1、沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計報告目錄1 引 言12 設(shè)計方案的確定及設(shè)計所需設(shè)備儀器22.1 設(shè)計方案22.1.1 機械負載參數(shù)22.1.2 主電源參數(shù)他勵直流電動機的參數(shù)22.2 所需設(shè)備23 調(diào)節(jié)器的電路設(shè)計43.1 電流調(diào)節(jié)器43.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器64 其他電路設(shè)計原理104.1 主電路的設(shè)計104.2 SG3525的設(shè)計114.3 保護電路的設(shè)計135 課程設(shè)計實驗結(jié)果145.1 PWM控制器SG3525性能測試145.2 開環(huán)系統(tǒng)測試145.3 閉環(huán)系統(tǒng)測試15總結(jié)19參考文獻20I1 引 言直流調(diào)速理論基礎(chǔ)是經(jīng)典控制理論，不過最近研制成功的直流調(diào)速器，具有和交流變頻器同等性能的高精度、高穩(wěn)定

2、性、高可靠性，高智能化特點。同時直流電機的低速特性，大大優(yōu)于交流鼠籠式異步電機，為直流調(diào)速系統(tǒng)展現(xiàn)了無限前景。單閉環(huán)直速系統(tǒng)對于運行性能要求很高的機床還存在著很多不足，快速性還不夠好。而基于電流和轉(zhuǎn)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜動態(tài)特性都很理想。而且，直流電機由于具有速度控制容易，啟、制動性能良好，且在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點而在冶金、機械制造、輕工業(yè)等工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。直流時機轉(zhuǎn)速的控制方法可以分為兩類，即勵磁控制法與電樞電壓控制法。本文主要研究直流調(diào)速系統(tǒng)，它主要由三部分組成，包括控制部分、功率部分、直流電動機。長期以來，直流電動機因其具有調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速比較靈活、方法簡單等特點，一直在傳動領(lǐng)域占有統(tǒng)

3、治地位。本文對雙閉環(huán)可逆直流PWM調(diào)速系統(tǒng)進了較深入的研究，從直流調(diào)整系統(tǒng)原理出發(fā)，逐步建立了閉環(huán)12 設(shè)計方案的確定及設(shè)計所需設(shè)備儀器自動控制系統(tǒng)的設(shè)計一般要經(jīng)歷從“機械負載的調(diào)速性能（動、靜）電機參數(shù)主電路控制方案”（系統(tǒng)方案的確定）“系統(tǒng)設(shè)計仿真研究參數(shù)整定直到理論實現(xiàn)要求硬件設(shè)計制版、焊接、調(diào)試”等過程，其中系統(tǒng)方案的確定至關(guān)重要3。為了發(fā)揮同學(xué)們的主管能動作用，且避免方案及結(jié)果雷同，在選定系統(tǒng)方案時，規(guī)定外的其他參數(shù)有同學(xué)自己選定。2.1設(shè)計方案2.1.1 機械負載參數(shù)機械負載為反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載，調(diào)速范圍D=4；直流發(fā)電機： ；轉(zhuǎn)動慣量2.1.2 主電源參數(shù)他勵直流電動機的參數(shù)可以選

4、擇單相交流220V供電；變壓器二次電壓為67V。 ，過載倍數(shù)。2.2 所需設(shè)備1、MCL32電源控制屏2、MCL31組件3、MCL10組件4、MEL11掛箱5、MEL03三相可調(diào)電阻6、電機導(dǎo)軌及測速發(fā)電機7、直流電動機M03，直流發(fā)電機M018、示波器9、萬用表10、導(dǎo)線若干33 調(diào)節(jié)器的電路設(shè)計3.1 電流調(diào)節(jié)器由于電流檢測中常常含有交流分量，為使其不影響調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。此濾波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)表示，由初始條件知濾波時間常數(shù)，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(huán)節(jié)，使二者在時間上配合恰當(dāng)。 圖3.1 電流調(diào)節(jié)器ACR原理圖

5、1、確定時間常數(shù)，PWM裝置滯后時間常數(shù)：。電流濾波時間常數(shù):。(和一般都比小得多,可以當(dāng)作小慣性群近似地看作是一個慣性環(huán)節(jié))。2、選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)計要求：，而且 （3.3）可按典型型設(shè)計電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對象是雙慣性型的,所以把電流調(diào)節(jié)器設(shè)計成PI型的，其傳遞函數(shù)為 （3.4）式中 電流調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；電流調(diào)節(jié)器的超前時間常數(shù)。3、選擇電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)，ACR超前時間常數(shù)；電流環(huán)開環(huán)時間增益:要求，故應(yīng)取，因此 （3.5）于是，ACR的比例系數(shù)為: （3.6）4、校驗近似條件電流環(huán)截止頻率: （3.7）（1）晶閘管裝置傳遞函數(shù)近似條件： （3.8）即 （3.9）滿足近似條件；

