直流脉宽PWM调速系统设计与研究保护电路设计2文档格式.docx

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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） 

功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高。

6）直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。

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。

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＝４，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

1.2.3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（PWM）调速系统设计与研究——调节器设计【ASRACR】。

3、直流脉宽（PWM）调速系统设计与研究——触发电路设计。

4、直流脉宽（PWM）调速系统设计与研究——保护电路设计。

其中以4为主要研究内容

1.2.4现行方案的讨论与比较

直流电动机的调速方法有三种：

调节电枢供电电压U、改变电动机主磁通

、改变电枢回路电阻R。

改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。

弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。

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。

改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有三种：

旋转变流机组、静止可控整流器、直流斩波器或脉宽调制变换器。

由于旋转变流机组缺点太多，采用汞弧整流器和闸流管这样的静止变流装置来代替旋转变流机组，形成所谓的离子拖动系统。

离子拖动系统克服旋转变流机组的许多缺点，而且缩短了响应时间。

目前，采用晶闸管整流供电的直流电动机调速系统已经成为直流调速系统的主要形式。

由于以上原因，所以选择了脉宽调制变换器进行改变电枢电压的直流调速系统。

1.2.5选择IGBT的H桥型主电路的理由

IGBT的优点：

1）IGBT的开关速度高，开关损耗小。

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的通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。

4）IGBT的输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。

5）与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时可保持开关频率高的特点。

在众多PWM变换器实现方法中，又以H型PWM变换器更为多见。

这种电路具备电流连续、电动机四象限运行、无摩擦死区、低速平稳性好等优点。

本次设计以H型PWM直流控制器为主要研究对象。

1.2.6采用转速电流双闭环的理由

同开环控制系统相比，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。

由于闭环系统的这些优点因此选用闭环系统。

单闭环速度反馈调速系统，采用PI控制器时，可以保证系统稳态速度误差为零。

但是如果对系统的动态性能要求较高，如果要求快速起制动，突加负载动态速降小等，单闭环系统就难以满足要求。

在要求较高的调速系统中，一般有两个基本要求：

一是能够快速启动制动；

二是能够快速克服负载、电网等干扰。

通过分析发现，如果要求快速起动，必须使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩，即最大的恒定允许电枢电流，当电枢电流保持最大允许值时，电动机以恒加速度升速至给定转速，然后电枢电流立即降至负载电流值。

如果要求快速克服电网的干扰，必须对电枢电流进行调节。

2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。

工作工程如下：

单相220V交流电经桥式整流电路，滤波电路变成直流电压加在P、N两点间，直流斩波电路上端接P点，下端接N点，中点公共端（COM）。

若使COM端与电机电枢绕组A端相接，B端接N，可使电机正转。

若T2截止，T1周期性地通断，在T1导通的T。

时间内，形成电流回路P—T1一A—B-N，此时UAB>

0，AB>

0；

在T1截止时由于电感电流不能突变，电流AB经D2续流形成回路为A-B-D2-A，仍有UAB>

0，IAB>

0，电机工作在正转电动状态（第一象限），T1，D2构成一个Buck变换器。

若T1截止，T2周期性地通断，在T2导通的T。

时间内，形成电流回路A—T2一B_A；

在T2截止时，由于电感电流不能突变，电流AB经D1续流形成回路为A—D1一P—N—A，此时UAB>

0，lAB>

0，电机工作在正转制动状态（第二象限），T2，D1构成一个Boost变换器。

只要改变T1，T2导通时间的大小，即改变给T1，T2所加门极驱动信号脉冲的宽度，即可改变UAB和IAB的大小调控直流电动机的转速和转矩。

若使COM端与电机电枢绕组A端相接，B端接N，可使电机工作在正转电动或制动状态（I，Ⅱ象限），若使COM端与B相接而A端接N，可使电机工作在反转电动或制动状态（II，IV象限）。

正转或反转状态电机电枢绕组的连接通过状态开关进行切换。

这样仅用两个开关器件就可实现电机的四象限运行。

电机的转速经测速发电机以及FBS（转速变换器）输出到ASR（转速调节器），作为ASR的输入并和给定电压比较，组成系统的外环，ASR的输出作为ACR（电流调节器）的输入并和主电路电流反馈信号进行比较作为系统的内环。

