PWM直流雙閉環調速系統設計1 設計分析 1.1雙閉環調速系統的結構圖 直流雙閉環調速系統的結構圖如圖1所示，轉速調節器與電流調節器串極聯結，轉速調節器的輸出作為電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制PWM裝置。其中脈寬調制變換器的作用是：用脈沖寬度調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調節電機轉速，達到設計要求。圖1 雙閉環調速系統的結構圖1.2 調速系統起動過程的電流和轉速波形如圖2所示，這時，啟動電流成方波形，而轉速是線性增長的。這是在最大電流（轉矩）受限的條件下調速系統所能得到的最快的起動過程。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)(a)帶電流截止負反饋的單閉環調速系統起動過程 (b)理想快速起動過程圖2 調速系統起動過程的電流和轉速波形1.3 H橋雙極式逆變器的工作原理脈寬調制器的作用是：用脈沖寬度調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定寬度可變的脈沖電壓序列，從而平均輸出電壓的大小，以調節電機轉速。H形雙極式逆變器電路如圖3所示。這時電動機M兩端電壓的極性隨開關器件驅動電壓的極性變化而變化。圖3 H形雙極式逆變器電路雙極式逆變器的四個驅動電壓波形如圖4所示。圖4 H形雙極式逆變器的驅動電壓波形他們的關系是：。在一個開關周期內，當時，晶體管、飽和導通而、截止，這時。當時，、截止，但、不能立即導通，電樞電流經、續流，這時。在一個周期內正負相間，這是雙極式PWM變換器的特征，其電壓、電流波形如圖2所示。電動機的正反轉體現在驅動電壓正、負脈沖的寬窄上。當正脈沖較寬時，則的平均值為正，電動機正轉，當正脈沖較窄時，則反轉；如果正負脈沖相等，平均輸出電壓為零，則電動機停止。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為如果定義占空比，電壓系數則在雙極式可逆變換器中調速時，的可調范圍為01相應的。當時，為正，電動機正轉；當時，為負，電動機反轉；當時，電動機停止。但電動機停止時電樞電壓并不等于零，而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個交變電流的平均值等于零，不產生平均轉矩，徒然增大電動機的損耗這是雙極式控制的缺點。但它也有好處，在電動機停止時仍然有高頻微震電流，從而消除了正、反向時靜摩擦死區。雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有以下優點：1）電流一定連續。2）可使電動機在四象限運行。3）電動機停止時有微震電流，能消除靜摩擦死區。4）低速平穩性好，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。1.4 PWM調速系統的靜特性由于采用了脈寬調制，電流波形都是連續的，因而機械特性關系式比較簡單，電壓平衡方程如下 . 按電壓平衡方程求一個周期內的平均值，即可導出機械特性方程式，電樞兩端在一個周期內的電壓都是，平均電流用表示，平均轉速，而電樞電感壓降的平均值在穩態時應為零。于是其平均值方程可以寫成則機械特性方程式2 電路設計H橋式可逆直流脈寬調速系統主電路的如圖5所示。PWM逆變器的直流電源由交流電網經不控的二極管整流器產生，并采用大電容濾波，以獲得恒定的直流電壓。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電動機制動時只好對濾波電容充電，這時電容器兩端電壓升高稱作“泵升電壓”。為了限制泵升電壓，用鎮流電阻Rz消耗掉這些能量，在泵升電壓達到允許值時接通VTz。圖5 H橋式直流脈寬調速系統主電路四單元IGBT模塊型號：20MT120UF 生產廠家：IR公司主要參數如下：=1200V =16A =100 2.1給定基準電源此電路用于產生15V電壓作為轉速給定電壓以及基準電壓，如圖6所示：圖6 給定基準電源電路2.2 雙閉環調節器電路設計為了實現閉環控制，必須對被控量進行采樣，然后與給定值比較，決定調節器的輸出，反饋的關鍵是對被控量進行采樣與測量。2.2.1 電流調節器由于電流檢測中常常含有交流分量，為使其不影響調節器的輸入，需加低通濾波。此濾波環節傳遞函數可用一階慣性環節表示，由初始條件知濾波時間常數，以濾平電流檢測信號為準。為了平衡反饋信號的延遲，在給定通道上加入同樣的給定濾波環節，使二者在時間上配合恰當。