直流脉宽(PWM)调速系统设计与研究——调节器设计

1、沈阳理工大学课程设计论文摘 要本课题是对直流脉宽调速系统设计的研究，主要是实现电机的调速。因此在本次设计中对直流调速的原理直流调速控制方式以及调速的特性、PWM基本原理及实现方式进行了全方面阐述。此次课题需要以电力电子学和电机调速技术为基础，为了得到较好的动静态性能，该控制系统采用了双闭环控制，同时速度调节器和电流调节器都选用PI调节器。为了得到理想的效果，设计的调速系统采用桥式电路作为主电路，采用ASR与ACR作为调节器，触发电路以集成PWM控制器SG3525为核心,保护电路以过流保护为主。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

2、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，广泛应用于各个领域范围。关键词：ASR；ACR；调速系统；直流调速器I目 录1 绪论1 1.1 设计背景. 11.2 直流调速系统的方案设计11.2.1 设计已知参数11.2.2 设计指标11.3 选择PWM控制系统的理由22 调节器设计32.1 转速、电流双闭环设计32.2 电流调节器设计42.2.1 确定时间常数42.2.2

3、选择电流调节其结构42.2.3 计算电流调节其参数52.2.4 校验近似条件52.2.5 计算调节其电阻和电容52.3 转速调节器设计62.3.1 确定时间常数62.3.2 选择转速调节器结构62.3.3 计算转速调节其参数62.3.4 检验近似条件72.3.5 计算调节器电阻和电容72.3.6 校核转速超调量73 主电路设计93.1 主电路原理93.2 主电路结构设计93.3 主电路参数计算104 控制电路设计124.1 主要原理124.2 SG3525A内部结构和工作特性125 保护电路设计155.1 过电流保护155.2 过电压保护156 系统调试166.1 实验结果166.1.1 开环

4、机械特性测试166.1.2 闭环系统调试及闭环静特性测定186.1.3 系统参数测定196.2 实验测试波形图216.2.1 PWM控制器SG3525性能测试216.2.2 控制电路的测试236.2.3 系统动态波形的观察24总 结25参考文献261 绪论1.1 设计背景在现代科学技术革命过程中，20世纪末以交流调速为主导方向调速系统日趋完善，其性能可与直流调速系统相媲美，她的控制技术已居于世界先进水平。但由于造价较高，目前在国内应用局限性较大，在较短的时间内难以取代较为落后的直流调速。相对而言，PWM调速系统的出现，弥补了这个空白。PWM调速系统主电路线路简单，功率元件少，开关频率高，其控制

5、水平从1kHz可到达4kHz，电机电流连续，低速性能好，谐波少，稳态精度高，脉动小，损耗和发热都较小，调速范围快，调速系统频带宽，快速响应好，动态抗扰能力强。转速、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。我们知道反馈闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。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。

6、1.2 直流调速系统的方案设计1.2.1 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1.2.2 设计指标1、D，稳态时无静差。2、稳态转速n=1500r/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 选择PWM控制系统的理由SG3525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。PWM系统在很多方面具有较大的优越性 ：1、PWM调速系统主电路线路简单，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

7、耗及发热都较小。3、低速性能好，稳速精度高，调速范围广，可达到1：10000左右。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。变频调速很快为广大电动机用户所接受，成为了一种最受欢迎的调速方法，在一些中小容量的动态高性能系统中更是已经完全取代了其他调速方式。由此可见，变频调速是非常值得自动化工作者去研究的。在变频调速方式中，PWM调速方式尤为大家所重视，这是我们选取它作为研究对象的重要原因。2 调节器设计2.1 转速、电流双闭环设计图2.1 双闭环直流调速控制系统原理图 图2.1中，将转速调节器和电流调节器二者之间实行串级连接。把速度调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调

