实验三十三双闭环控制的直流脉宽调速系统(H桥).doc

实验三十三 双闭环控制的直流脉宽调速系统（H桥）

一、实验目的
(1)了解PWM全桥直流调速系统的工作原理。
(2)分析电流环与速度环在直流调速系统中的作用。
二、实验所需挂件及附件
序号
编号
备注
1.
DJK01 电源控制屏
该挂件包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。
2.
DJK08可调电阻、电容箱

3.
DJK09 单相调压与可调负载

4.
DJK17 双闭环H桥DC/DC变换直流调速系统

5.
DD03-2电机导轨﹑测速发电机及转速表
或DD03-2电机导轨、光码盘测速系统及数显转速表
6.
DJ13-1 直流发电机

7.
DJ15 直流并励电动机

8.
D42　三相可调电阻

9.
慢扫描示波器
自备
10.
万用表
自备

三、实验线路及原理
本实验系统原理框图如图5-12所示：

图5-12 双闭环H桥DC/DC变换直流调速系统原理框图

(1)系统组成
给定值Ug与速度反馈量Ufn叠加后经速度调节器ASR的PI调节作为电流环的给定输入，它与电流反馈量Ufi叠加后经电流调节器ACR的PI调节向PWM调节器输出一控制电平Uc，PWM调制器产生一频率不变的矩形脉冲波，其脉冲宽度即占空比将随Uc值的变化而改变，其占空比可调范围0 £r£1。此PWM脉冲经逻辑延时，功放、隔离等处理后，送到开关器件（IGBT管）的栅极。外加直流电源Us经H全桥逆变电路输出一与占空比r相对应的调制电压，经平波电抗器Ld驱动直流电机M，发电机G则作为电动机的负载，由同轴上的测速发电机取得速度反馈信号。电流反馈信号取自主电路的取样电阻Rs两端。
(2)PWM的生成原理
在图5-12中，PWM调制器用于产生一路PWM脉冲波,它是由专用芯片TL494产生，其内部原理图如图5-13所示：

图5-13 TL494的内部原理图

在本实验中，把PWM调制器接成图5-14所示：

图5-14 PWM波形发生器外围接线图
上图中只利用了TL494的一组输出脉冲。只要控制TL494的输入端即“1”脚输入一电平,即可以在输出端“8”脚相应地得到占空比可调节的PWM脉冲,其中PWM脉冲的频率为5.7KHz。
(3)H桥逆变电路结构原理
H桥DC/DC逆变电路的结构图如图5-15所示。

图5-15 双闭环H桥DC/DC变换直流调速系统功能原理框图

本实验系统的主电路采用单极性PWM控制方式，其中主电路由四个IGBT管构成H桥，G1～G4分别由PWM产生电路产生后经过驱动电路放大，再送到IGBT相应的栅极，用以控制IGBT管的通断。单极性的控制方式是这样进行控制的：在图5-15中，左边两个管子的驱动脉冲UG1=-UG2，使VT1和VT2交替导通；而右边两管VT3、VT4因电机的转向施加不同的直流控制信号。在电机正转时，VG4恒为正，VG3恒为负，使VT4常通，VT3截止。在电机反转时，VT4截止而VT3常通。四个快恢复二极管VD1～VD4用于逆变电路的续流。
其中电流调节器的电流反馈量是由主回路中的取样电阻Rs进行取样的。速度反馈量取自测速发电机输出的电压值。
本实验系统可设定不同的给定量、速度反馈量及电流反馈量，以完成开环、电流单闭环、速度单闭环及双闭环的调速实验。
由于给定量Ug恒为正，因此速度反馈量必须为负值，在需用到速度闭环时必须检测测速发电机提供的输出电压的极性，将正端连接到面板T1端，负值端连接到面板的T2端(面板上左边的接线柱为T1,右边的接线柱为T2端)。面板上的转向选择开关改变，速度信号与T1、T2端的连线也相应改变。
四、实验内容
(1)观测并记录在电机正、反转时，H桥四个臂开关器件的不同控制逻辑。
(2)观测并记录电枢回路电流Id随给定电压Ug、负载电阻Rg改变的波形。
(3)电机的正、反转机械特性n=f（Id）的测定。
(4)电机的正、反转控制特性n=f（Ug）的测定。
五、预习题
(1)在驱动脉冲形成过程中，为什么要加逻辑延时（死区），延时过长会影响那些指标？
(2)H桥变换器的单极式工作模式与双极式工作模式相比有哪些特点？
(3)加大转速反馈深度会对调速系统哪些指标产生影响？
六、实验方法
(1)电机在正、反转时H桥开关器件控制波形的观测：
按系统原理图1-1连接线路。此时测速发电机输出暂不接入控制系统中。电流反馈量电位器调至零，使系统处于开环状态。闭合本调速系统的控制电源，再闭合提供的直流电源Us。
用示波器观测TL494输出的PWM脉冲，通过调节给定电压量调节电位器使输出脉冲占空比为r=100%，用万用表测量此时的Uc=Ucmax，并记录之。
调节Ug至占空比约50%，用双踪示波器同时观测面板上驱动正脉冲G1-E1与负脉冲G2-E2的输出信号，适当调节示波器扫描时间使脉冲上升、下降沿关系清晰，并记录之。
给定电压Ug由最小值0逐渐上调使Uc逐渐上升至Ucmax，将此过程中G1-E1、G2-E2、G3-E3、G4-E4的占空比变化过程填入下表：

