，组成转速、电流双闭环调速系统。 4第2章 直流脉宽调速系统主电路设计 2.1 主电路结构设计 直流脉宽调速电路原理图如图2.1 所示, 其中直流斩波电路可看成降压型变换器和升压型变换器的串联组合,采用IGBT作为自关断器件,利

12、用集成脉宽调制控制SG3525 产生的脉宽调制信号作为驱动信号,由两个IGBT 及其反并联的续流二极管组成。图2.1 直流脉宽调速电路原理图2.2 参数设计 2.2.1 IGBT的选择 IGBT（Insulated Gate Bipolor Transistor）绝缘栅极双极晶体管。这种器件具有MOS门极的高速开关性能和双极动作的高耐压、大电流容量的两种特点。其开关速度 可达1ms，额定电流密度100A/cm2，电压驱动，自身损耗小。其符号和波形图如图2.2所示。设计中选的IGBT 管的型号是IRGPC50U,它的参数如下： 管子类型：NMOS 场效应管 极限电压Vm：600V 极限电流Im：

13、27 A 耗散功率P：200 W 额定电压U：220V 额定电流I：1.2A图2.2 IGBT信号及波形图2.2.2 缓冲电路器件选择 桥式电路中采用了缓冲电路，由电阻和电容组成。IGBT的缓冲电路功能侧重于开关过程中过电压的吸收与抑制，这是由于IGBT的工作频率可以高达30-50kHz；因此很小的电路电感就可能引起颇大的di/dtLc ，从而产生过电压，危及IGBT的安全。逆变器中IGBT开通时出现尖峰电流，其原因是由于在刚导通的IGBT负载电流上叠加了桥臂中互补管上反并联的续流二极管的反向恢复电流，所以在此二极管恢复阻断前，刚导通的IGBT上形成逆变桥臂的瞬时贯穿短路，使ic出现尖峰，为此

14、需要串入抑流电感，即串联缓冲电路，或放大IGBT的容量。 缓冲电路参数：经实验得出缓冲电路电阻R=10K；电容C=0.75F。 2.2.3 泵升电路器件选择 泵升电路由一个电容量大的电解电容、一个电阻和一个VT组成。泵升电路中电解电容选取C=2000F ；电压U=450V；VT选取IRGPC50U型号的IGBT管；电阻选取R=20 。第3章 调节器设计ASR， ACR 3.1 电流调节器设计 本设计因为 i% 5%且TL/TI =23.98/6.710。所以 按典系统设计,选PI调节器。其传递函数为： 图3.1 双闭环直流调速系统结构图 3.2 转速调节器设计在设计转速调节器时，可把已设计好的

15、电流环看作是转速调节系统中的一个环节。它的等效传递函数为： 3.3 转速反馈调节器、电流反馈调节器的整定 把电机、220V直流电源接入系统，系统接成开环。把正给定接入脉宽发生单元，调节给定，使转速稳定在1500rpm，调节转速反馈调节器中的RP1，使3端输出的电压为-4V。加大负载，使电机的电枢电流稳定在1.3A，调节电流反馈调节器，使电流反馈调节器3端输出的电压为+4V。第4章 触发电路设计 4.1 触发控制电路设计 集成脉宽调制控制器SG3525是控制电路的核心，它采用恒频脉宽调制控制方案，适合于各种开关电源、斩波器的控制。本实验电路中用SG3525 产生的脉宽调制信号作为IGBT 的驱动

16、信号。 图4.1 系统原理图其中：G：给定器；DZS：零速封锁器；ASR：速度调节器；ACR电流调节器：GT：触发装置；FBS：速度变换器；FA：过流保护器；FBC：电流变换；AP1：I组脉冲放大器； 4.2 SG3525的简介 SG3525脉宽调制型控制器是美国通用电气公司的产品，作为SG3524的改进型，更适合于运用MOS管作为开关器件的DC/DC变换器，它是采用双级型工艺制作的新型模拟数字混合集成电路，性能优异，所需外围器件较少。它的主要特点是:输出级采用推挽输出，双通道输出，占空比0-50%可调.每一通道的驱动电流最大值可达200mA,灌拉电流峰值可达500mA。可直接驱动功率MOS管

17、，工作频率高达400KHz，具有欠压锁定、过压保护和软启动等功能。该电路由基准电压源、震荡器、误差放大器、PWM比较器与锁存器、分相器、欠压锁定输出驱动级，软启动及关断电路等组成，可正常工作的温度范围是0-700C。基准电压为5.1 V士1%，工作电压范围很宽，为8V到35V.图4.2 触发电路图4.3 SG3535的优势1）增设欠压锁定电路 电路主要作用是当IC输入电压Td，也可以近似地把系统看成是一阶惯性环节，即 6、测速发电机特性的测定，实验线路如图6.3所示图6.2 转动惯量的测定和系统机电时间常数Tm的测定电动机加额定励磁，逐渐增加触发电路的控制电压Uct，分别读取对应的,n的数值若

