H桥可逆直流调速系统设计与实验

1、CDIO课程项目研究报告项目名称：H桥可逆直流调速系统设计与实验姓名；指导老师：日期：摘要本设计的题目是基于SG3525的双闭环直流电机调速系统的设计。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，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。如果对系统的动态性能要求较高，则单闭环系统就难以满足需要。而转速、电流双闭环直流调节系统采用P

2、I调节器可以获得无静差；构成的滞后校正，可以保证稳态精度；虽快速性的限制来换取系统稳定的，但是电路较简单。所以双闭环直流调速是性能很好、应用最广的直流调速系统。本设计选用了转速、电流双闭环调速控制电路，本课题内容重点包括调速控制器的原理，并且根据原理对转速调节器和电流调节器进行了详细地设计。概括了整个电路的动静态性能，最后将整个控制器的电路图设计完成,并且进行仿真。关键词：双闭环直流可逆调速系统、H桥驱动电路、SG3525信号产生电路、PI调节器、MATLAB仿真前言随着交流调速的迅速发展，交流调速技术越趋成熟，但是直流电动机调速系统以其优良的调速性能仍有广阔的市场，并且建立在反馈控制理论基础

3、上的直流调速原理也是交流调速控制的基础。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差。但如果对系统的动态性能要求较高，如要求快速起制动、突加负载动态速降时，单闭环系统就难以满足。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程中的电流或转矩。在单闭环系统中，只有电流截至负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想的控制电流的动态波形。实际工作中，在电机最大电流受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，最好是在过渡过程中始终保持电流转矩为允许最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动

4、，到达稳定转速后，又让电流立即降下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行。实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突跳，为了实现在允许条件下最快启动，关键是要获得一段使电流保持为最大值的恒流过程，按照反馈控制规律，电流负反馈就能得到近似的恒流过程。问题是希望在启动过程中只有电流负反馈，而不能让它和转速负反馈同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，又希望只要转速负反馈，不要电流负反馈发挥主作用，因此需采用双闭环直流调速系统。这样就能做到既存在转速和电流两种负反馈作用又能使它们作用在不同的阶段。项目预期成果：设计一个双闭环可逆直流无静差调速系统，其稳态性能指标实现要求如下：电流超调量S5%

5、调速范围 D=20；其动态性能指标：转速超调量n=10%；调整时间时间ts=2s；电流超调量i5% 。项目分工: 统筹安排： 王越 参数计算： 黄锐 系统仿真：夏俊雄 电路焊接： 金睿琦 项目报告：李阳，赵博 PPT制作： 梁洁涵，彭文松一 调速控制系统设计1.1转速、电流双闭环调速系统的组成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+-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd+-R0R0RnCnASR

6、ACRLMGTVRP1UnU*iLM-MTGUPE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，达到设计要求图1.双闭环直流调速系统的结构框图从闭环结构上看，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、电流双闭环调速系统。为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器都采用PI调节器。1.2稳态结构图和静特性为了分析双闭环调速系统的静特性，绘出了它的稳态结构图，如图2所示。分析静特性的关键是掌握这样的PI调节器的稳态特征。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，

7、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出饱和； 图2 双闭环调速系统稳态结构图a转速反馈系数; b 电流反馈系数这种PI调节器的稳态特征，一般存在两种状况：饱和和不饱和。输出如果达到限幅值就是饱和，输出如果没有达到限幅值就是不饱和。当输出为恒值，输入量的变化不会再影响输出时，调节器处于饱和状态。当PI的作用使输入偏差电压在稳态时总是等于零时，调节器处于不饱和状态。双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时，转速负反馈起主要调节作用，此时，系统表现为转速无静差。当转速调节器处于饱和输出时，负载电流达到最大电流，电流调节器起主要调节作用，此时，系统表现为电流无静差。这就是采用了

8、两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环系统静特性要好得多。实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。1）转速调节器不饱和得到图3静特性的段。2）转速调节器饱和静特性是图3中的A-B段。这样的下垂特性只适合于n<的情况。因为如果 ，则，ASR将退出饱和状态图3双闭环调速系统的静特性这样的静特性显然比带电流至负反馈的单闭环系统静特性好。然而实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，静特性的两段实际上都略有很小的静差。1.2.1稳态参数计算转速反馈系数： （14）电流反馈系数

