《H型雙極式PWM直流調速系統(tǒng)課程設計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《H型雙極式PWM直流調速系統(tǒng)課程設計（16頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、H型雙極式PWM直流調速系統(tǒng)課程設計 控制系統(tǒng)課程設計 設計題目：H型雙極式PWM直流調速系統(tǒng)設計 學生姓名：王峰 學 號：200515221108 專業(yè)班級：05自動化1班 學 部：信息科學與技術部 指導教師：梁秀滿 2008 年 11 月 28 日 河北理工大學 本科生課程設計成績總評表 學部：信息科學與技術部 班級：05自動化1班 學生姓名 王峰 設計總成績 設計題目 H型雙極式PWM直流調速系統(tǒng)設計 說明書評定成

2、績 答辯成績 答 辯 時 需 要 設 計 人 回 答 的 問 題 注：設計總成績 說明書評定成績（60%）＋答辯成績（40%） 設計任務書 一 性能指標要求： 穩(wěn)態(tài)指標：系統(tǒng)無靜差 動態(tài)指標：；空載起動到額定轉速時。 二 給定電機及系統(tǒng)參數： Ω 電樞回路總電阻R 8Ω 電樞回路總電感L 120mH 三 設計步驟及說明書要求： 1 畫出系統(tǒng)結構圖，并簡要說明工作原理。 2 根據給定電機參

3、數，設計整流變壓器，并計算變壓器容量及副邊電壓值;選 擇整流二極管及開關管的參數，并確定過流、過壓保護元件參數。 3分析PWM變換器，脈寬調制器（UPW）及邏輯延時（DLD）工作原理。 4 設計ACR、ASR并滿足給定性能指標要求。 5 完成說明書，對構成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)分析時，應先畫出本環(huán)節(jié)原理圖，對照分析。 6打印說明書（A4），打印電氣原理圖（A4）。 目錄 一 引言??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1

4、 二 系統(tǒng)構成和原理??????????????????????????????????????????????????????????????????????1 三 PWM主電路設計????????????????????????????????????????????????????????????????????????3 四 電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器的設計????????????????????????????????????????4 4.1 電流調節(jié)器ACR的設計?????????????????????????????????????????????????????????

5、?????????4 4.2轉速調節(jié)器ASR設計????????????????????????????????????????????????????????????????????????4 等效閉環(huán)傳遞函數????????????????????????????????????????????????????????7 節(jié)器結構的選擇????????????????????????????????????????????????????????????8 數的確定???????????????????????????????????????????????????????????

6、?????????????8 節(jié)器參數的選擇????????????????????????????????????????????????????????????8 似條件????????????????????????????????????????????????????????????????????????????8 速超調量????????????????????????????????????????????????????????????????????????8 節(jié)器的實現????????????????????????????????????????????????

7、????????????????????9 五 基于SG3525 為核心構成的控制電路????????????????????????????????????9 5.1 SG3525芯片的內部結構及工作原理????????????????????????????????????????????????9 5.2邏輯延時環(huán)節(jié)??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????10 六 驅動電路設計?????????????????????????????????????

8、???????????????????????????????????????????11 七 電流反饋和轉速反饋電路設計????????????????????????????????????????????????12 7.1電流反饋電路設計??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????12 7.2轉速反饋電路設計????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????13

9、 八 結束語??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????13 九 參考文獻??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????15 十 總電路圖…………………………………………………… 16 1引言 直流電動機由于有著廣泛的起制動性能，宜于在廣泛范圍內平滑調速，且直流拖動系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟

10、，因而目前應用廣泛。直流電機在一定范圍內無極平滑調速系統(tǒng)來說，以調節(jié)電樞電壓的方式最好。直流PWM調速系統(tǒng)作為一種新技術，發(fā)展迅速，應用日益廣泛，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已取代V-M系統(tǒng)成為主要的直流調速方式。脈寬調速實質上是調壓調速方式中的一種，它采用全控型電力電子器件組成的直流脈沖調制型的調速系統(tǒng)已發(fā)展成熟，用途越來越廣，與傳統(tǒng)的V-M系統(tǒng)相比，在很多方面有很大的優(yōu)越性。 雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點： （1）電流一定連續(xù)； （2）可使電機在四象限運行； （3）電機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)； （4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調速范圍可達1:20000左右；