6、（2）忽略反電動勢對電流環(huán)影響的條件： （3.10）即 （3.11）滿足近似條件；（3）小時間常數(shù)近似處理條件： （3.12）即 （3.13）滿足近似條件。5、計算調(diào)節(jié)器電阻和電容調(diào)節(jié)器輸入電阻為，各電阻和電容值計算如下： 取 （3.14），取 （3.15），取 （3.16）3.2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速反饋電路如圖3.3所示，由測速發(fā)電機得到的轉(zhuǎn)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(shù)。根據(jù)和電流環(huán)一樣的原理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入相同時間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。圖3.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR原理圖1、確定時間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時間常數(shù)： （3.17）（2） 轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)： （3

7、.18）（3） 轉(zhuǎn)速環(huán)小時間常數(shù)近似處理： （3.19）2、選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)按跟隨和抗擾性能都能較好的原則,在負載擾動點后已經(jīng)有了一個積分環(huán)節(jié),為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差,還必須在擾動作用點以前設(shè)置一個積分環(huán)節(jié),因此需要由設(shè)計要求，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器必須含有積分環(huán)節(jié)，故按典型型系統(tǒng)選用設(shè)計PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 （3.20）3、選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)根據(jù)跟隨性和抗干擾性能都較好的原則取，則ASR超前時間常數(shù)為 （3.21）轉(zhuǎn)速開環(huán)增益： （3.22）ASR的比例系數(shù)： （3.23）4、近似校驗轉(zhuǎn)速截止頻率為： （3.24）（1）電流環(huán)傳遞函數(shù)簡化條件： （3.25）現(xiàn)在 （3.26） 滿足簡化條件。（2）小時間

8、常數(shù)近似處理條件： （3.27）現(xiàn)在 （3.28）滿足近似條件。5、計算調(diào)節(jié)器電阻和電容調(diào)節(jié)器輸入電阻 ，則，取200 （3.29），取0.2 （3.30），取0.5 （3.31）6、檢驗轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時，查表得，=37.6%，不能滿足設(shè)計要求。實際上，由于這是按線性系統(tǒng)計算的，而突加階躍給定時，ASR飽和，不符合線性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計算超調(diào)量2。設(shè)理想空載起動時，負載系數(shù)z=0。 （3.32）當(dāng)h=5時， （3.33）而 （3.34）因此 （3.35）滿足設(shè)計要求。4 其他電路設(shè)計原理4.1主電路的設(shè)計H橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的如圖4.1所示。PWM逆變器

9、的直流電源由交流電網(wǎng)經(jīng)不控的二極管整流器產(chǎn)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(zhèn)流電阻Rz消耗掉這些能量，在泵升電壓達到允許值時接通VTz1。為了實現(xiàn)閉環(huán)控制，必須對被控量進行采樣，然后與給定值比較，決定調(diào)節(jié)器的輸出，反饋的關(guān)鍵是對被控量進行采樣與測量。圖4.1 H橋式直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路四單元IGBT模塊型號：20MT120UF 主要參數(shù)如下：=1200V =16A =100 4.2 SG3525的設(shè)計圖4.3 SG3525引腳圖SG3525

10、采用16 端雙列直插DIP 封裝，各端子功能介紹如下:1 腳:INV. INPUT(反相輸入端):誤差放大器的反相輸入端，該誤差放大器的增益標稱值為80db，其大小由反饋或輸出負載來決定，輸出負載可以是純電阻，也可以是電阻性元件和電容元件的組合。該誤差放大器共模輸入電壓范圍是1. 5V-5. 2V。此端通常接到與電源輸出電壓相連接的電阻分壓器上。負反饋控制時，將電源輸出電壓分壓后與基準電壓相比較。2 腳:NI. INPUT (同相輸入端):此端通常接到基準電壓16 腳的分壓電阻上，取得2.5V 的基準比較電壓與INV. INPUT 端的取樣電壓相比較。3 腳:SYNC(同步端):為外同步用。需

