PWM直流脉宽调速系统-调节器设计.docx

沈阳理工大学课程设计报告
目录

1 引 言 1
2 设计方案的确定及设计所需设备仪器 2
2.1 设计方案 2
2.1.1 机械负载参数 2
2.1.2 主电源参数他励直流电动机的参数 2
2.2 所需设备 2
3 调节器的电路设计 4
3.1 电流调节器 4
3.2 转速调节器 6
4 其他电路设计原理 10
4.1 主电路的设计 10
4.2 SG3525的设计 11
4.3 保护电路的设计 13
5 课程设计实验结果 14
5.1 PWM控制器SG3525性能测试 14
5.2 开环系统测试 14
5.3 闭环系统测试 15
总结 19
参考文献 20

I

1 引 言
直流调速理论基础是经典控制理论，不过最近研制成功的直流调速器，具有和交流变频器同等性能的高精度、高稳定性、高可靠性，高智能化特点。同时直流电机的低速特性，大大优于交流鼠笼式异步电机，为直流调速系统展现了无限前景。单闭环直速系统对于运行性能要求很高的机床还存在着很多不足，快速性还不够好。而基于电流和转的双闭环直流调速系统静动态特性都很理想。而且，直流电机由于具有速度控制容易，启、制动性能良好，且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工业等工业部门中得到广泛应用。直流时机转速的控制方法可以分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单等特点，一直在传动领域占有统治地位。本文对双闭环可逆直流PWM调速系统进了较深入的研究，从直流调整系统原理出发，逐步建立了闭环
1

2 设计方案的确定及设计所需设备仪器

自动控制系统的设计一般要经历从“机械负载的调速性能（动、静）→电机参数→主电路→控制方案”（系统方案的确定）→“系统设计→仿真研究→参数整定→直到理论实现要求→硬件设计→制版、焊接、调试”等过程，其中系统方案的确定至关重要[3]。为了发挥同学们的主管能动作用，且避免方案及结果雷同，在选定系统方案时，规定外的其他参数有同学自己选定。

2.1设计方案

2.1.1 机械负载参数
机械负载为反抗性恒转矩负载，调速范围D=4；直流发电机： ；转动惯量

2.1.2 主电源参数他励直流电动机的参数
可以选择单相交流220V供电；变压器二次电压为67V。 ，过载倍数。

2.2 所需设备
1、MCL—32电源控制屏
2、MCL—31组件
3、MCL—10组件
4、MEL—11挂箱
5、MEL—03三相可调电阻
6、电机导轨及测速发电机
7、直流电动机M03，直流发电机M01
8、示波器
9、万用表

10、导线若干
3

3 调节器的电路设计

3.1 电流调节器
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。此滤波环节传递函数可用一阶惯性环节表示，由初始条件知滤波时间常数，以滤平电流检测信号为准。为了平衡反馈信号的延迟，在给定通道上加入同样的给定滤波环节，使二者在时间上配合恰当。

图3.1 电流调节器ACR原理图

1、确定时间常数，PWM装置滞后时间常数：。电流滤波时间常数:。(和一般都比小得多,可以当作小惯性群近似地看作是一个惯性环节)。
2、选择电流调节器结构，根据设计要求：，而且
（3.3）
可按典型Ⅰ型设计电流调节器。电流环控制对象是双惯性型的,所以把电流调节器设计成PI型的，其传递函数为
（3.4）
式中 ——电流调节器的比例系数；——电流调节器的超前时间常数。
3、选择电流调节器的参数，ACR超前时间常数；电流环开环时间增益:要求，故应取，因此
（3.5）
于是，ACR的比例系数为:
（3.6）
4、校验近似条件
电流环截止频率:
（3.7）
（1）晶闸管装置传递函数近似条件：
（3.8）
即
（3.9）
满足近似条件；
（2）忽略反电动势对电流环影响的条件：
（3.10）
即
（3.11）
满足近似条件；

（3）小时间常数近似处理条件：
（3.12）
即
（3.13）
满足近似条件。
5、计算调节器电阻和电容调节器输入电阻为，各电阻和电容值计算如下：
取 （3.14）
，取 （3.15）
，取 （3.16）

3.2转速调节器
转速反馈电路如图3.3所示，由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，由初始条件知滤波时间常数。根据和电流环一样的原理，在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。