11、（5）低速時，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。 雙極式控制方式的不足之處是：在工作過程中，4個開關器件可能都處于開關狀態(tài)，開關損耗大，而且在切換時可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅動脈沖之間，應設置邏輯延時。 2系統(tǒng)構成和原理 直流雙極式可逆PWM調速系統(tǒng)的組成見附錄1。圖中可逆PWM 變換器主電路系采用MOSFET 所構成的H 型結構形式，它由四個功率MOSFET管和四個續(xù)流二極管組成的雙極式PWM 可逆變換器，根據脈沖占空比的不同，在直流電機上可得到+或-的直流電壓。PWM變換器的作用是：用PWM調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成

12、頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調節(jié)電機轉速。TG 是與直流電動機連動的測速發(fā)電機，經過速度變換器FBS后可獲得一反映轉速變化的速度反饋信號，此信號接入速度調節(jié)器ASR 的反饋輸入端，G為電壓給定器，可提供正、負電壓，電壓大小可以調節(jié)。SG3525 為脈寬調制器。R1、C1、VD1、R2、C2、VD2 構成邏輯延時環(huán)節(jié)。 二極管整流橋把輸入的交流電變?yōu)橹绷麟?，正常情況下，交流輸入為380V，經過整流后變?yōu)?20V直流電，電阻R1為起動限流電阻,在VT1 和VT4的源極回路中，串接兩個取樣電阻，其上的電壓分別反映流過VT2、VT4的電流,經過差分放大輸出一反

13、映電流大小的電壓，可作為雙閉環(huán)系統(tǒng)的電流反饋信號，接到電流調節(jié)器ACR的輸入端。回路中的電阻R2 有兩個作用。第一，可以用來觀察波形,其上的電壓波形反映了主回路的電流波形。第二，作為過流保護用。當R2的電壓超過整定值后，過流保護電路動作，關閉脈沖，從而保護功率MOSFET管。 3 PWM主電路設計 按電路能否始終保持電流連續(xù)分為受限式和非受限式兩種，而按輸出電壓極性是否單一又分為單極性和雙極性兩種類型。圖1中裝置系統(tǒng)結構圖采用的是H型變換器。采用恰當的控制方式可讓其工作于雙極性非受限式的狀態(tài)下。功率開關管VT1和VT4同時導通和關斷，其驅動電壓Ug1 Ug4；VT2和VT3同時動作，其驅動

14、電壓Ug2 Ug3 -Ug1。經分析易知，不論電流路徑如何，只要VT1和VT4上加的是正向的控制信號，電機電樞兩端電壓UAB Us（Us指電容兩端電壓），只要VT2和VT3兩端加的是正向的控制信號，電機電樞兩端電壓UAB -Us。設VT1 開關周期為T，一個周期內VT1上所加正向控制信號的時間是ton，則電機電樞的平均電壓為：，若令。當為正值時電機正轉，當為負值時電機反轉。當為零時電樞兩端平均電壓為零，電機不轉。雖然電機不動，電樞兩端的瞬時電壓和瞬時電流都不是零，而是交變的。這個交變電流平均值為零，不產生平均轉矩，徒然增大電機的損耗。但它的好處是使電機帶有高頻的微振，起著所謂“動力潤滑”的作用

15、，消除正、負反向時的靜磨擦死區(qū)，使電機低速時有較好的動靜態(tài)特性。電樞電壓極性在每個周期內都是變化的，但是開關管的頻率做得很高，電機運行時由于慣性其轉速瞬間不會變化，再加上電樞電感對電流有濾波作用，所以電機轉速可以認為是穩(wěn)定的。但是這里的穩(wěn)態(tài)，指的是電機的平均電磁轉矩與負載轉矩相平衡的狀態(tài)，電樞電流實際上是周期變化的，只能算是準穩(wěn)態(tài)。脈寬調速系統(tǒng)在準穩(wěn)態(tài)下的機械特性是其平均轉速與平均轉矩（電流）的關系。 圖1 PWM調速主電路 4電流調節(jié)器和轉速調節(jié)器的設計 ? 設計多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則是：從內環(huán)開始，一環(huán)一環(huán)地逐步向外擴展。在這里是：先從電流環(huán)入手，首先設計好電流調節(jié)器，然后把

16、整個電流環(huán)看作是轉速調節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，再設計轉速調節(jié)器。 雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構如圖所示，由于電流檢測信號中常含有交流分量須加低通濾波，其濾波時間常數Toi按需要選定。濾波環(huán)節(jié)可以抑制反饋信號中的交流分量，但同時也給反饋信號帶來延滯。為了平衡這一延滯作用，在給定信號通道中加入一個相同時間常數的慣性環(huán)節(jié)，稱作給定濾波環(huán)節(jié)。其意義是：讓給定信號和反饋信號經過同樣的延滯，使二者在時間上得到恰當的配合，從而帶來設計上的方便。 圖雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖 ASR的輸入信號來自給定環(huán)節(jié)的輸出Ugd和測速發(fā)電機TG的輸出Ufn。為例滿足系統(tǒng)動、靜態(tài)品質的要求，轉速調節(jié)器采用比例積分放

