自动控制系统课程设计

1、目录1 摘要. 12 实验台表面布局图.2三所用模块及设备清单.3四系统结构原理图及动态框图.34.1 系统结构原理图.34.2 系统动态框图.45 PWM变换器工作原理.46 SG3525芯片简介及电路分析.86.1 SG3525芯片简介.86.2 SG3525的引脚功能.86.3 SG3525的工作原理.96.4 逻辑延时环节.127. 各模块电路原理图与器件参数.15八实验数据与处理结果.208.1 稳态时n*=f(n).208.2 稳态时TL=f(Ia).208.3 起动时n=f(t).218.4 起动时Id=f(t).22九总结.24 十参考资料.25 摘要当今，自动化控制系统已经在

2、各行各业得到了广泛的应用和发展。在电气时代的今天，电动机在工农业生产和人们日常生活中起着十分重要的作用。直流电机是最常见的一种电机，在各领域中得到广泛应用。研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。电机调速问题一直是自动化领域比较重要的问题之一。不同领域对于电机的调速性能有着不同的要求，因此，不同的调速方法有着不同的应用场合。直流调速控制作为电气传动的主流在现代化生产中起着重要作用。直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，虽然高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统已

3、逐步取代直流调速系统。然而直流拖动控制系统不仅在理论上和实践上都比较成熟，目前还在应用；而且从控制规律的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础。因此，掌握直流拖动控制系统的基本规律和控制方法是非常必要的。一般有三种调节电动机转速的方法：调节电枢供电电压U、减弱励磁磁通、改变电枢回路电阻R。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。转速、电流反馈控制的双闭环直流调速系统是静动态性能优良、

4、应用最广的直流调速系统。本文对双闭环直流PWM可逆调速系统进行了较为深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了双闭环直流PWM调速系统的模型。它主要由三部分组成，包括主电路、控制电路和电流、转速调节器电路。关键词：直流调速 双闭环 PWM实验台表面布局图电源控制屏主要为实验提供各种电源，如三相交流电源、直流励磁电源等；同时为实验提供所需的仪表，如直流电压、电流表，交流电压、电流表。屏上还设有定时器兼报警记录仪，供教师考核学生实验之用；在控制屏正面的大凹槽内，设有两根不锈钢管，可挂置实验所需挂件，凹槽底部设有12芯、10芯、4芯、3芯等插座，从这些插座提供有源挂件的电源；在控制屏两边设有单相

5、三极220V电源插座及三相四极380V电源插座，此外还设有供实验台照明用的40W日光灯。图2-1 实验台表面布局图所用模块及设备清单1.DJK01电源控制屏： 三相主电路输出、励磁电源、直流数字电压表、直流数字电流表2.DJK10挂件（用于变压器实验）： 三相不可控整流桥（由六只二极管组成桥式整 流，最大电流为3A） 3.DJK08挂件： 可调电容、可调电阻4.DJK17挂件(双闭环H桥DC/DC变换直流调速)：给定电压+15V-15V、ASR速度调节器、ACR电流调节器、SFR转速反馈调节、 CFR电流反馈调节、PWM发生器SG3525、死区延时电路、光电耦合器、主电路模块5. DJ15直流

6、电动机、直流发电机及转速输出模块系统结构原理图及动态框图4.1 系统结构原理图4.2 系统动态框图为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别引入转速负反馈和电流负反馈以调节转速和电流，二者之间实行串级连接，如图3-1所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外面，称作外环。这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI调节器。图4-2 系统动态框图PWM变换器工作原理脉宽调制器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒

7、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，从而平均输出电压的大小，以调节电机转速。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)电路，如图5-2所示，电动机M两端的电压UAB的极性随IGBT的开关状态改变。可逆PWM变换器的控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，在此仅分析最常用的双极式控制的可逆PWM变换器。 双极式控制可逆PWM变换器的四个驱动电压波形如图5-3所示。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

8、形如图2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 （5-1）如果定义占空比，电压系数则在双极式可逆变换器中 （5-2）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