11、要多個芯片同步工作時，每個芯片有各自的震蕩頻率，可以分別他們的4 腳和3 腳相連，這時所有芯片的工作頻率以最快的芯片工作頻率同步。也可以使單個芯片以外部時鐘頻率工作。4 腳:OSC. OUTPUT(同步輸出端):同步脈沖輸出。作為多個芯片同步工作時使用。但幾個芯片的工作頻率不能相差太大，同步脈沖頻率應(yīng)比震蕩頻率低一些。如不需多個芯片同步工作時，3腳和4腳懸空。4腳輸出頻率為輸出脈沖頻率的2倍。輸出鋸齒波電壓范圍為0.6V到3.5V.5 腳:Cr(震蕩電容端):震蕩電容一端接至5腳，另一端直接接至地端。其取值范圍為0.001,uF到0.1uF。正常工作時，在Cr兩端可以得到一個從0.6V到3.5

12、V變化的鋸齒波。6 腳:Rr(震蕩電阻端):震蕩電阻一端接至6腳，另一端直接接至地端。Rr的阻值決定了內(nèi)部恒流值對Cr充電。其取值范圍為2K到150K，Rr和Cr越大充電時間越長，反之則充電時間短。7 腳:DISCHATGE RD(放電端):Cr的放電由5，7兩端的死區(qū)電阻決定。把充電和放電回路分開，有利與通過死區(qū)電阻來調(diào)節(jié)死區(qū)時間，使死區(qū)時間調(diào)節(jié)范圍更寬。其取值范圍為0歐到500歐。放電電阻RD 和CT 越大放電時間越長，反之則放電時間短。8 腳:SOFTSTATR(軟啟動):比較器的反相端即軟啟動器控制端8,端8可外接軟啟動電容，該電容由內(nèi)部Vf的50uA恒流源充電。9 腳:COMPENS

13、ATION(補償端):在誤差放大器輸出端9腳與誤差放大器反相輸入端1腳間接電阻與電容，構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器，補償系統(tǒng)的幅頻、相頻響應(yīng)特性。補償端工作電壓范圍為1.5V 到5.2V.10 腳:SHUTDOWN(關(guān)斷端):10端為PWM 鎖存器的一個輸入端，一般在10端接入過流檢測信號。過流檢測信號維持時間長時，軟起動端8 接的電容C:將被放電。電路正常工作時，該端呈高電平，其電位高于鋸齒波的峰值電位。在電路異常時，只要腳10電壓大于0. 7V，三極管導(dǎo)通，反相端的電壓將低于鋸齒波的谷底電壓(0.9V)，使得輸出PWM信號關(guān)閉，起到保護作用.11 腳:OUTPUT A,14 腳: OUTPUT B(脈沖

14、輸出端):輸出末級采用推挽輸出電路，驅(qū)動場效應(yīng)功率管時關(guān)斷速度更快.11腳和14腳相位相差1800，拉電流和灌電流峰值達200mA。由于存在開閉滯后，使輸出和吸收之間出現(xiàn)重迭導(dǎo)通。在重迭處有一個電流尖脈沖，起持續(xù)時間約為l00ns。可以在V處接一個約0.luf 的電容濾去電壓尖峰。12 腳:GROUND(接地端):該芯片上的所有電壓都是相對于GROUND 而言，即是功率地也是信號地。在實驗電路中，由于接入誤差放大器反向輸入端的反饋電壓也是相對與12腳而言，所以主回路和控制回路的接地端應(yīng)相連。13 腳:VC(推挽輸出電路電壓輸入端):作為推挽輸出級的電壓源，提高輸出級輸出功率。可以和15 腳共用

15、一個電源，也可用更高電壓的電源。電壓范圍是1.8V-3.4V.15 腳:+VIN(芯片電源端):直流電源從15 腳引入分為兩路:一路作為內(nèi)部邏輯和模擬電路的工作電壓;另一路送到基準電壓穩(wěn)壓器的輸入端，產(chǎn)生5.1 士1%V 的內(nèi)部基準電壓。如果該腳電壓低于門限電壓(Turn-off: 8V)，該芯片內(nèi)部電路鎖定，停止工作基準源及必要電路除外)使之消耗的電流降至很小(約2mA).另外，該腳電壓最大不能超過35V.使用中應(yīng)該用電容直接旁路到GROUND 端。16 腳:VREF(基準電壓端):基準電壓端16腳的電壓由內(nèi)部控制在5.1V土1%。可以分壓后作為誤差放大器的參考電壓。4.3保護電路的設(shè)計由于