圖7 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調節器2.2.2 轉速調節器轉速反饋電路如圖8所示，由測速發電機得到的轉速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，由初始條件知濾波時間常數。根據和電流環一樣的原理，在轉速給定通道上也加入相同時間常數的給定濾波環節。圖8 含給定濾波與反饋濾波的PI型電轉速調節器2.3 信號產生電路本設計采用集成脈寬調制器SG3524作為脈沖信號發生的核心元件。根據主電路中IGBT的開關頻率，選擇適當的、值即可確定振蕩頻率。電路中的PWM信號由集成芯片SG3524產生，SG3524采用是定頻PWM電路,DIP-16型封裝。由SG3524構成的基本電路如圖8所示，由15腳輸入+15V電壓，用于產生+5V基準電壓。在6、7引腳之間接入外部阻容元件構成PI調節器，可提高穩態精度。12、13引腳通過電阻與+15V電壓源相連，供內部晶體管工作，由電流調節器輸出的控制電壓作為2引腳輸入，通過其電壓大小調節12、13引腳的輸出脈沖寬度，實現脈寬調制變換器的功能實現。圖9 SG3524管腳圖 圖10 SG3524引腳接線圖圖11 SG3524內部框圖主要參數：輸入電壓Uimax：40V 輸出電流：500mA 好散功率：1W2.4 IGBT基極驅動電路原理工作原理如圖12所示圖12 EXB841內部結構圖EXB841 系列驅動器的各引腳功能如下：腳1 ：連接用于反向偏置電源的濾波電容器；腳2 ：電源（ 20V ）；腳3 ：驅動輸出；腳4 ：用于連接外部電容器，以防止過流保護電路誤動作（大多數場合不需要該電容器）；腳5 ：過流保護輸出；腳6 ：集電極電壓監視；腳7 、8 ：不接；腳9 ：電源；腳10 、11 ：不接；腳14 、15 ：驅動信號輸入（-，）；2.5 基于EXB841驅動電路設計驅動電路中V5起保護作用，避免EXB841的6腳承受過電壓，通過VD1檢測是否過電流，接VZ3的目的是為了改變EXB模塊過流保護起控點，以降低過高的保護閥值從而解決過流保護閥值太高的問題。R1和C1及VZ4接在+20V電源上保證穩定的電壓。VZ1和VZ2避免柵極和射極出現過電壓，Rge是防止IGBT誤導通。針對EXB841存在保護盲區的問題，可如圖12所示將EXB841的6腳的超快速恢復二極管VDI換為導通壓降大一點的超快速恢復二極管或反向串聯一個穩壓二極管，也可采取對每個脈沖限制最小脈寬使其大于盲區時間，避免IGBT過窄脈寬下的低輸出大功耗狀態。針對EXB841軟關斷保護不可靠的問題，可以在EXB841的5腳和4腳間接一個可變電阻，4腳和地之間接一個電容，都是用來調節關斷時間，保證軟關斷的可靠性。針對負偏壓不足的問題，可以考慮提高負偏壓。一般采用的負偏壓是-5V，可以采用-8V的負偏壓(當然負偏壓的選擇受到IGBT柵射極之間反向最大耐壓的限制)，輸人信號被接到15腳，EXB841正常工作驅動IGBT.圖13 EXB841驅動IGBT設計圖主要參數： 電源電壓：20V 最大輸出功率：47mA 最高工作頻率：10kHz2.6 鋸齒波信號發生電路鋸齒波信號發生器SG的輸出信號Us與控制信號在PWM轉換器（SG3524）中進行比較，PWM輸出幅度恒定、寬度變化的方波脈沖序列，即PWM波。SG電路可有UJT或者PUT構成。UJT鋸齒波信號發生器基本電路如圖14所示 圖14鋸齒波信號發生電路2.7轉速及電流檢測電路2.7.1 轉速檢測電路轉速檢測電路如圖15所示。與電動機同軸安裝一臺測速發電機，從而引出與被調量轉速成正比的負反饋電壓，與給定電壓相比較后，得到轉速偏差電壓輸送給轉速調節器。測速發電機的輸出電壓不僅表示轉速的大小，還包含轉速的方向，測速電路如圖15所示，通過調節電位器即可改變轉速反饋系數。圖15轉速檢測電路2.7.2 電流檢測電路通過霍爾傳感器測量電流的電流檢測電路原理如圖16所示。圖16 閉環霍爾電流傳感器的工作原理霍爾電流傳感器的結構如圖13所示。用一環形導磁材料作成磁芯，套在被測電流流過的導線上，將導線中電流感生的磁場聚集起來，在磁芯上開一氣隙，內置一個霍爾線性器件，器件通電后，便可由它的霍爾輸出電壓得到導線中流通的電流。閉環霍爾電流傳感器主要有以下特點： 1）可以同時測量任意波形電流，如：直流、交流、脈沖電流； 2）副邊測量電流與原邊被測電流之間完全電氣隔離，絕緣電壓一般為2kV12kV； 3）電流測量范圍寬，可測量額定1mA50kA電流； 4）跟蹤速度di/dt50A/s； 5）線性度優于0.1IN； 6）響應時間1s； 7）頻率響應0100kHz。