9、微震电流，从而消除了正、反向时静摩擦死区。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。双极式控制方式的不足之处是：在工作过程中，四个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥壁直通的事故。为了防止直通，在上、下桥壁的驱动脉冲之间应设置逻辑延时。图5-1 桥式可逆PWM变换器电路图5-2 双极式控制可逆PWM变换器的驱动电压、输出电压和电流波形SG3525芯片简介及电路分析6.1 SG3525芯片介绍 随着

10、电能变换技术的发展，功率MOSFET在开关变换器中开始广泛使用，为此美国硅通用半导体公司(Silicon General)推出SG3525。SG3525是用于驱动N沟道功率MOSFET。其产品一推出就受到广泛好评。SG3525系列PWM控制器分军品、工业品、民品三个等级。下面我们对SG3525特点、引脚功能、工作原理以及典型应用进行介绍。SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环系统，

11、因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。6.2 SG3525的引脚功能：图6-1 SG3525引脚 (1) Lnv.input(引脚1)：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端(引脚9)相连，可构成跟随器。 (2) Noninv.input(引脚2)：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端(引脚9)之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。 (3) Sync(引脚3)：振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同

12、步脉冲信号可实现与外电路同步。 (4) OSC.Output(引脚4)：振荡器输出端。 (5) CT(引脚5)：振荡器定时电容接入端。 (6) RT(引脚6)：振荡器定时电阻接入端。 (7) Discharge(引脚7)：振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。 (8) SoftStart(引脚8)：软启动电容接入端。该端通常接一只5的软启动电容。 (9) Compensation(引脚9)：PWM比较器补偿信号输入端。在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。 (10) Shutdown(引脚10)：外部关断信号输入端。该端接高

13、电平时控制器输出被禁止。该端可与保护电路相连，以实现故障保护。 (11) OutputA(引脚11)：输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。 (12) Ground(引脚12)：信号地。 (13) Vc(引脚13)：输出级偏置电压接入端。(14) OutputB(引脚14)：输出端B。引脚14和引脚11是两路互补输出端。 (15) Vcc(引脚15)：偏置电源接入端。(16) Vref(引脚16)：基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。6.3 SG3525的工作原理：SG3525内置了5.1V精密基准电源，微调至1.0%，在误差放大器共模输入电压范围内，无须外接分压电阻

14、。SG3525还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。在CT引脚和Discharge引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。由于SG3525内部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容。SG3525的软启动接入端(引脚8)上通常接一个软启动电容。上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平。此时，PWM锁存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时，SG3525才开

15、始工作。由于实际中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上。当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM比较器输出为正的时间变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态。反之亦然。图6-2 SG3525内部结构图外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。当Shut down(引脚10)上的信号为高电平时，PWM锁存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。注意，Shut down引脚不能悬空，应通过

16、接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作。 欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。如果输入电压过低，在SG3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。此外，SG3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWM脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM锁存器才被复位。SG3525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。其内部包含精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器等,并含有欠压锁定电路,闭锁控制电路和软起动电路。采用集成芯片产生PWM 信号进行控制具有线路较为简单，易于控制，无需编程等特点，是目前PWM常

17、用的方法。美国硅通公司的SG3525是性能优良，功能齐全，通用性强的单片集成PWM 控制器。脉宽调制信号由SG3525产生。如图6-2所示： 主要由以下部分组成： (1) 基准电压调整器。基准电压调整器输出电压为5.1 V，且有短路保护。它供给所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。(2) 振荡器。振荡器的振荡回路由电阻和电容元件构成，改变充电电容的大小即可改变锯齿波的频率，即振荡器的振荡频率。此电路中，RS放电电阻较小，所以形成的锯齿波波形后沿较陡。(3) 误差放大器及补偿输入误差放大器是差动输入的放大器，本电路在补偿端9引入幅值可调的ACR的输出信号。(4) 锁存器。锁存器接收比较器的