16、過載、直流側(cè)短路、逆變失敗、環(huán)流和交流側(cè)短路等原因會引起系統(tǒng)過流而損壞可控硅。系統(tǒng)采用了三種過流保護措施：1、電流調(diào)節(jié)器限流，電流整定值為250A;2、過流保護環(huán)節(jié)，整定值為350A;3、快速熔斷器。圖4.4 保護電路開關(guān)穩(wěn)壓器的過電壓保護包括輸入過電壓保護和輸出過電壓保護。開關(guān)穩(wěn)壓器所使用的未穩(wěn)壓直流電源諸如蓄電池和整流器的電壓如果過高,使開關(guān)穩(wěn)壓器不能正常工作,甚至損壞內(nèi)部器件,因此,有必要使用輸入過電壓保護電路。用晶體管和繼電器所組成的保護電路如圖4.3所示。5 課程設(shè)計實驗結(jié)果5.1 PWM控制器SG3525性能測試 分別連接“3”和“5”，“4”和“6”，“7”和“27”，“31”和

17、“22”，“32”和“23”，然后打開面板右下角的電源開關(guān)。1、用示波器觀察“25”端的電壓波形，記錄波形的周期，幅度（包括S1開關(guān)撥向“通”和“斷”兩種情況）2、S5開關(guān)打向0V，用示波器觀察“30”端電壓波形，調(diào)節(jié)RP2電位器，使方波的占空比為50%。S5開關(guān)打向“給定”分別調(diào)節(jié)RP3,RP4，記錄“30”端輸出波形的最大占空比和最小占空比（分別記錄S2打向“通”和“斷”兩種情況）3、邏輯延時時間的測試，S5開關(guān)打向“OV”，用示波器觀察“33”和“34”端的輸出波形，并記錄延時時間Td4、同一橋臂上下管子驅(qū)動信號死區(qū)時間測試，分別連接“7”和“8”，“10”和“11”，“12”和“13”

18、，“14”和15，16和“17”，“18”和“19”，用雙蹤示波器分別測量Vvt1.gs和Vvt2.gs以及Vvt3.gs和Vvt4.gs的死區(qū)時間5.2 開環(huán)系統(tǒng)測試1、速度反饋系數(shù)的測試斷開主電源，并逆時針調(diào)節(jié)調(diào)壓器旋鈕到底，斷開“9”,“10”所接的電阻，接入直流電動機M03，電機加上勵磁。S4扳向上，合上主電源。調(diào)節(jié)RP3電位器使電機轉(zhuǎn)速逐漸升高，并達到1400r/min,調(diào)節(jié)FBS的反饋電位器RP，使速度反饋電壓為2V。2、開環(huán)系統(tǒng)機械特性測定使電機轉(zhuǎn)速達1400r/min，改變直流發(fā)電機負載電阻Rd，在空載至額定負載范圍內(nèi)測取7-8個點，記錄相應(yīng)的轉(zhuǎn)速n和直流發(fā)電機電流Id。表5.

19、1 N=1400r/min開環(huán)系統(tǒng)機械特性測定n r/min1400130812901270125012401225Id A0.140.370.420.50.60.650.75調(diào)節(jié)RP3，使n=1000r/min和n=500r/min,做同樣的記錄，可得到電機在中速和低速時的機械特性。表5.2 N=1000r/min電機在中速時的機械特性n r/min1000932915900875856836Id A0.120.280.350.40.50.60.7表5.3 N=500r/min電機在低速時的機械特性n r/min500460430425400395375Id A0.10.20.250.30.

20、350.40.5斷開主電源，S4開關(guān)撥向“負給定”,然后按照以上方法，測出系統(tǒng)的反向機械特性。表5.4 N=-1500r/min開環(huán)系統(tǒng)機械特性測定n r/min-1500-1390-1380-1369-1355-1340-1335-1300Id A-0.1-0.35-0.4-0.44-0.5-0.55-0.6-0.75表5.5 N=-1000r/min電機在中速時的機械特性n r/min-1000-923-900-890-875-865-848Id A-0.1-0.28-0.35-0.4-0.45-0.5-0.6表5.6 N=-500r/min電機在低速時的機械特性n r/min-500-4