8、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；转速环在外边，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，转速和电流调节器一般选择PI调节器。 在双闭环直流调速系统的稳态结构图中，转速调节器ASR的输出限幅值决定了电流给定的最大值，电流给定的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。分析系统静特性的关键是掌握PI调节器的特征，PI调节器一般存在两种状况：饱和-输出达到限幅值，不饱和-输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退饱和，此时相当于调节环开环。当调节器不饱

9、和时，PI调节器的作用是使输入偏差电压始终为零。2.2 电流调节器设计2.2.1 确定时间常数 整流装置滞后时间常数，查表得三相桥式电路平均失控时间电流滤波时间常数。三相桥式电路每个波头的时间是，为了基本滤平波头应有，则。电流小时间常数：按小时间常数近似处理： (2-1) 2.2.2 选择电流调节其结构根据设计要求，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的，因此可用PI型电流调节器，其传递函数为： （2-2）检查对电源电压的抗扰性能： （2-3）如图1.1为电流调节器结构图 图2.1 电流调节器的结构图2.2.3 计算电流调节其参数电流调节器超前时间常数：

10、=0.0065s取电流反馈系数： （2-4）电流环开环增益：要求时，由表可得，取，因此 （2-5）于是，ACR的比例系数为： （2-6）2.2.4 校验近似条件 电流环截止频率：晶闸管整流装置传递函数的近似条件：，满足近似条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：，满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件：，满足近似条件。2.2.5 计算调节其电阻和电容按所用运算放大器取，各电阻和电容值为：，取； （2-7）,取； （2-8）,取。 （2-9）2.3 转速调节器设计2.3.1 确定时间常数电流环等效时间常数： （2-10）转速滤波时间常数：转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，取 （2

11、-11）2.3.2 选择转速调节器结构按设计要求，选用PI调节器，其传递函数为： （2-12）2.3.3 计算转速调节其参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为： （2-13）转速开环增益为： （2-14）电压反馈系数 （2-15）ASR的比例系数为： （2-16）如图1.3所示为转速调节器的结构图图2.3 转速调节器结构图2.3.4 检验近似条件转速环截止频率为： （2-17）电流环传递函数简化条件为：转速环小时间常数近似处理条件为：2.3.5 计算调节器电阻和电容按所用运算放大器取，则，取； （2-18），取； （2-19），取。 （2-20）2.3.6 校核转

12、速超调量按退饱和超调量的计算方法计算调速系统空载启动到额定转速时的转速超调量：当时,; （2-21）（2-22）3 主电路设计3.1 主电路原理直流脉宽调速系统采用双闭环调速系统，如图2.1所示。其中具有转速环，称为外环，还有就是电流环，这里称为内环，外环由测速机采集信号经过反馈系数得到电压信号反馈给ASR，内环我们这里采用直流PWM控制系统相结合，其中脉宽调速系统由调制波发生器GM、脉宽调制器UPM、逻辑延时环节DLD以及绝缘栅双极性晶体管的GD和脉宽调制变换器组成。直流PWM控制系统是直流脉宽调制式调速系统控制系统，与晶闸管直流调速系统的区别在于用直流PWM变换器取代了晶闸管交流装置，作为

13、系统的功率驱动器。脉宽调制器是有一个运算放大器和几个输入信号构成电压比较器。运算放大器工作在开环状态，在电流调节器输出的控制信号的控制下，产生一个等幅、宽度受Uc控制的方波脉冲序列，为PWM提供所需要的脉冲信号。逻辑延时环节DLD保证在一个管子发出关断脉冲时，经延时后再发出对另一个管子的开通脉冲，在延时环节中引入瞬时动作限流保护FA信号，一旦桥臂电流超过允许最大电流值时，使工作管子同时封锁，以保护电力晶体管。3.2 主电路结构设计图3.1 直流PWM传动系统结构图图3.2 直流脉宽调速系统主电路图3.3 主电路参数计算 设电网波动系数a,采用的直流斩波得到的PWM波的最大占空比为b，三相不控整