18、输出信号，它有关闭电路和振荡器输出时间脉冲复位。这样，当关闭电路动作， 即使过流信号立即消失，锁存器也可维持一个周期的关闭控制，直到下一个周期时钟信号使锁存器复位为止。另外，由于PWM锁存器将比较器来的置位信号锁存，消除了系统所有的跳动和振荡信号。只有在下一个时钟周期才能重新复位.有利于提高可靠性，经过锁存器的输出为PWM。 (5) 输出11, 12及14端连结在一起，由13端输出信号，这样就保证了13端的输出与锁存器的输出一致。振荡器产生近似的锯齿波，锯齿波的频率由和振荡器相连接的外接的电阻电容决定，同时对应于锯齿波的下降沿产生一时钟脉冲CP；在时钟脉冲CP的作用下，分相器（T触发器）的两输

19、出端产生两相位相反的方波信号，其频率是锯齿波频率的一半；误差放大器是差动输入放大器，同相输入端端2接给定电压，闭环控制制时反向输入端1接反馈电压，端9和端1之间接入适当的反馈网络构成调节器可满足系统动静特性的要求；外加于端9的信号和误差放大器的输出叠加于比较器的一反向输入端，比较器的同相输入端加振荡器产生的锯波信号，这样比较器的输出端产生PWM 信号，改变外加于端9 的信号或来自于端2的反馈信号或端1的给定信号均可改变PWM 信号的占空比；内部PWM 锁存器可以使关闭更可靠；两个输出级结构是一样的，门电路输出上侧为或非门，下侧为或门，门电路的输入A端，C端和D端所加的信号是一样的，分别是欠压锁

20、定输出，时钟脉冲CP 和来自锁存器的PWM信号，分相器的两输出端分别加到两输出级的门电路B 端，由于分相器输出两相位相反的方波。因此芯片两对外输出端输出的是两波形一样而相位相差180°的PWM信号，而且频率是比较器产生的PWM信号的一半。此外，集成电路SG3525还有欠压锁定电路、闭锁控制电路和软起动电路。6.4 逻辑延时环节主电路功率开关管的控制所需要信号是对角上两管控制信号相同，而同一桥臂上的控制信号相反。这样主电路需要两路互为反向的控制信号。SG3525的13端的输出信号作为一路信号，其经过一反向器后作为另一路信号即可满足所需。虽然目前的工艺水平可以使电力电子半导体开关器件开关

21、频率做得很高，但其导通和关断仍会占用一极短的时间，控制信号消失的瞬间并不意味着功率开关管就真正关断。假如一功率开关管的控制信号刚消失的同时给同一桥臂另一功率开关管加控制信号很可能造成同一桥臂的两管子同时导通而形成对电源短路。为了避免这种情况发生，设置了逻辑延时环节。逻辑延时环节的二极管使低电平信号或说负信号照样通过R和C延迟高电平信号向后传送的时间。这样就可以保证一功率开关管可靠关断后再给与其同一桥臂上的功率开关管加高电平信号，避免其同时导通。电路连接图见图6-3所示：图6-3 SG3525控制及延时电路6.5 隔离及驱动电路驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是电力电子装置的重要环

22、节，对整个装置的性能又很大的影响。采用性能良好的驱动电路，可使电力电子器件工作在较理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗，对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。另外，对电力电子器件或整个装置的一些保护措施也往往就近设在驱动电路中，或者通过驱动电路来实现，这使得驱动电路的设计更为重要。 驱动电路是将控制电路产生的PWM信号加以隔离、放大，形成驱动主电路中各开关器件的驱动信号。在本脉宽调速装置中主电路是强电，控制电路属弱电，控制电路对主电路进行控制时就需要隔离环节，SG3525产生的PWM信号较小，不能直接驱动大功率的开关管，所以要加上驱动环节，在这里将重点介绍下典型全控型器件中的电压

23、型驱动电路MOSFET和IGBT。电力MOSFET的驱动电路：电力MOSFET和IGBT都属于电压驱动型器件，电力MOSFET的栅源极之间和IGBT的栅射极之间都有数千皮法的左右的极间电容，为快速建立驱动电压，要求驱动电路具有较小的输出电阻，使MOSFET开通的栅源极间驱动电压一般取1015V，使IGBT开通的驱动电压一般1520V。同样，关断时施加一定幅值的负驱动电压（一般取-5-15V）有利于减小关断时间和关断损耗。在栅极串入一只低值电阻（数十欧左右）可以减小寄生振荡，该电阻阻值应随被驱动器件电流额定值的增大而减小。在本设计中，直流脉宽调速系统所用的隔离及驱动电路是电力MOSFET的一种驱