21、55-428-414-400-387-375-348Id A-0.08-0.16-0.25-0.3-0.35-0.4-0.45-0.65.3 閉環(huán)系統(tǒng)測試 將ASR,ACR均接成PI調(diào)節(jié)器接入系統(tǒng)，形成雙閉環(huán)不可逆系統(tǒng)。1、速度調(diào)節(jié)器的測試（1）反饋電位器RP3逆時針旋轉(zhuǎn)到底，使放大倍數(shù)最小；（2）“5”，“6”端接入MEL-11電容器，預(yù)置5-7.5uF；（3）調(diào)節(jié)RP1,RP2使輸出限幅為正負2V.2、電流調(diào)節(jié)器的測試（1）反饋電位器RP3逆時針旋轉(zhuǎn)到底，使放大倍數(shù)最小；（2）“5”“6”端接入MEL-11電容器，預(yù)置5-7.5uF；（3）S5開關(guān)打向給定，S4開關(guān)板向上，調(diào)節(jié)MCL-10

22、的RP3電位器，使ACR正飽和，調(diào)節(jié)ACR的正限幅電位器RP1，用示波器觀察“30”的脈沖，不可移出范圍。S5開關(guān)打向給定，S4開關(guān)打向下至負給定，調(diào)節(jié)MCL-10的RP4電位器，使ACR輸出負飽和，調(diào)整ACR的負限幅電位器RP2，用示波器觀察“30”的脈沖，不可移出范圍。由于采用了脈寬調(diào)制，電流波形都是連續(xù)的，因而機械特性關(guān)系式比較簡單，電壓平衡方程如下 （5.1） （5.2）按電壓平衡方程求一個周期內(nèi)的平均值，即可導(dǎo)出機械特性方程式，電樞兩端在一個周期內(nèi)的電壓都是，平均電流用表示，平均轉(zhuǎn)速，而電樞電感壓降的平均值在穩(wěn)態(tài)時應(yīng)為零。于是其平均值方程可以寫成 （5.3）則機械特性方程式 （5.4

23、）3、機械特性n=f(id)測定，S5開關(guān)打向給定，S4開關(guān)扳向上，調(diào)節(jié)MCL-10的RP3電位器，使電機空載轉(zhuǎn)速至1400r/min，再調(diào)節(jié)發(fā)電機負載電阻Rd,在空載至額定負載范圍內(nèi)分別記錄7-8點，可測出系統(tǒng)正轉(zhuǎn)時的靜特性曲線表5.7 N=1400r/min系統(tǒng)正轉(zhuǎn)時靜特性n r/min151915201525152215221522Id A0.130.40.50.550.60.7S5開關(guān)打向給定，S4開關(guān)打向下至負給定，調(diào)節(jié)MCL-10的RP4電位器，使電機空載轉(zhuǎn)速至1400r/min，再調(diào)節(jié)發(fā)電機負載電阻Rd，在空載至額定負載范圍內(nèi)分別記錄7-8點，可測出系統(tǒng)反轉(zhuǎn)的靜特性表5.8 n=

24、-1500r/min系統(tǒng)反轉(zhuǎn)的靜特性n r/min-1510-1510-1499-1502-1503-1504-1503Id A-0.4-0.45-0.5-0.55-0.65-0.7-0.754、閉環(huán)控制特性n=f(UG）的測定,S5開關(guān)打向給定，S4開關(guān)扳向上，調(diào)節(jié)MCL-10的RP3電位器，記錄Ug和n,可得出閉環(huán)控制特性n=f(UG)表5.9 閉環(huán)控制靜特性n r/min510709237900103511881319Ug V1.121.510.581.882.132.422.67用示波器觀察動態(tài)波形并記錄動態(tài)波形，在不同調(diào)節(jié)器參數(shù)下觀察，記錄下列波形：（1）突加給定啟動時，電動機電樞電

25、流波形和轉(zhuǎn)速波形（2）突加額定負載時，電動機電樞電流波形和轉(zhuǎn)速波形（3）突降負載時，電動機電樞電流波形和轉(zhuǎn)速波形 圖5.1突加給定啟動5、主電路電阻R及電機的電樞電阻Ra，平波電抗器的直流電阻Rl和整流裝置的內(nèi)阻Rn。首先測出主電路電阻R，然后將Ra短路，測出Rl和Rn總和，用R-（Rl+Rn）即可得出電阻Ra的值，接著將電阻Rl短路，測出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 測定總電阻RI A0.90.45U v6483可得R=U/I=（83-64）/（0.9-0.45）=42.23將電樞電阻Ra短路， 表5.11 測得其他電阻I A0.90.45U v7483可得Ra=R-U/I=42.23-(83-74)/(0.9-0.45)=22.23將直流電阻Rl短路， 表5.12 測得其他電阻I A0.90.45U v6