14、流桥电压系数为c，直流斩波器输入电压为，二次相电压有效值,二次相电流有效值，变压器功率P；电机过载倍数，电机电动势系数，电动机额定电压电机额定电流,额定转速,电枢电阻，整流主装置内阻，则有：1、电动机的电动系数： （3-1） 2、考虑电网波动系数（-10%+5%）因此保证电网电压最低时还能正常供电故应考虑其最低值故取电网电压波动系数a=0.9。3、直流斩波的最大占空比b=0.94、三相不控整流桥电压系数c=2.34，因此代入数据即可得：即可得取V因此直流斩波器输入电压，考虑励磁电流此时取：变压器件额定容量 （3-2）4 控制电路设计4.1 主要原理集成脉宽调制控制器SG3525是控制电路的核心

15、，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 的驱动信号。4.2 SG3525A内部结构和工作特性图4.1 SG3525A引脚SG3525 采用16 端双列直插DIP 封装，各端子功能介绍如下:1 脚:INV. INPUT(反相输入端):误差放大器的反相输入端，该误差放大器的增益标称值为80db，其大小由反馈或输出负载来决定，输出负载可以是纯电阻，也可以是电阻性元件和电容元件的组合。该误差放大器共模输入电压范围是1. 5V-5. 2V。此端通常接到与电源输出电压相连接的电阻分压器上。负反馈控制时，将电源输出电压分压后

16、与基准电压相比较。2 脚:NI. INPUT (同相输入端):此端通常接到基准电压16 脚的分压电阻上，取得2.5V 的基准比较电压与INV. INPUT 端的取样电压相比较。3 脚:SYNC(同步端):为外同步用。需要多个芯片同步工作时，每个芯片有各自的震荡频率，可以分别他们的4 脚和3 脚相连，这时所有芯片的工作频率以最快的芯片工作频率同步。也可以使单个芯片以外部时钟频率工作。4 脚:OSC. OUTPUT(同步输出端):同步脉冲输出。作为多个芯片同步工作时使用。但几个芯片的工作频率不能相差太大，同步脉冲频率应比震荡频率低一些。如不需多个芯片同步工作时，3脚和4脚悬空。4脚输出频率为输出脉

17、冲频率的2倍。输出锯齿波电压范围为0.6V到3.5V.5 脚:Cr(震荡电容端):震荡电容一端接至5脚，另一端直接接至地端。其取值范围为0.001,uF到0.1uF。正常工作时，在Cr两端可以得到一个从0.6V到3.5V变化的锯齿波。6 脚:Rr(震荡电阻端):震荡电阻一端接至6脚，另一端直接接至地端。Rr的阻值决定了内部恒流值对Cr充电。其取值范围为2K到150K，Rr和Cr越大充电时间越长，反之则充电时间短。7 脚:DISCHATGE RD(放电端):Cr的放电由5，7两端的死区电阻决定。把充电和放电回路分开，有利与通过死区电阻来调节死区时间，使死区时间调节范围更宽。其取值范围为0欧到50

18、0欧。放电电阻RD 和CT 越大放电时间越长，反之则放电时间短。8 脚:SOFTSTATR(软启动):比较器的反相端即软启动器控制端8,端8可外接软启动电容，该电容由内部Vf的50uA恒流源充电。9 脚:COMPENSATION(补偿端):在误差放大器输出端9脚与误差放大器反相输入端1脚间接电阻与电容，构成PI调节器，补偿系统的幅频、相频响应特性。补偿端工作电压范围为1.5V 到5.2V.10 脚:SHUTDOWN(关断端):10端为PWM 锁存器的一个输入端，一般在10端接入过流检测信号。过流检测信号维持时间长时，软起动端8 接的电容C:将被放电。电路正常工作时，该端呈高电平，其电位高于锯齿

