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1、直流脉宽(PWM)调速系统设计与研究保护电路设计摘 要本文基于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。首先描述了变频器的发展历程，提出了PWM调速方法的优势，指出了未来PWM调速方法的发展前景，点出了研究PWM调速方法的意义。应用于直流电机的调速方式很多，其中以PWM变频调速方式应用最为广泛，而PWM变频器中，H型PWM变频器性能尤为突出，作为本次设计的基础理论，本文将对PWM的理论进行详细论述。在此基础上，本文将做出SG3525单片机控制的H型PWM变频调速系统的整体设计，然后对各个部分分别进行论证，力图在每个组成单元上都达到最好的系统性能。 关键
2、词：直流调速； PWM ；SG3525 ；调节器的设计目 录绪 论1第一章 简要介绍及设计方案21.1 PWM简介21.2 直流调速系统的方案设计21.2.1 设计已知参数21.2.2 设计指标31.2.3设计内容31.2.4 现行方案的讨论与比较31.2.5 选择IGBT的H桥型主电路的理由41.2.6 采用转速电流双闭环的理由4第二章 直流脉宽调速系统主电路设计52.1 主电路结构设计52.2 参数设计6第三章 调节器设计ASR,ACR83.1 电流调节器设计83.2 转速调节器设计93.3 转速反馈调节器、电流反馈调节器的整定9第四章 触发电路104.1触发控制电路设计10第五章 保护电
3、路115.1 整流电路中的保护电路115.2 PWM电路中的保护电路115.2.1 主电路中的熔断器负责过流保护115.2.2 缓冲电路125.3反馈及保护电路设计125.3.1转速检测装置选择125.3.2电流检测单元13第六章 调试146.1晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定146.1.1实验内容146.1.2 实验系统组成和工作原理146.1.3 实验方法146.2 双闭环可逆直流脉宽调速系统性能测试186.2.1 实验内容186.2.2 实验系统的组成和工作原理196.2.3 测试内容19总 结26参考文献27附 录28绪 论 在现代科学技术革命过程中，电气自动化在20世纪的后四十
4、年曾进行了两次重大的技术更新。一次是元器件的更新，即以大功率半导体器件晶闸管取代传统的变流机组，以线形组件运算放大器取代电磁放大器件。后一次技术更新主要是把现代控制理论和计算机技术用于电气工程，控制器由模拟式进入了数字式。在前一次技术更新中，电气系统的动态设计仍采用经典控制理论的方法。而后一次技术更新是设计思想和理论概念上的一个飞跃和质变，电气系统的结构和性能亦随之改观。在整个电气自动化系统中，电力拖动及调速系统是其中的核心部分。现代的电力拖动控制系统都是由惯性很小的晶闸管、电力晶体管或其他电力电子器件以及集成电路调节器等组成的。经过合理的简化处理，整个系统一般都可以用低阶近似。而以运算放大器
5、为核心的有源校正网络（调节器），和由 R、C等元件构成的无源校正网络相比,又可以实现更为精确的比例、微分、积分控制规律,于是就有可能将各种各样的控制系统简化和近似成少数典型的低阶系统结构。目前，随着大功率电力电子器件的迅速发展，交流变频调速技术已日臻成熟并日渐成为实际应用的主流，但这并不意味着传统的直流调速技术已经完全退出了实际应用的舞台。相反，近几年交流变频调速在控制精度的提高上遇到了瓶颈，于是直流调速的优势就显现了出来。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。譬如在对控制精度有较高要求的造纸，转台，轮机定位等系统中仍离不开直流调速装置，因此加强对直流调速系统的研究还是很有必要的。第一
6、章 简要介绍及设计方案1.1 PWM简介脉宽调制器UPW采用美国硅通用公司（Silicon General）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
7、，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，稳态时无静差。2、稳态转速n=1500r
8、/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【ASR ACR】。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
9、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。由于以上种种原因，所以选择了脉宽调制变换器进行
10、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
11、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
12、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。第二章 直流脉宽调速系统主电路设计图2.1 实验系统原理图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C
13、OM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PT1一AB-N，此时UAB0， AB0；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UAB0，IAB0，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AT2一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AD1一PN A，此时UAB0，lAB0，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
