毕业设计（论文）直流脉宽(PWM)调速系统设计与研究.doc

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1、要摘本文基于PWM的双闭环直流调速系统进行了研究，并设计出应用于直流电动机的双闭环直流调速系统。对于调速系统中要用到的大功率半导体开关器件，本文选用的是IGBT。论文中对IGBT应用时要注意的各个技术方面进行了详细的讨论，给出了专用IGBT驱动芯片SG3525的内部结构和应用电路。论文对PWM控制的原理进行了说明，重点对集成PWM控制器SG3525做了介绍，分析了SG3525的内部结构和外部电路的接法，并给出了它在系统中的应用电路。分析了系统的静动态特性，结果表明双闭环控制对系统的性能有很大的改善，即双闭环控制系统有响应快，静态稳定性好的特点。在电气时代的今天，电动机在工农业生产、人们日常生活

2、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。关键词: PWM控制；直流调速；双闭环；PWM ；SG3525目录1引言31.1 直流电动机的调速方法31.2 PWM控制系统41.3 转速电流双闭环控制系统41.4 设计技术指标52.PWM控制直流调速系统主电路设计62.1 主电路结构设计62.1.1电路设计及分析62.1.2 ASR（速度调节器）72.1.3 ACR（电流调节器）72.2 调节器的设计82.2.1电流调节器的设计82.2.2 转速调节器的设计112.4 主电路参数计算和

3、元件选择142.4.1整流二极管的选择142.4.2 绝缘栅双极晶体管的选择143.PWM控制直流调速系统控制电路设计153.1 SG3525集成电路脉宽调制器153.1.1 SG3525芯片介绍153.1.2 SG3525的引脚功能：153.1.3 SG3525的工作原理：163.2 调节器的选择与调整173.2.1 调节器限幅173.2.2 调节器锁零173.3 系统的给定电源、给定积分器173.3.1 给定电源GS173.3.2给定积分器173.4 触发电路的确定183.4.1 选用触发电路时须考虑的因素183.4.2 触发电路同步电压的选取193.5保护电路设计193.5.1 过流保护

4、（FA）193.5.2过电压保护204.总结21参考文献22附录A 系统总电路图23附录B 双闭环可逆直流脉宽调速系统实验241引言1.1 直流电动机的调速方法直流电动机的调速方法有三种：（1）调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。 变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。（2）改变电动机主磁通 。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。 变化时间遇到的时间常数同 变化遇

5、到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。（3）改变电枢回路电阻R。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。 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平滑调用。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速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主速。 改变电枢电压调速是直流调速系统采用的

6、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以下三种：（1）旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。（2）静止可控整流器。用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。（3）直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。 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，但是由于汞弧整流器造价较高，体积仍然很大，维护麻烦，尤其

7、是水银如果泄漏，将会污染环境，严重危害身体健康。目前，采用晶闸管整流供电的直流电动机调速系统（即晶闸管电动机调速系统，简称V-M系统，又称静止Ward-Leonard系统）已经成为直流调速系统的主要形式。但是，晶闸管整流器也有它的缺点，主要表现在以下方面：（1）晶闸管一般是单向导电元件，晶闸管整流器的电流是不允许反向的，这给电动机实现可逆运行造成困难。必须实现四象限可逆运行时，只好采用开关切换或正、反两组全控型整流电路，构成V-M可逆调速系统，后者所用变流设备要增多一倍。（2）晶闸管元件对于过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt十分敏感，其中任意指标超过允许值都可能在很短时间内元件损坏

8、，因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还应保留足够的余量，以保证晶闸管装置的可靠运行。（3）晶闸管的控制原理决定了只能滞后触发，因此，晶闸管可控制整流器对交流电源来说相当于一个感性负载，吸取滞后的无功电流，因此功率因素低，特别是在深调速状态，即系统在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使得系统的功率因素很低，并产生较大的高次谐波电流，引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备。如果采用晶闸管整流装置的调速系统在电网中所占容量比重较大，将造成所谓的“电力公害”。为此，应采取相应的无功补偿、滤波和高次谐波的抑制措施。（4）晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，而且脉波数总是有限的