19、波的峰值电位。在电路异常时，只要脚10电压大于0. 7V，三极管导通，反相端的电压将低于锯齿波的谷底电压(0.9V)，使得输出PWM信号关闭，起到保护作用.11 脚:OUTPUT A,14 脚: OUTPUT B(脉冲输出端):输出末级采用推挽输出电路，驱动场效应功率管时关断速度更快.11脚和14脚相位相差1800，拉电流和灌电流峰值达200mA。由于存在开闭滞后，使输出和吸收之间出现重迭导通。在重迭处有一个电流尖脉冲，起持续时间约为l00ns。可以在V<处接一个约0.luf 的电容滤去电压尖峰。12 脚:GROUND(接地端):该芯片上的所有电压都是相对于GROUND 而言，即是功率地

20、也是信号地。在实验电路中，由于接入误差放大器反向输入端的反馈电压也是相对与12脚而言，所以主回路和控制回路的接地端应相连。13 脚:VC(推挽输出电路电压输入端):作为推挽输出级的电压源，提高输出级输出功率。可以和15 脚共用一个电源，也可用更高电压的电源。电压范围是1.8V-3.4V.15 脚:+VIN(芯片电源端):直流电源从15 脚引入分为两路:一路作为内部逻辑和模拟电路的工作电压;另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生5.1 士1%V 的内部基准电压。如果该脚电压低于门限电压(Turn-off: 8V)，该芯片内部电路锁定，停止工作基准源及必要电路除外)使之消耗的电流降至很小(约2mA

21、).另外，该脚电压最大不能超过35V.使用中应该用电容直接旁路到GROUND 端。16 脚:VREF(基准电压端):基准电压端16脚的电压由内部控制在5.1 V 土1%。可以分压后作为误差放大器的参考电压。275 保护电路设计5.1 过电流保护由于过载、直流侧短路、逆变失败、环流和交流侧短路等原因会引起系统过流而损坏可控硅。系统采用了三种过流保护措施：1、电流调节器限流，电流整定值为250A;2、过流保护环节，整定值为350A;3、快速熔断器。图5.1 过流保护环节5.2 过电压保护开关稳压器的过电压保护包括输入过电压保护和输出过电压保护。开关稳压器所使用的未稳压直流电源诸如蓄电池和整流器的电

22、压如果过高,使开关稳压器不能正常工作,甚至损坏内部器件,因此,有必要使用输入过电压保护电路。用晶体管和继电器所组成的保护电路如图5.2所示。图5.2 输入过电压保护6 系统调试6.1 实验结果6.1.1 开环机械特性测试把电机、直流电源，接入系统，电动机、发电机加额定励磁。缓慢增加给定电压Ug,使电机升速,调节给定电压Ug和负载Rg使电动机的电枢电流Id=1.1A,转速达到1400r/min。在测试过程中逐步增大负载电阻Rg的阻值（即减小负载）就可测出该系统的开环外特性n=f（I2），将其记入下面的表格：表6.1 开环机械特性(n=1400r/min)n(r/min)1400131312771

23、269125812541248I(A)0.10.350.550.60.650.70.75表6.2 开环机械特性(n=1000r/min)n(r/min)1000923901882875857843I(A)0.150.350.40.50.550.650.75表6.3 开环机械特性(n=500r/min)n(r/min)500460450437416401379I(A)0.10.20.250.250.350.40.5 图6.1 开环机械特性曲线 然后将电机反转，增加给定Ug（负给定）使电机反向升速，调节给定电压Ug和负载Rg使电动机的电枢电流Id=1.1A,转速分别达到-1400r/min、-10

24、00r/min、-500r/min。在测试过程中逐步增大负载电阻Rg的阻值（即减小负载）就可测出该系统的开环外特性n=f（I2），将其记入下面的表格：表6.4 开环机械特性(n=-1400r/min)n(r/min)-1400-1314-1277-1268-1259-1253I(A)-0.1-0.35-0.55-0.6-0.65-0.7表6.5 开环机械特性(n=-1000r/min)n(r/min)-1000-924-900-882-876-858-844I(A)-0.15-0.35-0.4-0.5-0.55-0.65-0.75表6.6 开环机械特性(n=-500r/min)n(r/min)