17、大器。其輸出信號作為電流調節(jié)器ACR的給定電壓信號。轉速調節(jié)器設有正負限幅，限幅值Ugim βId在反饋電壓輸入端和給定電壓輸入端均設有無源T型濾波環(huán)節(jié)，濾去高次諧波干擾信號。場效應管FET，保證系統(tǒng)停車時，本調節(jié)器鎖零。 在設計轉速調節(jié)器時，可把已設計好的電流環(huán)看作是轉速調節(jié)系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，為此，須求出它的等效傳遞函數。其閉環(huán)傳遞函數為： 轉速環(huán)的截止頻率一般較低，因此可降階近似為：? （4-3） 節(jié)器結構的選擇 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(huán)節(jié)，從動態(tài)性能上看，調速系統(tǒng)首先需要有較好的抗擾性能因

18、此型系統(tǒng)。要把轉速環(huán)校正成典型型系統(tǒng)，ASR也應該采用PI調節(jié)器，其傳遞函數為： 式中：為轉速調節(jié)器的比例系數；為轉速調節(jié)器的超前時間常數。 轉速濾波時間常數，根據所用測速發(fā)電機紋波情況，取 轉速環(huán)小時間常數，按小時間常數近似處理 節(jié)器參數的選擇 轉速調節(jié)器的參數包括和。至于中頻寬h應選多大，按照典型型系統(tǒng)的參數選擇方法，，則ASR的超前時間常數為 轉速開環(huán)增益 于是，ASR的比例系數為： 似條件 轉速環(huán)截止頻率為： 電流環(huán)傳遞函數簡化條件： ，現在 ，滿足簡化條件。 小時間常數近似處理條件： ，現在 ，滿足簡化條件。 當轉速環(huán)截止頻率較低時，對于轉速環(huán)的頻率特

19、性來說，原系統(tǒng)和近似系統(tǒng)只在高頻段有一些差別。 ，設理想空載起動時根據退飽和公式既有： （4-5） 當時，查表可得；而，因此 ，。 節(jié)器的實現 含給定濾波和反饋濾波的PI型轉速調節(jié)器原理圖如圖所示，圖中為轉速給定電壓，為轉速負反饋電壓，調節(jié)器的輸出是電流調節(jié)器的給定電壓。與電流調節(jié)器相似，轉速調節(jié)器參數與電阻、電容值的關系為：，則 ，取 ，取 ，取 5 基于SG3525 為核心構成的控制電路 5.1 SG3525芯片的內部結構及工作原理 SG3525采用恒頻脈寬調制控制方案,適合于各種開關電源,斬波器的控制。其內部包含精密基準源、鋸齒波

20、振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器等,并含有欠壓鎖定電路,閉鎖控制電路和軟起動電路。 采用集成芯片產生PWM 信號進行控制具有線路較為簡單，易于控制，無需編程等特點，是目前PWM常用的方法。美國硅通公司的SG3525A是性能優(yōu)良，功能齊全，通用性強的單片集成PWM 控制器。具體內部結構圖見附錄2。基準電壓部分對內部供電，對外作為基準參考電壓；振蕩器產生近似的鋸齒波，鋸齒波的頻率由和振蕩器相連接的外接的電阻電容決定，同時對應于鋸齒波的下降沿產生一時鐘脈沖CP；在時鐘脈沖CP的作用下，分相器（T觸發(fā)器）的兩輸出端產生兩相位相反的方波信號，其頻率是鋸齒波頻率的一半；誤差放大器是差動輸入放大器，同相

21、輸入端端2接給定電壓，閉環(huán)控制制時反向輸入端1接反饋電壓，端9和端1之間接入適當的反饋網絡構成調節(jié)器可滿足系統(tǒng)動靜特性的要求；外加于端9的信號和誤差放大器的輸出疊加于比較器的一反向輸入端，比較器的同相輸入端加振蕩器產生的鋸波信號，這樣比較器的輸出端產生PWM 信號，改變外加于端9 的信號或來自于端2的反饋信號或端1的給定信號均可改變PWM 信號的占空比；內部PWM 鎖存器可以使關閉更可靠；兩個輸出級結構是一樣的，門電路輸出上側為或非門，下側為或門，門電路的輸入A端，C端和D端所加的信號是一樣的，分別是欠壓鎖定輸出，時鐘脈沖CP 和來自鎖存器的PWM信號，分相器的兩輸出端分別加到兩輸出級的門電路