14、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，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
15、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（Insulated Gate Bipolor Transistor）绝缘栅极双极晶体管。这种器件具有MOS门极的高速
16、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：27 A耗散功率P：200 W额定电压U：220V额定电流I：1.2A图2.6 IGBT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/dtLc
17、 ，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=10K；电容C=0.75F。(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=2000F ；电压U=450V；VT选取IRGPC50U型号的IGBT管；电阻选取R=20 。第三章 调节器设计
18、ASR,ACR图3.13.1 电流调节器设计本设计因为 i% 5%且TL/TI =23.98/6.7Td，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。MCL31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。电动机M加额定励磁。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，如下图：图6.2 过渡过程曲线5 测
19、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6.5n（r/min）1551131612301106921U (V)6.335.365.014.503.746.2 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
20、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。脉宽调制器UPW采用美国硅通用公司（Silicon General）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。6.2.3 测试内容测试11SG3525性能测试（1）用示波器观察“1”端（即SG3
21、525的5脚）的电压波形，波形(1V，20s)如图6.4为：图6.4 5脚的波形（2）用示波器观察“2”端（即SG3525的13脚）的电压波形(5V，20s)，波形如图6.5为：图6.5 13脚的波形（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%，5V，20s)的波形如图6.6为：图6.6 最大占空比时的波形最小占空比(占空比=13%，5V，20s)的波形如图图6.7为：图6.7 最小占空比时的波形2控制电路的测试（1）逻辑延时时间的测试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
22、的输出波形(20mv，10s)，并记录延时时间：td= 3.8s（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(50mv，20s)，分别测量VVT1.GS和VVT2.GS以及VVT3.GS和VVT4.GS的死区时间：tdVT1.VT2= 1.6stdVT3.VT4= 3.6s(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21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
23、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1400r/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1400r/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
24、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 开环正给定高速的数据记录 n=1400r/minn(r/min)1400138013611355134913431337id(A)0.600.700.800.850.900.951.00图6.8 开环正给定高速的特性曲线调节RP3，使n=1000 r/min和n=500r/min，作同样的记录，可得到电机在中速和低速时的机械特性，特性曲线见图6.9和图6.10。表6.7开环正给定中速的数据记录 n=1000r/minn(r/min)1003989970950935923908id(A)0.440.500.600.700.800.90
25、1.00 图6.9 开环正给定中速的特性曲线表6.8 开环正给定低速的数据记录 n=500r/minn(r/min)503479458441420393361id(A)0.250.350.450.550.650.851.00图6.10 开环正给定低速的特性曲线断开主电源，S4开关拨向“负给定”，然后按照以上方法，测出系统的反向机械特性，特性曲线见图6.11。表6.9 开环负给定高速的数据记录 n=1400r/minn(r/min)1405139313831370134513281305id(A)0.560.600.650.700.800.901.00 图6.11 开环负给定高速的特性曲线调节R