25、-500-460-450-437-416-401-379I(A)-0.1-0.2-0.25-0.25-0.35-0.4-0.5图6.2 开环机械特性曲线6.1.2 闭环系统调试及闭环静特性测定直流电压输入为3V的情况下，发电机输出首先空载，从零开始逐渐调大给定电压Ug，使电动机转速接近1500r/min，然后在发电机的电枢绕组接入负载电阻Rg，逐渐增大电动机负载（即减小负载的电阻值），直至电动机的电枢电流Id=1.1A，即可测出系统静态特性，测定n=f（Id）并记录于下表中：表6.7 闭环机械特性(n=1500r/min)n(r/min)1500150015001500150015001500

26、I(A)0.110.40.430.450.50.550.6表6.8 闭环机械特性(n=-1500r/min)n(r/min)-1506-1500-1500-1500-1499-1496-1500I(A)-0.1-0.4-0.43-0.55-0.6-0.65-0.63表6.9 闭环控制特性n(r/min)28338750670899212001395Ug(A)0.440.560.741.021.391.671.91图6.3 闭环控制特性6.1.3 系统参数测定 主电路电阻R及电机的电枢电阻Ra，平波电抗器的直流电阻Rl和整流装置的内阻Rn。首先测出主电路电阻R，然后将Ra短路，测出Rl和Rn总和

27、，用R-（Rl+Rn）即可得出电阻Ra的值，接着将电阻Rl短路，测出Rn和Ra之和，用R-（Rn+Ra)即可得出Rl的值，最后用R-Rl-Ra即可得出Rn的值表6.10 测定总电阻RI A0.90.45U v6483可得R=U/I=（83-64）/（0.9-0.45）=42.23将电枢电阻Ra短路表6.11 测得其他电阻I A0.90.45U v7483可得Ra=R-U/I=42.23-(83-74)/(0.9-0.45)=22.23将直流电阻Rl短路,表6.12 测得其他电阻I A0.90.45U v6073可得Rl=R-U/I=42.23-(73-60)/(0.9-0.45)=13.33最

28、后得出整流装置的内阻Rn=42.23-22.23-13.33=6.671、电动机电势常熟Ce和转矩常数Cm的测定将电动机加额定励磁，使之空载运行，改变电枢电压Ud，测得相应的n,即可由下式算出CeCe=Ke&=（Ud2-Ud1)/(n2-n1)Ce的单位为V/（r/min)表 6.13n r/min14001300Ud v195182可得出Ce=（195-182）/（1400-1300）=0.13V/(r/min)转矩常数Cm的单位为N.m/A,可又Ce求出Cm=9.55Ce即Cm=9.55Ce=1.24N.m/A2、整流装置特性Ud=f(Uct)表6.14 Ud V2.033.235

29、.096.597.848.77Uct V0.670.981.471.872.22.453、测速发电机特性Utg=f(n)表6.15n r/min19741773396611501320Utg V1.452.894.966.57.688.794、主电路电磁时常数Tc通过实验数据测出，Tc=10ms6.2 实验测试波形图6.2.1 PWM控制器SG3525性能测试 分别连接“3”和“5”，“4”和“6”，“7”和“27”，“31”和“22”，“32”和“23”，然后打开面板右下角的电源开关。1、用示波器观察“25”端的电压波形，记录波形的周期，幅度（包括S1开关拨向“通”和“断”两种情况）图6.4 脉宽控制器三角波2、S5开关打向0V，用示波器观察“30”端电压波形，调节RP2电位器，使方波的占空比为50%。S5开关打向“给定”分别调节RP3,RP4，记录“30”端输出波形的最大占空比和最小占空比（分别记录S2打向“通”和“断”两种情况）实验结果如下图所示：图6.5 逻辑延时矩形波占空比50%图6.6 占空比90%图6.7 占空比10%6.2.2 控制电路的测试1、逻辑延时时间的测试S5开关打向“OV”，用示波器观察“33”和“34”端的输出波形图6.8 逻辑延时时间测试2、同一桥臂