18、干组，即可描绘出特性曲线。表6.5Ug（V）0.832.192.653.945.928.059.74n(r/min) 150300400600900120015006.2 双闭环可逆直流脉宽调速系统性能测试 6.2.1 实验内容 1、PWM控制器SG3525性能测试； 2、控制单元调试；3、系统开环调试；4、系统闭环调试； 5、系统稳态、动态特性测试； 6、H型PWM变换器不同控制方式时的性能测试。 6.2.2 实验系统的组成和工作原理 在中小容量的直流传动系统中，采用自关断器件的脉宽调速系统比相控系统具有更多的优越性，因而日益得到广泛应用。 双闭环脉宽调速系统的原理框图如图2.11所示。图中

19、可逆PWM变换器主电路系采用MOSFET所构成的H型结构形式，UPW为脉宽调制器，DLD为逻辑延时环节，GD为MOS管的栅极驱动电路，FA为瞬时动作的过流保护。 脉宽调制器UPW采用美国硅通用公司（Silicon General）的第二代产品SG3525，这是一种性能优良，功能全、通用性强的单片集成PWM控制器。由于它简单、可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试，故获得广泛使用。 6.2.3 测试内容 测试1 1. SG3525性能测试 2.（1）用示波器观察“1”端（即SG3525的5脚）的电压波形，波形(1V，20s)如图6.4为：图6.3 5脚的波形3. 控制电路的测试同一

20、桥臂上下管子驱动信号列区时间测试 分别将“隔离驱动”的G和主回路的G相连，用双踪示波器(50mv，20s)，分别测量VVT1.GS和VVT2.GS的死区时间如图所示：tdVT1.VT2= 1.6s图6.4 7和8脚的波形测试2 1. 开环系统调试 （1）电流反馈系数的调试 a. 将正、负给定均调到零，合上主控制屏电源开关，接通直流电机励磁电源。 b调节正给定，电机开始起动直至达1400r/min。c给电动机拖加负载，即逐渐减小发电机负载电阻，直至电动机的电枢电流为1A。d调节“FBA”的电流反馈电位器，用万用表测量“9”端电压达2V左右。 （2）速度反馈系数的调试 在上述实验的基础上，再次调节

21、电机转速的1400r/min，调节MCL-31（或MCL-III型主控制屏）的“FBS”电位器，使速度反馈电压为5V左右。 （3） 系统开环机械特性测定 参照速度反馈系数调试的方法，使电机转速达1400r/min，S4开关拨向“正给定”，改变可调电阻加载旋钮（或直流发电机负载电阻Rd），在空载至额定负载范围内测取6个点，记录相应的转速n和直流发电机电流id，特性曲线见图6.6。 表6.6 开环正给定高速的数据记录 n=1400r/minn(r/min)1400138013611355134913431337id(A)0.600.700.800.810.810.820.80图6.5 开环正给定高

22、速的特性曲线调节RP3，使n=1000 r/min和n=500r/min，作同样的记录，可得到电机在中速和低速时的机械特性，特性曲线见图6.7和表6.7。 表6.7 开环正给定中速的数据记录 n=1000r/min n(r/min)1001989970950935923908id(A)0.450.500.600.700.750.800.81图6.6 开环正给定中速的特性曲线表6.8 开环正给定低速的数据记录n=500r/minn(r/min)500479458441420383361id(A)0.250.350.450.550.650.700.80图6.7 开环正给定低速的特性曲线断开主电源，

23、S4开关拨向“负给定”，然后按照以上方法，测出系统的反向机械特性，特性曲线见图6.9。 表6.9 开环负给定高速的数据记录 n=1400r/min n(r/min)1402139313831370134513281305id(A)0.560.600.650.700.720.750.80图6.8 开环负给定高速的特性曲线调节RP3，使n=1000/min和n=500r/min，作同样的记录，可得到电机在负给定后中速和低速时的机械特性，特性曲线见图6.10表6.10 开环负给定中速的数据记录n=1000r/min n(r/min)1000985971950928899882id(A)0.420.5

24、00.530.550.600.700.75图6.9 开环负给定中速的特性曲线表6.11 开环负给定低速的数据记录n=500r/minn(r/min) 500475457429389367335id(A) 0.250.350.400.450.550.600.75图6.10 开环负给定低速的特性曲线2.系统静特性测试 （1）机械特性n=f（Id）的测定 S2开关打向“给定”，S1开关扳向上至“正给定”，调节MCL-10的RP3电位器，使电机空载转速至1400 r/min，再调节可调电阻加载旋钮（或发电机负载电阻Rg），在空载至额定负载范围内分别记录6点，可测出系统正转时的静特性曲线n=f（Id），

25、特性曲线见图6.12。 表6.12 闭环正给定时的数据记录n(r/min)140914041391137313661343I(A)0.350.450.500.540.600.75图6.11 闭环正给定时的静特性曲线S2开关打向“给定”，S1开关打向下至“负给定”，调节MCL-10的RP4电位器，使电机空载转速至1400 r/min，再调节可调电阻加载旋钮（或发电机负载电阻Rg），在空载至额定负载范围内分别记录6点，可测出系统反转时的静特性曲线n=f（Id），特性曲线见图6.13。表6.13 闭环负给定时的数据记录n(r/min)150314961484147514621436I(A)0.400.450.500.550.600.75图6.12 闭环负给定时的静特性曲线（2）闭环控制特性n=f(Ug)的测定 S2开关打向“给定”，S1开关扳向上至“正给定”，调节MCL-10的RP3电位器，记录Ug和n，即可测出闭环控制特性n=f(Ug)，特性曲线见图