9、。如果主电路电感不是非常大，则输出电流总存在连续和断续两种情况，因而机械特性也有连续和断续两段，连续段特性比较硬，基本上还是直线；断续段特性则很软，而且呈现出显著的非线性。由于以上种种原因，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 PWM控制系统 脉宽调制器UPW采用美国硅通用公司的第二代产品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。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

10、机损耗及发热都较小。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，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。1.3 转速电流双闭环控制系统同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，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

11、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。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照要求来控制动态过程的电流或转矩。另外，单闭环调速系统的动态抗干扰性较差，当电网电压波动时，必须待转速发生变化后，调节作用才能产生，因此动态误差较大。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，

12、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。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。1.4 设计技术指标1.直流电动机：；过载倍数。2.D，稳态时无静差。3.电流超调量，空载起动到稳态转速时的转速超调量。4.稳态转速n=1500r/min, 负载电流0.8A。2.PWM控制直流调速系统主电路设计2.1 主电路结构设计2.1.1电路设计及分析根据设计任务可知，要求系统在稳定的前提下实现无静差调速，并要求较好的动态性能，可选择PI控制的转速、

13、电流双闭环直流调速系统，以完全达到系统需要。转速、电流双闭环直流调速系统框图如图2-1所示。图2-1 转速、电流双闭环调速系统系统框图两个调节器的输出均带限幅作用的,转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定电压的最大值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子电换器的最大输出电压。双闭环直流调速系统原理框图如下图2-2所示：图2-2 双闭环直流调速系统原理框图2.1.2 ASR（速度调节器）速度调节器ASR的功能是对给定和反馈两个输入量进行加法，减法，比例，积分和微分等运算，使其输出按某一规律变化。它由运算放大器，输入与反馈网络及二极管限幅环节组成。其原理图如图1.4所示。 转速调节器

14、ASR也可当作电压调节器AVR来使用。速度调节器采用电路运算放大器，它具有两个输入端，同相输入端和倒相输入端，其输出电压与两个输入端电压之差成正比。电路运算放大器具有开环放大倍数大，零点漂移小，线性度好，输入电流极小，输出阻抗小等优点，可以构成理想的调节器。图1.4中，由二极管VD4，VD5和电位器RP2，RP3组成正负限幅可调的限幅电路。由C2，R9组成反馈微分校正网络，有助于抑制振荡，减少超调，R15，C1组成速度环串联校正网络。场效应管V5为零速封锁电路，当4端为0V时VD5导通，将调节器反馈网络短接而封锁，4端为-13V时，VD5夹断，调节器投入工作。RP1为放大系数调节电位器。元件R

15、P1，RP2，RP3均安装在面板上。电容C1两端在面板上装有接线柱，电容C2两端也装有接线柱，可根据需要外接电容。2.1.3 ACR（电流调节器）直流电机是调压调速,一般用调电枢电压的方法来调速,用串电阻的方法或者可调电源都可以。电流调节器使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。对电网电压的波动起及时抗扰的作用。在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不影响调节器的输入，需加低通滤波。电流调节器适用于可控制传动系统中，对其输入信号（给定量和反馈量）时进行加法、减法、比例、积分、微分，延时等运算或者同时兼做上述几种运算。

16、以使其输出量按某种予定规律变化。其原理图如图1.5所示。它是由下述几部分组成：运算放大器，两极管限幅，互补输出的电流放大级、输入阻抗网络、反馈阻抗网络等。电流调节器与速度调节器相比，增加了4个输入端，其中2端接过流推b信号，来自电流变换器的过流信号Ub，当该点电位高于某值时，VST1击穿，正信号输入，ACR输出负电压使触发电路脉冲后移。UZ、UF端接逻辑控制器的相应输出端，当这二端为高电平时，三极管V1、V2导通将Ugt和Ugi信号对地短接，用于逻辑无环流可逆系统。晶体管V3和V4构成互补输出的电流放大级，当V3、V4基极电位为正时，V4管（PNP型晶体管）截止，V3管和负截构成射极跟随器。如