由于电流调节器的输出接到SG3525的第2脚，R2为限流电阻，所以要求电流调节器再通过一个反号器的输出电压的极性必须为正，转速调节器的输出作为电流调节器的给定则又要求其输出电压信号为正，最后转速调节器的给定选择了负极性的可调电压。

ASR和ACR均采用PI调节器，利用电流负反馈与速度调节器输出限幅环节的作用，使系统能够快速起制动，突加负载动态速降小，具有较好的加速特性。

在这里用SN74LS14构成的反相器可以满足要求。

2.2参数设计

（1）IGBT参数

IGBT（InsulatedGateBipolorTransistor）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2-6

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：

27A

耗散功率P：

200W

额定电压U：

220V

额定电流I：

1.2A

图2.6IGBT信号及波形图

（3）缓冲电路参数

H桥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/dt>

Lc，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=10KΩ；

电容C=0.75μF。

（3）泵升电路参数

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=2000μF；

电压U=450V；

VT选取IRGPC50U型号的IGBT管；

电阻选取R=20Ω。

3.调节器设计ASR,ACR

3.1电流调节器设计

本设计因为δi%≥5%且TL/T∑I=23.98/6.7<

10。

所以按典Ⅰ系统设计,选PI调节器，

如图3.2所示，为电流调节器的结构图。

图3.2电流调节器的结构图

3.2转速调节器设计

在设计转速调节器时，可把已设计好的电流环看作是转速调节系统中的一个环节。

为此，需求出它的等效传递函数：

（3.2.1）

（3.2.2）

近似条件:

如图3.3所示，为转速调节器的结构图。

图3.3转速调节器的结构图

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1600rpm，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。

4.触发电路

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的驱动信号。

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；

图4.1系统原理图

SG3525介绍：

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，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5.1V士1%，工作电压范围很宽，为8V到35V.

图4.2控制电路图

第五章保护电路

5.1整流电路中的保护电路

本设计采用晶闸管交流过压保护电路作为整流电路中的保护电路，其电路图如下

图5.1晶闸管交流过压保护电路电路图

当电路出现过电压时，稳压管VDW导通，使晶闸管（VT1或VT2）导通，由支路中电阻消耗电能。

这种保护措施在系统出现过电压时最多工作半个周期，在一个周期结束时，晶闸管自行关断。

5.2PWM电路中的保护电路

5.2.1缓冲电路

图5.3缓冲电路

H桥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

，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

出现尖峰，为此需要串入抑流电感，即串联缓冲电路，或放大IGBT的容量。

经实验得出缓冲电路电阻R=10K

；

电容

5.3反馈及保护电路设计

5.3.1转速检测装置选择

选测速发电机永磁式ZYS231/110型，额定数据为P=23.1W，U=110V，I=0.21A，n=1900r/min。

测速反馈电位器RP2的选择考虑测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定值的20%，这样，测速发电机电枢压降对检测信号的线性度影响较小。

测速发电机工作最高电压

测速反馈电位器阻值

此时RP2所消耗的功率为

为了使电位器温度不要很高，实选瓦数应为消耗功率的一倍以上，故选RP2为4W，取2000

5.3.2电流检测单元

本系统要求电流检测不但要反映电枢电流的大小而且还要反映电流极性，所以选用霍尔电流传感器。

6.调试

6.1晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定

6.1.1实验内容

1、测定晶闸管直流调速系统主电路电阻R；

2、测定晶闸管直流调速系统主电路电磁时间常数Td；

3、测定直流电动机电势常数Ce和转矩常数CM；

4、测定晶闸管直流调速系统机电时间常数TM；

5、测定晶闸管触发及整流装置特性Ud=f（Uct）；

6、测定测速发电机特性UTG=f（n）。

6.1.2实验系统组成和工作原理

本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制回路可直接由给定电压Ug作为触发器的移相控制电压，改变Ug的大小即可改变控制角，从而获得可调的直流电压和转速，以满足实验要求。