图3.2 转速调节器ASR原理图

1、确定时间常数
（1）电流环等效时间常数：
（3.17）
（2） 转速滤波时间常数：
（3.18）
（3） 转速环小时间常数近似处理：
（3.19）
2、选择转速调节器结构
按跟随和抗扰性能都能较好的原则,在负载扰动点后已经有了一个积分环节,为了实现转速无静差,还必须在扰动作用点以前设置一个积分环节,因此需要Ⅱ由设计要求，转速调节器必须含有积分环节，故按典型Ⅱ型系统—选用设计PI调节器，其传递函数为
（3.20）
3、选择调节器的参数
根据跟随性和抗干扰性能都较好的原则取，则ASR超前时间常数为
（3.21）

转速开环增益：
（3.22）
ASR的比例系数：
（3.23）
4、近似校验
转速截止频率为：
（3.24）
（1）电流环传递函数简化条件：
（3.25）
现在
（3.26）
满足简化条件。
（2）小时间常数近似处理条件：
（3.27）
现在
（3.28）
满足近似条件。
5、计算调节器电阻和电容
调节器输入电阻 ，则
，取200 （3.29）
，取0.2 （3.30）
，取0.5 （3.31）
6、检验转速超调量
当h=5时，查表得，=37.6%，不能满足设计要求。实际上，由于这是按线性系统计算的，而突加阶跃给定时，ASR饱和，不符合线性系统的前提，应该按ASR退饱和的情况重新计算超调量[2]。
设理想空载起动时，负载系数z=0。
（3.32）
当h=5时，
（3.33）
而
（3.34）
因此
（3.35）
满足设计要求。

4 其他电路设计原理

4.1主电路的设计
H桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图4.1所示。PWM逆变器的直流电源由交流电网经不控的二极管整流器产生，并采用大电容滤波，以获得恒定的直流电压。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电动机制动时只好对滤波电容充电，这时电容器两端电压升高称作“泵升电压”。为了限制泵升电压，用镇流电阻Rz消耗掉这些能量，在泵升电压达到允许值时接通VTz[1]。为了实现闭环控制，必须对被控量进行采样，然后与给定值比较，决定调节器的输出，反馈的关键是对被控量进行采样与测量。

图4.1 H桥式直流脉宽调速系统主电路
四单元IGBT模块型号：20MT120UF
主要参数如下：
=1200V =16A =100

4.2 SG3525的设计

图4.3 SG3525引脚图
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500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).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5.1V土1%。可以分压后作为误差放大器的参考电压。

4.3保护电路的设计
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4.4 保护电路

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4.3所示。

5 课程设计实验结果

5.1 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）
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）
3、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，并记录延时时间Td
4、同一桥臂上下管子驱动信号死区时间测试，分别连接“7”和“8”，“10”和“11”，“12”和“13”，“14”和’15’，‘16’和“17”，“18”和“19”，用双踪示波器分别测量Vvt1.gs和Vvt2.gs以及Vvt3.gs和Vvt4.gs的死区时间

5.2 开环系统测试
1、速度反馈系数的测试
断开主电源，并逆时针调节调压器旋钮到底，断开“9”,“10”所接的电阻，接入直流电动机M03，电机加上励磁。
S4扳向上，合上主电源。调节RP3电位器使电机转速逐渐升高，并达到1400r/min,调节FBS的反馈电位器RP，使速度反馈电压为2V。
2、开环系统机械特性测定
使电机转速达1400r/min，改变直流发电机负载电阻Rd，在空载至额定负载范围内测取7-8个点，记录相应的转速n和直流发电机电流Id。

表5.1 N=1400r/min开环系统机械特性测定
n r/min
1400
1308
1290
1270
1250
1240
1225
Id A
0.14
0.37
0.42
0.5
0.6
0.65
0.75

调节RP3，使n=1000r/min和n=500r/min,做同样的记录，可得到电机在中速和低速时的机械特性。

表5.2 N=1000r/min电机在中速时的机械特性
n r/min
1000
932
915
900
875
856
836
Id A
0.12
0.28
0.35
0.4
0.5
0.6
0.7

表5.3 N=500r/min电机在低速时的机械特性
n r/min
500
460
430
425
400
395
375
Id A
0.1
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.5

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。

表5.4 N=-1500r/min开环系统机械特性测定
n r/min
-1500
-1390
-1380
-1369
-1355
-1340
-1335
-1300
Id A
-0.1
-0.35
-0.4
-0.44
-0.5
-0.55
-0.6
-0.75

表5.5 N=-1000r/min电机在中速时的机械特性
n r/min
-1000
-923
-900
-890
-875
-865
-848
Id A
-0.1
-0.28
-0.35
-0.4
-0.45
-0.5
-0.6