17、V3，V4基极电位为负时，V3管（NPN型晶体管）截止，V4管和负截构成射极跟随器。接在运算放大器输入端前面的阻抗为输入阻抗网络。改变输入和反馈阻抗网络参数，就能得到各种运算特性。元件RP1、RP2、RP3装在面板上，C1、C2的数值可根据需要，由外接电容来改变。2.2 调节器的设计2.2.1电流调节器的设计从稳态要求上看，希望电流无静差，以得到理想的堵转特性，再从动态要求上看，实际系统不允许电枢电流在突加控制作用时有太大的超调，以保证电流在动态过程中不超过允许值，而对电网电压波动的及时抗扰作用只是次要的因素。为此，电流环应跟随性能为主，即应选用典型型系统。电流环的控制对象是双惯性型的，要校正

18、成典型型系统，显然应采用PI型的电流调节器，其传递函数可以写成 （16）式中 电流调节器的比例系数； 电流调节器的超前时间常数。为了让调节器零点与控制对象的大时间常数极点对消，选择 （17）则电流环的动态结构框图便成为图2-5所示的典型形式，其中 （18）图2-5 校正成典型型系统的电流环动态结构框图上述结果是在一系列假定条件下得到的，现将用过的假定条件归纳如下，以便具体设计时校验。（1） 电力电子变换器纯滞后的近似处理 （19）（2） 忽略反电动势变化对电流环的动态影响 （110）（3） 电流环小惯性群的近似处理 （111）1.电流调节器的参数计算由式（1-5）可以看出，电流调节器的参数是和

19、，其中已选定，见式（1-6），待定的只有，可根据所需要的动态性能指标选取。根据电流超调量，由表1，可选和的值。一般，取=0.707，则 （112）表1 典型型系统动态跟随性能指标和频域指标与参数的关系参考关系KT0.250.390.50.691.0阻尼比1.00.80.7070.60.5超调量0%1.5%4.3%9.5%16.3%上升时间6.6T4.7T3.3T2.4T峰值时间8.3T6.2T4.7T3.6T相角稳定裕度截止频率0.243/T0.367/T0.455/T0.596/T0.786/T再利用式（17）和式（16）得到 （113）如果实际系统要求的跟随性能指标不同，式（111）和式（

20、112）当然应作相应的改变。此外，如果对电流环的抗扰性能也有具体的要求，还得再校验一下抗扰性能指标是否满足。2.电流调节器的实现含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器原理图如图2-6所示。图中为电流给定电压。为电流负反馈电压，调节器的输出就是电力电子变换器的控制电压。图2-6 含给定滤波和反馈滤波的模拟式PI型电流调节器原理图根据运算放大器的电路原理，可以容易地导出 （114） （115） （116）2.2.2 转速调节器的设计1电流环等效传递函数由校正后的电流结构框图可知 （117）忽略高次项，可降阶近似为 （118）近似条件为 （119）式中 转速环开环频率特性的截止频率。接入转速环

21、内，电力换等效环节的输入量为，因此电流环在转速环中应等效为 （120）这样，原来是双惯性环节的电流环控制对象，经闭环控制后，可以近似地等效成只有较小时间常数的一阶惯性环节。2转速调节器的结构选择把电流环的等效环节接入转速环后，整个转速控制系统的动态结构框图如图2-7a所示。和电流环中一样，把转速给定滤波和反馈滤波环节移到环内，同时将给定信号改成，再把时间常数为和的两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为的惯性环节，其中 （121）则转速环结构框图可简化成图2-7b由于需要实现转速无静差，而且在后面已经有一个积分环节，因此转速环开环传递函数应共有两个积分环节，所以应该设计成典型型系统，这样的