6.1.3实验方法

1、电枢回路电阻R的测定

电枢回路总电阻R=（U2-U1）/（I1-I2）

如把电机电枢两端短接，可得RL+Rn=（U’2-U’1）/（I’1-I’2）

则电机的电枢电阻为Ra=R（RL+Rn）

同样，短接电抗器两端，也可测得电抗器直流电阻RL。

测试结果如下表：

表6.1电流和电枢电压

U（V）

64

82

I（A）

0.9

0.45

表6.2电流励磁电压

85

94

表6.3电流和内阻电压

76

90

代入以上公式计算得：

R=40Ω；

Ra=20Ω；

RL=8.9Ω；

Rn=11.1Ω

2、主电路电磁时间常数的测定

采用电流波形法测定电枢回路电磁时间常数Td，电枢回路突加给定电压时，电流id按指数规律上升

其电流变化曲线如图2.5所示。

当t=Td时，有

MCL-31的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。

合上主电路电源开关。

电机不加励磁。

调节Uct，监视电流表的读数，使电机电枢电流为（50~90）Inom。

然后保持Uct不变，突然合上主电路开关，用示波器拍摄id=f（t）的波形，由波形图上测量出当电流上升至63.2稳定值时的时间，即为电枢回路的电磁时间常数Td。

实验测试曲线图6.1：

图6.1实验测试曲线

3、电动机电势常数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Ce=Ke=（Ud2-Ud1）/（n2-n1）

转矩常数（额定磁通时）CM的单位为N.m/A，可由Ce求出CM=9.55Ce

实验测试结果如下表：

表6.4

Ud（V）

223

207

179

130

77

N（r/min）

1510

1395

1200

863

500

将实验结果代入公式计算得：

Ce=0.15；

CM=9.55Ce=1.39；

4、系统机电时间常数TM的测定

系统的机电时间常数可由下式计算

由于Tm>

>

Td，也可以近似地把系统看成是一阶惯性环节，即

当电枢突加给定电压时，转速n将按指数规律上升，当n到达63.2稳态值时，所经过的时间即为拖动系统的机电时间常数。

测试时电枢回路中附加电阻应全部切除。

MCL—31的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。

调节Uct，将电机空载起动至稳定转速1000r/min。

然后保持Uct不变，断开主电路开关，待电机完全停止后，突然合上主电路开关，给电枢加电压，用示波器拍摄过渡过程曲线，如图6.2：

图6.2过渡过程曲线

5．测速发电机特性UTG=f（n）的测定

实验线路如图6.3所示

图6.3

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UTG,n的数值若干组，即可描绘出特性曲线UTG=f（n）。

表6.5

n（r/min）

1551

1316

1230

1106

921

U（V）

6.33

5.36

5.01

4.50

3.74

6.2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。

6.2.3测试内容

测试1

1．SG3525性能测试

（1）用示波器观察“1”端（即SG3525的5脚）的电压波形，波形（2V，50μs）如图6.4为：

图6.4脉宽控制器三角波

（2）用示波器观察“2”端（即SG3525的13脚）的电压波形（10V，50μs），波形如图6.5为：

图6.5逻辑延时矩形波占空比50%

（3）用导线将“G”的“1”和“UPW”的“3”相连，分别调节正负给定，记录“2”端输出的最大占空比（占空比=50%，10V，25μs）的波形如图6.6为：

图6.6最大占空比时的波形90%

最小占空比（占空比=10%，10V，25μs）的波形如图图6.7为：

图6.7最小占空比时的波形10%

2．控制电路的测试

（1）逻辑延时时间的测试如图6.8

在上述实验的基础上，分别将正、负给定均调到零，用示波器观察“DLD”的“1”和“2”端的输出波形（10v，10μs），并记录延时时间：

图6-7逻辑延时时间测试

td=3.8μs

（2）同一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（10v，5μs），分别测量VVT1.GS和VVT2.GS以及VVT3.GS和VVT4.GS的死区时间：

如下图

图6-8死区时间波形波

tdVT1.VT2=1.6μs

tdVT3.VT4=3.6μs

（注意：

由于在学院的实验室中，只有MEL-03的三相可调电阻挂箱，而没有MEL-13的测功机挂箱，所以在下列几项实验中提到的额定负载都是由MEL-03挂箱的可调电阻串联直流发电机M03来得到的）

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1500r/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，再次调节电机转速的1500r/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6.8。

表6.6开环机械特性（n=1400r/min

1412

1390

1380

1372

1365

1362

1348

1337

0.4

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75