24、动电路，如图6-4所示：图6-4 电力MOSFET的驱动电路 图6-4给出的这种电力MOSFET的驱动电路，它也包括电气隔离和晶体管放大电路两部分。当无输入信号时高速放大器A输出负电平，V3导通输出负驱动电压。当有输入信号时A输出正电平，V2导通输出正驱动电压。电力MOSFET是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的第一个显著特点是驱动电路简单，需要的驱动功率小。其第二个显著特点是开关速度快，工作频率高。另外，电力MOSFET的热稳定性优于GTR，但是电力MOSFET电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kw的电力电子装置。此外，专为驱动电力MOSFET而设计的混合集成电路有三菱公司的M

25、57918L，其输入信号电流幅值为16mA，输出最大脉冲电流为+2A和-3A，输出驱动电压+15V和-10V。 IGBT的驱动多采用专用的混合集成驱动器，常用的有三菱公司的M579系列（如M57962L和M57959L）和富士公司的EXB系列（如EXB840、EXB841、EXB850和EXB851）。同一系列的不同型号其引脚和接线基本相同，只是适用被驱动器件的容量和开关频率以及输入电流幅值等参数有所不同。各模块电路原理图与器件参数7.1 主电路电源输出原理图图7-1 主电路电源输出原理图7.2 主电路原理图图7-2 主电路原理图7.3 PWM控制电路原理图图7-3 PWM控制电路原理图7.4

26、 过电流保护电路图7-4 过电流保护电路7.5 给定电压电路图7-5 给定电压电路7.6 速度调节器电路图7-6 速度调节器电路7.7 转速反馈调节电路图7-7 转速反馈电路7.8 电流调节器电路图7-8 电流调节器电路7.9 电流反馈调节电路图7.9 电流反馈调节电路7.10 主要器件参数1.IGBT管的参数 IGBT（Insulated Gate Bipolor Transistor）叫做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。设计中选的IGBT管的型号是IR

27、GPC50U，其参数如下： 管子类型：NMOS场效应管 极限电压Vm：600V 极限电流Im：27A 耗散功率P：200 W 额定电压U：220V 额定电流I：1.2A2. 泵升电路滤波电容参数：330uF/450V3.整流二极管的参数 根据二极管的最大整流平均电流IF和最高反向工作电压UR分别应满足： IF>1.1*IO（AV）/2=1.1*136/2=74.8A UR>1.1*1.414*U2=340.2V 选用型号为ZP100的大功率硅整流二极管，其参数如下： 额定正向平均电流IF（A）：100 额定反向峰值电压URM（V）：1001600 正向平均压降UF（V）：0.50.

28、7 反向平均漏电流IR（mA ）：6 实验数据与处理结果8.1 稳态时转速与给定转速的关系n*=f(n)Un*/V46.798.59.9812n*/(r/min)533905113313301600n/(r/min)430800100012501550图8-1 n*=f(n)表格图8-2 n*=f(n)折线图8.2 稳态时负载转矩与电枢电流的关系TL=f(Ia)IL/A0.20.290.40.50.6Ia/A0.410.50.60.750.9TL/N.M0.05920.085840.11840.1480.1776图8-3 TL=f(Ia)表格图8-4 TL=f(Ia)折线图8.3 起动时n=f(t)突加给定起动时，直流电动机转速随时间变化的波形（500mV，500ms）如图（额定转速为1600r/min）所示： 8.4 起动时Id=f(t)突加给定起动时，直流电动机电流随时间变化的波形（2V，500ms）如图（额定转速为1600r/min）所示： 总结 在三周的实训中，我收获颇多，学会了如何独立思考问题与解决问题，提高了自己的动手能力和把理论知识与实践操作相结合的能力，也体会到了责任与团队的意义。我将对我们组遇到的问题进行重点总结。第一次面对运动控制系统的实验台，面对各种挂件，真的不知