1、直流脉宽调速系统触发和保护电路设计0目录1 绪论 .11.1 直流电动机的调速方法 .11.2 选择 PWM 控制系统的理由 .21.3 采用转速电流双闭环的理由 21.4 设计技术指标要求 .32 PWM 直流调速系统主电路设计 .42.1 主电路结构设计 42.2 主电路逆变工作原理 .52.3 PWM 变换器介绍 62.4 参数设计 .93 直流脉宽调速系统触发电路设计 113.1 触发控制电路设计 .113.2 PWM 信号发生器 113.3 SG3525 芯片的主要特点 .124 转速、电流双闭环设计 .164.1 电流调节器设计 164.2 转速调节器设计 165 参数测定 .17
2、5.1 测定晶闸管直流调速系统主电路电阻值 R、电感值 L 175.2 测定晶闸管直流调速系统主电路电磁时间常数 Td.185.3 测定直流电动机电势常数 Ce 和转矩常数 Cm 195.4 测定晶闸管直流调速系统机电时间常数 Tm196 系统调试 .206.1 单元部件调试 206.2 闭环系统特性测试 .216.3 系统动态特性观察 .227 结束语 .248 参考文献 .25直流脉宽调速系统触发和保护电路设计11 绪论1.1 直流电动机的调速方法直流调速技术的研究和应用已达到比较成熟的地步，尤其是随着全数字直流调速的出现，更提高了直流调速系统的精度及可靠性。目前国内各大专院校，科研单位和
3、厂家也都在开发直流调速装置，但大多数调速技术都是结合工业生产中，而在民用中应用相对较少，所以应用已有的成熟技术开发性能价格比高的，具有自主知识产权的直流调速单元，将有广阔的应用前景。本系统采用转速环和电流环双闭环结构,因此需要实时检测电机的电枢电流并把它作为电流调节器的反馈信号。由电动机理论知，直流电动机的机械特性方程为 TRCUnmeeN2式中 直流电动机的转速（r/min）电动机的额定电压(v)：NR电动机电枢电路总电阻()电动势常数(vminr) ；e转矩常数， 9.55 ;CmmCeT电动机电磁转矩(Nm) ；电动机磁通(wb)。由上式可以知道：直流电动机的调速方法有三种：（1）调节电
4、枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。 Ia变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。直流脉宽调速系统触发和保护电路设计2（2）改变电动机主磁通。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调2速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。 If 变化时间遇到的时间常数同 Ia变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。（3）改变电枢回路电阻R。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有
5、级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。1.2 选择 PWM 控制系统的理由脉宽调制器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。
6、(4） 如果可以与快速响应的电动机配合，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，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。1.3 采用转速电流双闭环的理由同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，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
7、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，单闭环系统就难以直流脉宽调速系统触发和保护电路设计3满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照要求来控制动态过程的电流或转矩。另外，单闭环调速系统的动态抗干扰性较差，当电网电压波动时，必须待转速发生变化后，调节作用才能产生，因此动态误差较大。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，当电枢电流保持最大允许值时，电动机以
8、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。1.4 设计技术指标要求已知的设备参数：1、拖动设备：直流电动机： WPN185VUN20AIN1.，过载倍数 。Nrnmin/60.2、负载：直流发电机： N0NIN5. Nrnmin/03、机组：转动惯量 2265.mGD要求设计指标：1、D，稳态时无静差。 2、稳态转速 n=1500r/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 。%5i %15n直流脉宽调速系统触发和保护电路设计42 PWM 直流调速系统主电路设计2.1 主电路结构设计直流脉
9、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COM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
10、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，
11、象限)，若使COM端与B相接而A端接N，可使电机图 2.1 实验系统原理图直流脉宽调速系统触发和保护电路设计5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