22、系统同时也能满足动态抗扰性能好的要求。由此可见，ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为 （122）式中 转速调节器的比例系数； 转速调节器的超其时间常数。（a）（b）（c）图2-7 转速环的动态结构框图及其简化（a）用等效环节代替电流环（b）等效成单位负反馈系统和小惯性系统的近似处理（c）校正后成为典型型系统这样，调速系统的开环传递函数为 不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构框图如图2-7c所示。3.转速调节器参数计算转速调节器的参数包括和。按照典型型系统的参数关系，有 （123） （124）因此 （125）至于中频宽h应选择多少，要看动态性能的要求决定，一般选取h=5为好。4.转速调

23、节器的实现含给定滤波和反馈滤波的PI型转速调节器的原理图如图2-8所示，图中为转速给定电压，为转速负反馈电压，调节器的输出是电流调节器的给定电压 。图2-8含给定滤波与反馈滤波的PI型转速调节器与电流调节器相似，转身调节器参数与电阻、电容值的关系为 （126） （127） （128）2.4 主电路参数计算和元件选择主电路参数计算包括整流二极管计算，滤波电容计算、功率开关管 IGBT 的选择及各种保护装置的计算和选择等。2.4.1整流二极管的选择根据二极管的最大整流平均 和最高反向工作电压分别应满足：（A）（V）选用大功率硅整流二极管，型号和参数如下所示：型号额定正向平均电流（A)额定反向峰值电

24、压URM（V)正向平均压降 （V)反向平均漏电流 （mA)散热器型号ZP10A1020020000.50.76SZ14在设计主电路时，滤波电容是根据负载的情况来选择电容C值，使RC（35）T/2，且有（V)，即C15000uF故此，选用型号为CD15的铝电解电容，其额定直流电压为400V，标称容量为22000uF。2.4.2 绝缘栅双极晶体管的选择最大工作电流Imax2Us/R=440/0.45=978(A)集电极发射极反向击穿电压 (23)Us=440660v3.PWM控制直流调速系统控制电路设计3.1 SG3525集成电路脉宽调制器3.1.1 SG3525芯片介绍随着电能变换技术的发展，功

25、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，因此，无论开关电源的电

26、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。3.1.2 SG3525的引脚功能：图3-1 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。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。

27、(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

28、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。3.1.3 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。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

29、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

30、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3-2 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

31、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

32、成PWM 控制器。脉宽调制信号由SG3525产生。3.2 调节器的选择与调整作为系统校正环节的调节器，是控制电路的关键部件，在系统中使用各种类型的调节器可实现输入输出的P、I、D、PI、PD、PID等多种运算关系。调节器的选择与参数整定是系统设计中极其重要的一环，它对系统静、动态性能指标的优劣起着决定作用。调速系统对调节器的一般要求是： 1)节器须能够调零，如果调节器在比例状态下不能调零，当输入为零时，输出较大，则应更换器件。2)过调整消振电路参数，能消除高频振荡。3)节器的正、负输出电压不能过小，一般要求输出电压接近直流稳压电源电压(15v)。对于PI调节器一般都要求输出限幅。4)调速系统中

33、具有积分作用的电流和转速调节器，必须设置调节器锁零环节。5)节器的工作电源为直流稳压电源（15v或12v）。3.2.1 调节器限幅调速系统中，为了保护电气设备和机械设备的安全，须限制电动机的最大电流、最大电压以及晶闸管变流装置的和角等，一般都要求对调节器输出限幅。调节器输出限幅值的计算与整定是系统设计和调试工作中十分重要的环节。实现限幅的方法大体有两类，即外限幅和内限幅，电路图如图4-10所示。图4-9就是利用二极管箝位的内限幅电路。3.2.2 调节器锁零前已述及，系统中引入PI调节器，即使系统在停车期间，未加给定信号，由于其积分作用，调节器在干扰信号作用下也会有较大的输出电压。这个输出信号送

34、给触发装置，就会使触发脉冲从初始相位(90)前移而使电动机起动，这在控制上是不允许的。所以在系统给出起动指令之前，必须对具有积分作用的调节器锁零，即把它的输出锁到零电位上。3.3 系统的给定电源、给定积分器3.3.1 给定电源GS在闭环调速系统中，转速总是紧紧地跟随给定量而变化。给定电源的质量在保证系统正常工作中是十分重要的，因此高精度的调速系统必绩要有更高精度的给定稳压电源作保证。所以，设计系统控制方案、拟定控制电路时，必须十分注意对稳压电源的设计与选择。由三端集成稳压器件所组成的稳压电源，线路简单、性能稳定、工作可靠、调整方便，已逐渐取代分立元件，在生产实际中应用越来越广泛。系统中应尽量采