表5.6 N=-500r/min电机在低速时的机械特性
n r/min
-500
-455
-428
-414
-400
-387
-375
-348
Id A
-0.08
-0.16
-0.25
-0.3
-0.35
-0.4
-0.45
-0.6

5.3 闭环系统测试
将ASR,ACR均接成PI调节器接入系统，形成双闭环不可逆系统。
1、速度调节器的测试
（1）反馈电位器RP3逆时针旋转到底，使放大倍数最小；
（2）“5”，“6”端接入MEL-11电容器，预置5-7.5uF；
（3）调节RP1,RP2使输出限幅为正负2V.
2、电流调节器的测试
（1）反馈电位器RP3逆时针旋转到底，使放大倍数最小；
（2）“5”“6”端接入MEL-11电容器，预置5-7.5uF；
（3）S5开关打向给定，S4开关板向上，调节MCL-10的RP3电位器，使ACR正饱和，调节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。S5开关打向给定，S4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。
由于采用了脉宽调制，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单，电压平衡方程如下
（5.1）
（5.2）
按电压平衡方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式，电枢两端在一个周期内的电压都是，平均电流用表示，平均转速，而电枢电感压降的平均值在稳态时应为零。于是其平均值方程可以写成
（5.3）
则机械特性方程式
（5.4）
3、机械特性n=f(id)测定，S5开关打向给定，S4开关扳向上，调节MCL-10的RP3电位器，使电机空载转速至1400r/min，再调节发电机负载电阻Rd,在空载至额定负载范围内分别记录7-8点，可测出系统正转时的静特性曲线

表5.7 N=1400r/min系统正转时静特性
n r/min
1519
1520
1525
1522
1522
1522
Id A
0.13
0.4
0.5
0.55
0.6
0.7

S5开关打向给定，S4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1400r/min，再调节发电机负载电阻Rd，在空载至额定负载范围内分别记录7-8点，可测出系统反转的静特性

表5.8 n=-1500r/min系统反转的静特性
n r/min
-1510
-1510
-1499
-1502
-1503
-1504
-1503
Id A
-0.4
-0.45
-0.5
-0.55
-0.65
-0.7
-0.75

4、闭环控制特性n=f(UG）的测定,S5开关打向给定，S4开关扳向上，调节MCL-10的RP3电位器，记录Ug和n,可得出闭环控制特性n=f(UG)
表5.9 闭环控制静特性
n r/min
510
709
237
900
1035
1188
1319
Ug V
1.12
1.51
0.58
1.88
2.13
2.42
2.67

用示波器观察动态波形并记录动态波形，在不同调节器参数下观察，记录下列波形：
（1）突加给定启动时，电动机电枢电流波形和转速波形
（2）突加额定负载时，电动机电枢电流波形和转速波形
（3）突降负载时，电动机电枢电流波形和转速波形

图5.1突加给定启动

5、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，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5.10 测定总电阻R
I A
0.9
0.45
U v
64
83
可得R=△U/△I=（83-64）/（0.9-0.45）=42.23Ω

将电枢电阻Ra短路，
表5.11 测得其他电阻
I A
0.9
0.45
U v
74
83
可得Ra=R-△U/△I=42.23-(83-74)/(0.9-0.45)=22.23Ω

将直流电阻Rl短路， 表5.12 测得其他电阻
I A
0.9
0.45
U v
60
73
可得Rl=R-△U/△I=42.23-(73-60)/(0.9-0.45)=13.33Ω

最后得出整流装置的内阻Rn=42.23-22.23-13.33=6.67Ω

6、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Ce
Ce=Ke&=（Ud2-Ud1)/(n2-n1)
Ce的单位为V/（r/min)
表5.13 电动机加额定励磁空载运行
n r/min
1400
1300
Ud v
195
182
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/A

总结

PWM调速系统采用了双闭环控制，设计的调速系统采用桥式电路作为主电路，ASR和ACR作为调节器，触发电路以SG3525为控制核心，保护电路以过流保护为主。
同开环控制系统相比，转速电流双闭环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。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。双闭环调速系统起动过程的电流和转速波形是接近理想快速起动过程波形的，通过利用饱和非线性控制方法，达到准时间最优控制。
PWM调速系统主电路线路简单，需用的功率器件少，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。在实验过程中开环调速时电流越大转速越小，闭环时转速不随电流变化，从而直流脉宽调速系统闭环时转速可以保持恒定。

参考文献

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[2] 王兆安.电力电子技术[M]. 北京：机械工业出版社,2000.
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[4] 付文.电力拖动自动控制系统实验指导书.　　　　
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