9、： （15）两个给定电压的最大值和是受运算放大器的允许输入电压限制的。1.3双闭环脉宽调速系统的动态性能1.3.1动态数学模型图4双闭环直流调速系统的动态结构框图1.3.3 动态性能和两个调节器的作用1）动态跟随性能2）动态抗扰性能1抗负载扰动2.电网电压扰动和负载扰动图6脉宽调速系统的动态抗扰性能a)单闭环脉宽调速系统b)双闭环脉宽调速系统3）两个调节器的作用1.转速调节器的作用（1）使转速n跟随给定电压变化，稳态无静差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅值决定允许的最大电流。2.电流调节器的作用（1）对电网电压波动起及时抗扰作用。（2）起动时保证获得允许的最大电流。（3）在转速调

10、节过程中，使电流跟随其给定电压变化。（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全饱和作用。如果故障消失，系统能够自动恢复正常。1.4 调节器的选型及参数设计设计要求：电流超调量5%转速超调量 过渡时间设计已知基本参数为：直流电动机额定电压： UN=54V额定电流： IN=3.24A额定转速： nN=1450r/min电枢电阻： Ra=1.5电枢回路总电阻： R=4电枢电感： L = 2mH 转动惯量： J=0.76g.触发整流环节的允许过载倍数：=1.5电流环的设计根据设计要求电流超调量，并保证稳态电流无差，可按典型I型系统设计电流调节器。电流控制。电流环控制对象是双惯

11、性型的,所以电流调节器设计成PI型的，其传递函数为 式中 电流调节器的比例系数；电流调节器的超前时间常数a 计算电流调节器参数 b 校验近似条件满足近似条件；按照上述参数，电流环可以达到的动态跟随指标为,满足设计要求。转速调节器设计a. 选择调节器结构b. 计算转速调节器参数c. 近似校验满足近似条件。二 电源及操作系统设计2.1 H桥主电路2.2 信号产生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 ，其引脚与内部结构。如图，具有欠压锁定、过压保护和软启动等功能。 2.3 锯齿波的形成 内部存在双门限电压，均从基准电源取得，其高门限电压VH=3.9V,低门限电压VL=0

12、.9V,内部恒流源向CT充电，其端压VC线性上升，构成锯齿波的上升沿，当VC=VH时比较器动作，充电过程结束，所以上升时间t1=0.67RTCT。比较器动作时使放电电路接通，CT放电，VC下降并形成锯齿波的下降沿，当VC=VL时比较器动作，放电过程结束，完成一个工作循环，下降时间t2=1.3RDCT。因为RT>>RD,所以T1>>T2。由此可见锯齿波的上升沿远大于下降沿，所以上升沿为工作沿，下降沿为回扫沿。具体接线图：2.4 死区逻辑电路为了避免上下桥臂的同时导通，需要设置死区。通过对电容C的充放电时间常数不通，导致上下两路开关时间不通，从而产生死区。其中与门使用CD4

13、081四二输入与门。 CD4081BE芯片： 2.5 光耦隔离为了防止因有电的连接而引起的干扰，特别是低压的控制电路与外部高压电路之间。所以引入光耦隔离。光耦隔离相当于发光二极管和光敏三极管的封装。由于本实验产生两对带有死区的PWM波形，所以采用两个型号为东芝TLP521-2的光耦隔离器，如下图：单个光耦接线如图 26 驱动放大和悬浮电路 由于H桥的上桥臂和下桥臂的地并不是同一个地，所以在光耦输出后还要加上悬浮电路，同时为了驱动H桥的MOS管，还需要驱动放大。本实验采用美国IR公司产生的IR2110驱动器，他具有体积小和速度快的优点，在中小型功率变换装置中的驱动器大多选用这种芯片。内部接线图：

14、其中，H(in)和L(in)分别为高通输入和低通输入，即产生的一对带有死区的PWM波形。H(o)和L(o)分别为高通输出和低通输出，接入H桥的上下两个半桥。SD为关断引脚，本实验没用到，接地即可。2110中自举电路的原理：电路中，电容C1,C2被电源VCC充电，但由于二极管的存在，无法放电，从而在电容两端形成电势差，此电势差加到MOD管的门极和源极，从而驱动MOS管。2210接线图：三计算机仿真根据理论设计结果，构建直流双闭环调速系统的仿真模型，如下图所示额定负载启动转速波形如下图分析仿真结果，当在额定负载下起动电机，开始阶段转速迅速上升，有一定的超调后慢慢趋于稳定，稳定值为1450r/min