26、P3，使n=1000/min和n=500r/min，作同样的记录，可得到电机在负给定后中速和低速时的机械特性，特性曲线见图6.12和图6.13。表6.10 开环负给定中速的数据记录 n=1000r/minn(r/min)1000985971950928899882id(A)0.420.500.550.650.750.901.00图6.12 开环负给定中速的特性曲线表6.11 开环负给定低速的数据记录 n=500r/minn(r/min)500473450429398367336id(A)0.250.350.450.550.700.851.00图6.13 开环负给定低速的特性曲线 （4）计算转速
27、反馈系数和电流反馈系数 通过上面给定的数据可以算得： 转速反馈系数=0.0035 电流反馈系数=0.2 V/A2闭环系统调试将ASR,ACR均接成PI调节器接入系统，形成双闭环不可逆系统。按图接线 （1）速度调节器的调试 a反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小； b“5”、“6”端接入MEL11电容器，预置57F； c调节正负限幅电位器RP1、RP2使输出限幅为2V。（2）电流调节器的调试 a反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小； b“5”、“6”端接入MEL11电容器，预置57F； cS5开关打向“给定”，S4开关扳向上，调节MCL-10的RP3电位器，使ACR输出正饱和，调
28、整ACR的正限幅电位器RP1，用示波器观察 “30”的脉冲，不可移出范围。 （3）系统闭环机械特性测定S2开关打向“给定”，S1开关打向下至“负给定”，调节MCL-10的RP4电位器，使ACR输出负饱和，调整ACR的负限幅电位器RP2，用示波器观察 “30”的脉冲，不可移出范围。3系统静特性测试 （1）机械特性n=f（Id）的测定S2开关打向“给定”，S1开关扳向上至“正给定”，调节MCL-10的RP3电位器，使电机空载转速至1400 r/min，再调节可调电阻加载旋钮（或发电机负载电阻Rg），在空载至额定负载范围内分别记录6点，可测出系统正转时的静特性曲线n=f（Id），特性曲线见图6.14
29、。表6.12 闭环正给定时的数据记录n(r/min)1419140413901373136613551343I(A)0.350.450.500.550.600.650.70图6.14 闭环正给定时的静特性曲线 S2开关打向“给定”，S1开关打向下至“负给定”，调节MCL-10的RP4电位器，使电机空载转速至1400 r/min，再调节可调电阻加载旋钮（或发电机负载电阻Rg），在空载至额定负载范围内分别记录6点，可测出系统反转时的静特性曲线n=f（Id），特性曲线见图6.15。表6.13 闭环负给定时的数据记录n(r/min)1506149614841474146114481436I(A)0.4
30、00.450.500.550.600.650.70图6.15 闭环负给定时的静特性曲线 （2）闭环控制特性n=f(Ug)的测定S2开关打向“给定”，S1开关扳向上至“正给定”，调节MCL-10的RP3电位器，记录Ug和n，即可测出闭环控制特性n=f(Ug)，特性曲线见图6.16。表6.14 闭环控制特性的数据记录n(r/min)142013731310122011861076914Ug(V)1.961.841.761.681.611.461.25 图6.16 闭环控制特性曲线4系统动态波形的观察用二踪慢扫描示波器观察动态波形，并记录下列动态波形：(电动机电枢电流波形的观察可通过MCL-03的A
31、CR的第“1”端，转速波形的观察可通过MCL-03的ASR的第“1”端)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6.17（额定转速为1500r/min，ASF：7F）图6.17 突加给定起动时转速变化的波形突加给定起动时，直流电动机电枢电流随时间变化的波形（2V，500ms）如图6.18（额定转速为1500r/min，ASF：7F）图6.18 突加给定起动时电流变化的波形突加负载时，直流电动机转速随时间变化的波形（500mV，500ms）如图6.19（额定转速为1500r/min，ASF：7F）图6.19 突加负载时转速变化的波形突降负载时，直流电动机转速随
32、时间变化的波形（500mV，500ms）如图6.20（额定转速为1500r/min，ASF：7F）图6.20 突降负载时转速变化的波形正反转时，直流电动机转速随时间变化的波形（1V，500ms）如图6.21（额定转速为1500r/min至1500r/min，ASF：7F）图6.21 正反转时转速变化的波形总 结直流脉宽（PWM）调速系统设计与研究“保护电路设计” 的设计 ，是在DJDK1型电力电子技术及电机控制实验装置上进行的。测定直流电动机的各项电气参数和时间常数，并应用经典控制理论的工程设计方法设计转速和电流双闭环直流调速系统。以SG3525为核心实现PWM脉宽调速，形成无静差的转速电流双
33、闭环控制。PWM双闭环直流调速系统，具有调速简单、调速范围大、精度高、速度平稳、电流脉动小、电机温升低等优点，使调速各项性能指标大为提高。纵观整个设计，经典部分是已学过的知识，通过毕业设计深入理解了工程设计方法，扩展了知识面，各门课程综合应用，收益颇多，使我对直流调速系统的控制有了更深的认识。但由于理论水平有限，仍有许多不足之处有待解决。 在此感谢老师的精心辅导，我会继续努力的。参考文献1 陈伯时.电力拖动自动控制系统M.北京：机械工业出版社, 2004.2 王兆安.电力电子技术M. 北京：机械工业出版社,2000.3 黄俊.半导体变流技术M . 北京：机械工业出版社,20024 付文.电力拖动自动控制系统实验指导书,5 杨松才.电力拖动自动控制系统图集.