35、用这种集成稳压源，以保证系统的可靠工作为防止大幅度电网电压波动给稳压电源工作带来的困难，目前已普遍采用恒压变压器作为稳压电源的电源变压器。这些在设计时都需引起注意。3.3.2给定积分器在VTH直流调速系统中，突加转速给定信号时，电动机在最大允许电流下实现恒流起动，转速以最大加速度上升，满足最短时间控制。但一般直流电动机不允许过大的电流上升率；有些生产设备本身不能承受过大的机械冲击，或生产工艺过程要求系统起、制动平稳，超调量小。所以这时系统不能采用阶跃给定方法，而采用给定积分器作为给定装置，利用其输出得到不同斜率的斜坡速度给定信号，满足系统的要求。典型的给定积分器线路在控制系统中是一个通用的控制

36、单元插件。图413是一种给定积分器的典型线路。转速给定信号u0的上升率有三种方法：改变电阻R；改变电容C；调节电压u2。调整时，通过调节电位器RP或改变N1的输出限幅(调整RPl、RP2)的方法改变u2比较方便灵活，故应用时多采用这种方法。当系统处于稳态时，给定积分器的输出信号与输入信号大小相等。为防止给定积分器输出电压出现超调，可在反馈回路引入R1、C1组成的微分负反馈。3.4 触发电路的确定3.4.1 选用触发电路时须考虑的因素系统对触发电路的要求是设计和选择触发电路的依据，我们在选用时应考虑下列一些问题：1）触发电路的工作一定要十分可靠。这一点对可逆系统来说尤为重要2）移相范围应满足系统

37、要求。对于不同整流型式，不同负载性质，其移相范围要求也不同。晶闸管直流调速系统，电感性负载(电流连续)，若采用三相零式或三相全控桥线路，对不可逆系统，要求=0900；对可逆系统，则要求=01800。实际系统中，因有min和min角的限制，故移相范围小于1800。同步信号为锯齿波的触发电路，移相范围可超过1800；同步信号为正弦波的触发电路，其移相范围小于1800；单结晶体管触发电路的移相范围只有1500左右。3）不同整流电路对脉冲宽度的要求不同。对单相、三相半波和三相桥式半控整流电路，应选择单脉冲触发电路；对于三相桥式全控整流电路，应选择双窄脉冲或宽脉冲触发电路。对于一些容量不大、对触发要求不

38、高的系统，选用结构简单的触发电路；一般情况下可使用由分立元件组成的触发电路或集成移相触发电路；必要时可采用微机触发电路。4）触发电路输入输出特性线性度要好，以提高系统的静态和动态性能。同步信号为锯齿波的触发电路线性度好，适用于要求调速范周宽的系统；同步信号为正弦波的触发电路线性度稍差；单结晶体管触发电路，其线性度更差，且有一段死区，一般用于小容量单相晶闸管系统中。5）要求触发器工作对电网电压敏感。同步信号为锯齿波的触发电路和同步信号为正弦波的触发电路相比较，前者较后者好。6）触发脉冲信号应有足够的功率(电压、电流)和一定的宽度。7）在大功率装置中，当晶闸管采用串、并联时，应采用强触发，提高脉冲

39、前沿陡度，保证同臂元件导通的同时性。8）最好采用集成电路触发装置，使元件、焊点、接插件、走线数量减少，简化控制线路，提高系统可靠性。9）在实际应用中一般应采取防止误触发的具体措施。10）对于共阴极接法的零式（半波）整流电路或半控桥式整流电路，可采用一套触发装置对所有的晶闸管同时进行触发控制。其余的整流电路形式，一个触发脉冲只能触发一个晶闸管。3.4.2 触发电路同步电压的选取为了让变流器按规律正确工作，同步电压的相位极为重要，它应能准确提供自然换相点，保证在移相范围内对晶闸管元件进行移相控制，从而可对输出电压进行连续控制。在已知整流变压器的接线组别，选择同步变压器时的定相步骤如下：1）据整流变