为了在实验中用双踪示波器测量G1～G4的波形而不造成短路现象，因此G1～G4的波形是在光耦隔离器的输入端取出的，它只反映波形的占空比随输入控制电平及正反转控制的变化，并不能代表送到IGBT管的栅极的实际波形。本实验中，G1，G2的波形是通过射极跟随输出的，它的峰值约为4.4V，而送到IGBT管的实际驱动波形的峰值为15V。在实验中对这个现象能加以分析。
(2)电枢回路电流波形的观测：
重复步骤1。
为了观测电枢回路的电流波形，将图5-12电枢回路中A点处连线断开，串入1W/10W固定电阻R，将面板上的转向选择开关拨到“正转”，示波器探头接R两端，闭合直流电源。
将Ug逐渐调至Uc=Ucmax，调节发电机的负载电阻RG使Id=Ied，慢慢减少Ug的值,观测电动机电枢回路电流Id的变化，选典型波形记录之。
调节给定电位器Ug使Uc由高电平快速下降,观测Id的稳定过程。
(3)系统开环机械特性的测定
重复步骤（一）中的1。
逐渐增加给定电压Ug使电机启动，升速；调节给定Ug与负载电阻RG使电动机Id=Ied，n=1200rpm。其中Ied指电机的额定电流。
Ug不变，改变RG使Id逐渐下降，测出相应的转速n及电流平均值Id，记录于下表：
n(rpm)

Id(A)

(4)系统闭环特性的测定
将电流反馈量调节电位器调到最高端。
转向选择开关拨至“正向”，Ug>0，电动机启动后，测量测速发电机输出电压，将高电位端接入速度反馈的T1端，低电位端接入T2，以保证速度反馈为负值。
闭环机械特性的测定
①调节给定Ug、转速反馈和电流反馈调节电位器使电机转速n=1200rpm，这时Un=-0.9V，Ui=0.4V，Ug=1.89V。改变负载电阻RG，将平均电流Id及转速n记录于下表。
②调节给定Ug、转速反馈和电流反馈调节电位器使电机转速n=1000rpm，这时Un=-0.76V，Ui=0.33V，Ug=1.58V，改变负载电阻RG，将相关Id与n记录于下表。
转速： 电流：
n（rpm）
1200

Id（A）

n（rpm）
1000

Id（A）

③将转向选择开关为“反向”重复确定测速发电机电压的接入极性；再测定其闭环机械特性，如实验方法中的4，并记录于上表。
闭环控制特性的测定
调节给定Ug及负载电阻RG，使系统稳定在Id=Ied，n=1200rpm，逐渐降低Ug，记录相关的Ug与n于下表。
正转
n（rpm）

Ug（V）

反转
n（rpm）

Ug（V）

动态波形的观测
①使电机稳定于n=1200rpm，Ug不变；突加、突减负载（60%Id～100%Id）时的id、n波形。
②改变电流反馈量及转速反馈量，重复上述（1）的步骤。
七、实验报告
(1)按照实验方法3记录的波形描述导通臂与关断臂切断状态时的控制逻辑原则。
(2)画出上述实验中记录的各工作特性曲线n=f（zd），并比较它们的静差率。
(3)画出闭环控制特性曲线n=f（Ug）。
八、注意事项
(1)为保证系统在负反馈状态下运行，测速发电机输出电压极性与控制系统的连接必须正确。
(2)在测量电枢电流时，应将转速开关拨到“正向”，以保证示波器“地”为低电位。
(3)在Ug下调，使电机减速时，应缓慢调节。
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