12、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。2.2 主电路逆变工作原理H型桥式可逆直流PWM 调速电路图来对降压、升压斩波电路如下：图2.2 H型桥式逆变电路图2-2中如果始终保持T4导通、T3关断，并使T2截止、T1 周期性地通断，在T1导通的Ton 时间内，UAB=UPN0,iAB0; 在T1截止的Tof f时间内，由于电感电流不能突变，iAB 经D2 续流，UAB=0，A、B 两端电压的平均值UAB
13、=Ton UPN/(Ton+Toff)=UPN,为占空比。可见在上图中当T2 截止时由T1 、D2 构成了一个降压斩波电路，iAB0，UAB0，电机工作在正向电动状态。图2-2中若T1 截止、T2 周期性地通断，在T2 导通的Ton 时间内，UAB= 0, 直流脉宽调速系统触发和保护电路设计6iAB 0;在T2 截止的Toff 时间内，由于电感电流不能突变，电流iAB 经D1 续流，UAB=UPN，A、B 两端电压的平均值UAB= ToffUPN/(Ton+Toff)=（1）UPN,可见当T1 截止时由T2、D1 构成了一个升压斩波电路，UAB0, iAB0，电机工作在正向制动状态，将电能回送
14、给直流电源。由以上对可逆H 桥电路的分析可知，电机的正反转是通过两个半桥电路即两套升/降压斩波电路交替工作来实现的，正转时由T1、T4组成的半桥电路工作，反转时由T2、T3 组成的半桥电路工作。2.3 PWM 变换器介绍脉宽调速系统的主要电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。PWM变换器有不可逆和可逆两类，可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等多种电路。不可逆PWM 变换器分为无制动作用和有制动作用两种。图2-3所示为无制动作用的简单不可逆PWM 变换器主电路原理图，其开关器件采用全控型的电力电子器件。电源电压 s U 一般由交流电网经不可控整流电路提供。电容C的作用是滤波，二极管V
15、D在电力晶体管VT关断时为电动机电枢回路提供释放电储能的续流回路。图2.3 不可逆PWM变换器电路及波形图电力晶体管VT的基极由频率为f，其脉冲宽度可调的脉冲电压 Ub驱动。在一个开关周期T内，当0 t on t 时， Ub为正，VT饱和导通，电源电压通过VT加到电动机电枢两端；当 t ton T时， Ub为负，VT截止，电枢失去电源，经二极管VD续流。这种简单不可逆PWM 电路中电动机的电枢电流 Di不能反向，因此系统没有制动作用，只能做单向限运行，这种电路又称为“受限式”不可逆PWM 电路。这种PWM调速系统，空载或轻载下可直流脉宽调速系统触发和保护电路设计7能出现电流断续现象，系统的静、
16、动态性能均差。双极式可逆PWM变换器的主电路如图2-4所示。图2.4 双极式可逆PWM变换器的主电路四个电力晶体管分为两组，VT1和VT4为一组，VT2和VT3为一组。同一组中两个电力晶体管的基极驱动电压波形相同，VT1 和VT4同时导通和关断； VT2和VT3同时导通和关断。而且 b1 U ， b 4 U 和 b 2 U ， b3 U 相位相反，在一个开关周期内VT1，VT4 和VT2，VT3 两组晶体管交替地导通和关断，变换器输出电压 AB U 在一个周期内有正负极性变化，这是双极式PWM 变换器的特征，也是“双极性”名称的由来。由于电压 AB U 极性的变化，使得电枢回路电流的变化存在两
17、种情况，其电压、电流波形如图2-5 所示。直流脉宽调速系统触发和保护电路设计8图2.5 双极式PWM变换器电压和电流波形如果电动机的负载较重，平均负载电流较大，在0 ton t时， U b1和 Ub4为正，VT1和VT4饱和导通；而 Ub2和 Ub3为负，VT2和VT3截止。这时 U5加在电枢AB两端， UAB = U5 ，电枢电流沿 id回路流通，电动机处于电动状态。在 t t on T时， b1 U 和 b 4 U 为负，VT1 和VT4 截止； U b 2和 U b3为正，在电枢电感释放储能的作用下，电枢电流经二极管VD2和VD3 续流，在VD2和VD3上的正向压降使VT2和VT3的c-
18、e 极承受反压而不能导通，电枢电流 id 沿回路2 流通，电动机仍处于电动状态。如果电动机负载较轻，平均电流小，在续流阶段电流很快衰减到零，即当 t2 = t 时，i d= 0 。于是在 t2 t T 时，VT2 和VT3 的c-e 极两端失去反压，并在负的电源电压（ U5 ）和电动机反电动势E 的共同作用下导通，电枢电流 id 反向，沿回路3流通，电动机处于反接制动状态。在 T t t1 （ 0 t t1 ）时， U b 2 和 U b3变负，VT2和VT3截止，因电枢电感的作用，电流经VD1 和VD4 续流，使VT1和VT4的c-e极承受反压，虽然 U b1 和 U b2 为正，VT1 和
19、VT4 也不能导通，电流沿回路4流通，电动直流脉宽调速系统触发和保护电路设计9机工作在制动状态。当 t ton T时，VT1 和VT4才导通，电流又沿回路1流通。这样看来，双极式可逆PWM变换器与具有制动作用的不可逆PWM变换器的电流波形差不多，主要区别在于电压波形；前者，无论负载是轻还是重，加在电动机电枢两端的电压都在+U5和 U5 之间变换；后者的电压只在+ U5 和0之间变换。这里并未反映出“可逆”的作用。实现电动机制可逆运行，由正负驱动电压的脉冲宽窄而定。当正脉冲较宽时， ton T / 2 ，电枢两端的平均电压为正，在电动运行时电动机正转；当正脉冲较窄时， ton T / 2 ，平均