40、压器的接线组别，绘制主电路变压器次级电压的向量图，有VT1的移相范围和触发电路移相控制原理，确定触发电路需要的同步信号us2的相位。2）选取超前us2相位/3或/6的电压为同步电压us1，确定阻容滤波器；由相控触发电路同步方式确定同步变压器次级相数；由主电路电压向量图及对us1的相位要求确定同步变压器的接线组别。3）按相位关系选取其他元件的同步电压。当为三相桥式全控变流电路且为按元件独立同步时，各元件的同步电压应按顺序滞后/3，从而可以确定其他各元件的同步电压us1。3.5保护电路设计3.5.1 过流保护（FA）当主电路电流超过某一数值后(2A左右)，由9R3，9R20上取得的过流信号电压超过

41、运算放大器的反向输入端，使D触发器的输出为高电平，使晶体三极管V由截止变为导通，结果使继电器K的线圈得电，继电器K由释放变为吸引，它的常闭触点接在主回路接触器的线圈回路中，使接触器释放，断开主电路。并使发光二极管亮，作为过流信号指示，告诉操作者已经过流跳闸。SA为解除记忆的复位按钮，当过流动作后，如过流故障已经排除，则须按下以解除记忆，恢复正常工作。图1-2 电流变送器与过流保护原理图3.5.2过电压保护（1）交流侧过电压保护:用压敏二极管抑制事故过电压压敏电阻的标称电压：U1MA1.33*1.414*UB =1.33*1.414*234 =440.1(V)通流容量: IPM110KFU2L/

42、U1MA*I200.95=110*0.5*234*0.2540.95440.1=7.95(A)选用MY31-440V/500A的压敏电阻,其残压比 2UD = 2*220 = 440(V)取 UC = 630(V)B. 电阻R的参数:R = UD(KV-1) / KIID =220*(2-1)/0.5*15.6 = 28()取 R = 30PR PD/800 = 2.8*103/800 = 3.7(W)取 PR = 10W所以选定CD = 4F/630V, RB = 30/10W4.总结通过这次的课程设计，首先对直流双闭环调速系统有了更深的认识，加深了理解，是对课堂所学知识的一次很好的应用。通

43、过这次课程设计，我不仅在知识上有了进一步的巩固和提高，在求学和研究的心态上也有不小的进步。我想无论是在学习还是在生活上只有自己有心去学习和参与才可能有收获，这也算是这次设计给我的一点小小的感悟。以前一直觉得理论知识离我们很远，经过课程设计，才发现理论知识与生活的联系。这大大激发了我学习书本知识的兴趣。再者我们学习的是工科，不单纯只是理论方面的的工作，还应该考虑到实际情况。总之，在设计过程中，我不仅学到了以前从未接触过的新知识，而且学会了独立的去发现，面对，分析，解决新问题的能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己的能力，使我受益非浅。参考文献1许晓峰 电机及拖动 北京：高等教育出版社，2004.2莫

44、正康 电力电子应用技术 北京:机械工业出版社，2000.3宋书中 交流调速系统 北京:机械工业出版社，1999.4王兆安 电力电子技术M，第4版.北京:机械工业出版社，2000.5陈伯时 电力拖动自动控制系统M.机械工业出版社，2004：233262.6夏得砛，翁贻方 自动控制理论机械工业出版社，20077陈伯时 电力拖动自动控制系统机械工业出版社，20038杨兴姚 电动机调速的原理及系统北京：北京水利电力出版社，20039刘军，孟祥忠 电力拖动自动控制系统机械工业出版社，2007附录A 系统总电路图附录B 双闭环可逆直流脉宽调速系统实验TAU-UiASRACRUPWDLDGDPWMFAGMTGM一实验系统的组成图4-1 双闭环