15、。起动过程耗时为1.32秒，小于2秒，满足要求；最高转速大约为1462r/min，转速环的超调量为0.83%，小于10%，满足要求。电流上升波形如下图所示分析上图可以看出，电机起动电流很快上升至Idm约为4A，略有超调后稳定在4A以下，从图中可以看出，电流的超调量很小，约为1.5%，小于5%，且对应电流上升至IdL前阶段转速没有上升，当电流超过IdL后转速开始上升，本环节正常。电流与转速波形分析上图可看出，在电流恒定时转速快速上升，对应到转速环饱和，相当于开环，系统成为在恒值电流给定下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，系统加速度恒定，转速呈线性增长，本阶段正常。转速调节阶段波形如下图分析

16、上图，当转速增长到额定转速后，转速环的输入减小为0，但在积分作用下，转速出现超调，超调后，ASR输入变为负值，开始推饱和，相应的电流开始下降，下降至IdL，由于参数设计积分作用的影响，电流下降阶段出现了略微震荡，稳定后保持为IdL，本阶段符合设计要求。综上仿真结果分析，本系统的参数设计与调试中，电流环和转速环的仿真均符合理论规律。通过电流内环和转速外环的反馈调节，系统能实现了自动调节，显示出了很好的稳定性，从而验证了双闭环直流调速系统的优越性。四实物制作线路接线图如下 （1）、三个大电容起滤波作用 （2）、光耦起隔离作用 （3）、滑动变阻器1调节占空比 

17、（4）、滑动变阻器2调节频率 （5）、左下角芯片为SG3525，是电流控制型PWM控制器3525芯片引脚见下图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SG3525的软启动接入端（引脚8）上通常接一个5 的软启动电容。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琐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

18、开始工作。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，PWM琐存器输出高电平的时间也变长，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。      外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。当Shutdown（引脚10）上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高

19、电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。注意，Shutdown引脚不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，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。（6）、最右端两个芯片IR2110，其主要功能为：桥驱动       IR2110引脚功能及特点简介：LO（引脚1）:低端输出    COM（引脚2）:公共端

20、0;   Vcc（引脚3）:低端固定电源电压    Nc（引脚4）: 空端   Vs（引脚5）:高端浮置电源偏移电压  VB (引脚6):高端浮置电源电压  HO（引脚7）:高端输出  Nc（引脚8）: 空端   VDD（引脚9）:逻辑电源电压五性能测试（1）3525测试1、用示波器观察即SG3525的5脚的电压波形，如下图 （三角波形式）2、用示波器观察即SG3525的13脚

21、的电压波形。如下图3、用导线将给定信号和控制PWM信号产生装置相连，调节滑动变阻器，记录输出的最大占空比(占空比=50%)的波形，如下图最小占空比(占空比=13%)的波形，如下图（2）开环特性测试开环特性测试工作原理图如下（实物图忘记拍照了）工作原理速度给定信号G，控制PWM信号产生装置UPM脉宽调制器，DLD单元把一组PWM波形分成两组互补的PWM波，用于控制俩组臂。G用以输出015V直流给定电压，UPW采用SG3525芯片和部分外围电路构成，SG3525通过改变外接电容电阻的数值，可以产生不同频率的方波信号。改变给顶端电压，可以改变的占空比，作为PWM控制器的的控制信号。GD的作用是形成四组隔离的PWM驱动脉冲；PWM为功率放大电路，直接给电动机M供电。这样通过改变给定电压就可以对电动机调速了 DLD逻辑延时单元，对PWM控制信号进行延时和整形当被驱动电路为双极式工作制时，为了避免同一相上、下两只功率管直通，需要驱动信号有死区。DLD单元即用来产生具有死区的驱动控制信号。 系统开环性能测定 给电机上电，调节可调变阻器以改变驱动的占空比，使占空比大于5 0%，以实现电机的正转，记录启动时机T=3s.正转后，继续