20、电压为负，电动机反转。如果正、负脉冲宽度相等， ton =T / 2 ，平均电压为零，电动机停止运转。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增加了电动机的损耗，当然是不利的。但是这个交变电流使电动机产生高频微振，可以消除电动机正、反向切换时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用，利于快速切换。2.4 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
21、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直流脉宽调速系统触发和保护电路设计10图2.6 IGBT信号及波形图(2)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 ，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
22、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=2000 F ；电压U=450V；VT选取IRGPC50U型号的IGBT管；电阻选取R=20 。直流脉宽调速系统触发和保护电路设计113 直流脉宽调速系统触发电路设计3.1 触发控制电路设计集成脉宽调制控
23、制器SG3525是控制电路的核心，它采用恒频脉宽调制控制方案，适合于各种开关电源、斩波器的控制。本实验电路中用SG3525 产生的脉宽调制信号作为IGBT 的驱动信号，其原理框图见图3-1。图 2-6 双闭环不可逆直流调速系统原理图其中：G：给定器；DZS：零速封锁器；ASR：速度调节器；ACR 电流调节器：GT：触发装置；FBS：速度变换器；FA：过流保护器；FBC：电流变换；AP1：I 组脉冲放大器；图 3.1 双闭环调速系统的原理框图3.2 PWM 信号发生器PWM 信号发生器以集成可调脉宽调制器 SG3525 为核心构成，他把产生的电压信号送给 H 桥中的四个 IGBT。通过改变电力晶
24、体管基极控制电压的占空比，而达到调速的目的。其控制电路如图 3-1 所示.直流脉宽调速系统触发和保护电路设计12图 3-2 PWM 控制电路图 3-3 占空比3.3 SG3525 芯片的主要特点SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调直流脉宽调速系统触发和保护电路设计13整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。它采用恒频
25、脉宽调制控制方案，其内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。调节Ur的大小，在A、B两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位相互错开180度、占空比可调的矩形波（即PWM信号）。它适用于各开关电源、斩波器的控制。输出级采用推挽输出，双通道输出，占空比0-50%可调.每一通道的驱动电流最大值可达200mA,灌拉电流峰值可达500mA。可直接驱动功率MOS管，工作频率高达400KHz，具有欠压锁定、过压保护和软启动振荡器外部同步、死区时间可调、PWM琐存、禁止多脉冲、逐个脉冲关断等功能。该电路由基准电压源、震荡器、误差放大器、PWM比较器与锁存器、分相器、欠压锁定
26、输出驱动级，软启动及关断电路等组成，可正常工作的温度范围是0-700C。基准电压为5.1V士1%，工作电压范围很宽，为8V到35V.图3.2 SG3525内部结构图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。直流脉宽调速系统触发和
27、保护电路设计142 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
28、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
29、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
30、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直流脉宽调速系统触发和保护电路设计15脉冲，起持续时间约为l00ns。可以在V100%Ied）时电动机电枢电流波形和转速波形；直流脉宽调速系统触发和保护电路设计247 结束语本次课程设
31、计为直流脉宽调速系统触发和保护电路设计，是以控制电路为核心，采用恒频脉宽调制控制方案，由SG3525构成了PWM 信号的产生和驱动。其SG3525 产生的脉宽调制信号作为IGBT 的驱动信号，而第11.14 引脚输出信号经放大后再驱动IGBT;主电路中采用两个IGBT 构成的半桥型结构，可看成一个降压变换器和一个升压变换器电路的组合；使其实现无静差的转速闭环控制。本闭环控制的PWM直流脉宽调速系统应用于教学实验和制作实验挂件，在教学和研究领域发挥作用，方便同学及老师研究，提高安全性和效益性。通过本次设计，使我们能够冲分的把握理论语实践的相结合。用我们所学过的理论知识同构通过完成本设计充分发挥出
32、来。在本设计中我们不但要运用电机理论知识，还要充分运用单片机.电路.电力电子.交流调速等方面的知识，使我们所学过的知识进行综合的应用。增强我们对所学知识进行综合的应用及综合应用能力，从而达到学至所用的目的，使我们明白把所学的知识能充分应用，那才是真正的学会了。直流脉宽调速系统触发和保护电路设计258 参考文献1、许晓峰.电机及拖动北京：高等教育出版社，20042、莫正康.电力电子应用技术北京:机械工业出版社，20003、宋书中.交流调速系统北京:机械工业出版社，19994陈 坚.电力电子学电力电子变换和控制技术M. 高等教育出版社，2002.5陈伯时. 电力拖动自动控制系统M.机械工业出版社，2000.6黄俊,王兆安. 电力电子变流技术M. 北京:机械工业出版社，1999.7马志源. 电力拖动控制系统M.北京：科学出版社, 2003.