3 調節器的參數整定本設計為雙閉環直流調速系統電路基本數據如下：1)PWM裝置放大系數;2)電樞回路總電阻R=8;3)電磁時間常數;4)機電時間常數;5)調節器輸入電阻;設計指標：1)靜態指標：無靜差；2)動態指標：電流超調量；空載起動到額定轉速時的轉速超調量。計算反饋關鍵參數： 3.1電流環的設計 1）確定時間常數PWM裝置滯后時間常數：。電流濾波時間常數:。(和一般都比小得多,可以當作小慣性群近似地看作是一個慣性環節)。2）選擇電流調節器結構根據設計要求：，而且可按典型型設計電流調節器。電流環控制對象是雙慣性型的,所以把電流調節器設計成PI型的，其傳遞函數為式中 電流調節器的比例系數； 電流調節器的超前時間常數。3）選擇電流調節器的參數ACR超前時間常數；電流環開環時間增益:要求，故應取，因此 于是，ACR的比例系數為: 4）校驗近似條件電流環截止頻率: （1）晶閘管裝置傳遞函數近似條件： 即 滿足近似條件；（2) 忽略反電動勢對電流環影響的條件： 即 滿足近似條件；（3) 小時間常數近似處理條件：， 即 滿足近似條件。5）計算調節器電阻和電容 調節器輸入電阻為，各電阻和電容值計算如下 取 ，取 ， 取3.2 轉速環的設計1）確定時間常數（1）電流環等效時間常數 （2）轉速濾波時間常數 （3）轉速環小時間常數近似處理 2）選擇轉速調節器結構按跟隨和抗擾性能都能較好的原則,在負載擾動點后已經有了一個積分環節,為了實現轉速無靜差,還必須在擾動作用點以前設置一個積分環節,因此需要由設計要求，轉速調節器必須含有積分環節，故按典型型系統選用設計PI調節器，其傳遞函數為3）選擇調節器的參數根據跟隨性和抗干擾性能都較好的原則取，則ASR超前時間常數為 轉速開環增益： ASR的比例系數： 4）近似校驗轉速截止頻率為： （1）電流環傳遞函數簡化條件： 現在 ， 滿足簡化條件。（2）小時間常數近似處理條件： 現在， 滿足近似條件。5）計算調節器電阻和電容 調節器輸入電阻 ，則 ，取220 ，取0.2 ，取0.56）檢驗轉速超調量當h=5時，查表得，=37.6%，不能滿足設計要求。實際上，由于這是按線性系統計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統的前提，應該按ASR退飽和的情況重新計算超調量。設理想空載起動時，負載系數z=0。當h=5時，；而，因此 過渡時間，=0.081s當h=5時，滿足設計要求。4 電路圖總體設計5 心得及總結脈沖寬度調制PWM(Pulse Width Modulation),就是指保持開關周期T不變，調節開關導通時間t對脈沖的寬度進行調制的技術。PWM控制技術以其控制簡單,靈活和動態響應好的優點而成為電力電子技術等領域最廣泛應用的控制方式。本文利用SG3524集成PWM控制器設計了一個基于PWM控制的直流調速系統，本系統采用了電流轉速雙閉環控制，并且設計了完善的保護措施，既保障了系統的可靠運行，又使系統具有較高的動、靜態性能。 在當今的社會生活中，電子科學技術的運用越來越深入到了各行各業之中，并得到了長足的發展和進步，自動化控制系統更是的到了廣泛的應用，其中一項重要的應用就是自動調速系統。相較于交流電動機，直流電動機結構復雜、價格昂貴、制造困難且不容易維護，但由于直流電動機具有良好的調速性能、較大的啟動轉矩和過載能力強，適宜在廣泛的范圍內平滑調速，所以直流調速系統至今仍是自調速系統中的重要形式。而伴隨著電力電子技術的不斷發展，開關速度更快、控制更容易的全控性功率器件MOSFET和IGBT成為主流，PWM表現出了越大的優越性：主電路線路簡單，需用的功率器件少；開關頻率高，電流容易連續，諧波少，電機損耗及發熱都較??；低速性能好，穩速精度高，調速范圍寬，可達1:10000左右；若與快速響應的電機配合，則系統頻帶寬，動態響應快，動態抗擾能力強；功率開關器件工作在開關狀態，導通損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，因而裝置效率較高；直流電源采用不控整流時，電網功率因數比相控整流器高。本設計采用PWM技術來對直流電機進行調速，與一般直流調速相比，既減少了對電源的污染，而且使控制過程更簡單方便，減少了對人力資源的使用，又因為線路的簡單化、功率器件需用的減少，使系統的維護、維修變得更加簡單了，但動、靜態性能卻提高了。該系統調速精度與調速范圍要求不是很高，但與傳統的晶閘管可控調速系統相比 ，它具有調速范圍寬、快速性能好、功率因數高、結構簡單等優點，使之以廣泛應用于各行各業的直流調速系統當中。本系統采用了脈寬調制器SG3524來完成，它解決了PWM電路的集成化問題，在實例中就可用此芯片來實現系統的調速。 經過接近四周的努力，終于圓滿的完成了本課程設計及期中大作業。通過親身體驗做課程設計的目的，在于通過理論與實際的結合，進一步提高我們