22、B 端，由于分相器輸出兩相位相反的方波，所以芯片兩對外輸出端輸出的是兩波形一樣而相位相差180°的PWM信號，而且頻率是比較器產生的PWM信號的一半。另外此芯片還帶有閉鎖控制，軟起動，欠壓鎖定功能。本裝置結構圖中SG3525A的5、6、7 管腳接上恰當的固定大小的電阻電容，以決定最終輸出的PWM信號的頻率。管腳9開環(huán)時加給定信號，閉環(huán)時加ACR（或ASR）的輸出，9 端所加電壓的大小決定PWM的占空比。定頻調寬控制方式。13端作為PWM信號的輸出端。 主電路功率開關管的控制所需要信號是對角上兩管控制信號相同，而同一橋臂上的控制信號相反。這樣主電路需要兩路互為反向的控制信號。SG3525的

23、13端的輸出信號作為一路信號，其經過一反向器后作為另一路信號即可滿足所需。雖然目前的工藝水平可以使電力電子半導體開關器件開關頻率做得很高，但其導通和關斷仍會占用一極短的時間，控制信號消失的瞬間并不意味著功率開關管就真正關斷。假如一功率開關管的控制信號剛消失的同時給同一橋臂另一功率開關管加控制信號很可能造成同一橋臂的兩管子同時導通而形成對電源短路。為了避免這種情況發(fā)生，設置了邏輯延時環(huán)節(jié)。邏輯延時環(huán)節(jié)的二極管使低電平信號或說負信號照樣通過R和C延遲高電平信號向后傳送的時間。這樣就可以保證一功率開關管可靠關斷后再給與其同一橋臂上的功率開關管加高電平信號，避免其同時導通。電路連接圖見圖5所示。 圖

24、5 SG3525控制及延時電路 6驅動電路設計 本脈寬調速裝置中主電路是強電，控制電路屬弱電。控制電路對主電路進行控制時就需要隔離環(huán)節(jié)。SG3525A 產生的PWM 信號較小，不能直接驅動大功率的開關管。所以要加上驅動環(huán)節(jié)。本裝置功率開關器件用的是MOSFET，可以選擇用專用的集成驅動芯片。 ?IR2110是美國IR公司生產的高壓、高速PMOSFET和IGBT的理想驅動器。該芯片采用HVIC和閂鎖抗干擾制造工藝，集成DIP、SOIC封裝。IR2110具有獨立的低端和高端輸入通道懸浮通道電源采用自舉電路，其電壓最高可達500V；功率器件柵極驅動電壓范圍10V~20V；輸出電流峰值為2A;

25、邏輯電源范圍5V~20V，而且邏輯電源地和功率地之間允許+5V的偏移量；帶有下拉電阻的COMS施密特輸入端，可以方便地與LSTTL和CMOS電平匹配；獨立的低端和高端輸入通道，具有欠電壓同時鎖定兩通道功能; 兩通道的匹配延時為10ns；開關通斷延時小，分別為120ns和90ns工作頻率達500kHz。其內部結構主要包括邏輯輸入，電平轉換及輸出保護等自舉二極管VD1和電容C1是IR2110在PWM應用時需要嚴格挑選和設計的元器件，應根據一定的規(guī)則對其進行調整，使電路工作在最佳狀態(tài)。在工程應用中，取自舉電容。式中，Qg為門極提供的柵電荷。假定自舉電容充電路徑上有1.5V的壓降包括VD1的正向壓降，

26、則在器件開通后，自舉電容兩端電壓比器件充分導通所需要的電壓10V要高。同時，在選擇自舉電容大小時，應綜合考慮懸浮驅動的最寬導通時on 和最窄導通時間ton min 。導通時間既不能太大影響窄脈沖的驅動性能，也不能太小而影響寬脈沖的驅動要求。根據功率器件的工作頻率、開關速度、門極特性對導通時間進行選擇，估算后經調試而定。VD1主要用于IR2110 的擴展應用單從驅動PM 和IGBT 的角度考慮，均不需要柵極負偏置。Vge 0，完全可以保證器件正常關斷。但在有些情況下，負偏置是必要的。這是因為當器件關斷時，其集電極－發(fā)射極之間的過高時，將通過集電極－柵極之間的（密勒）電容以尖脈沖的形式向柵極饋送

27、電荷，使柵極電壓升高，而PM，IGBT 的門檻電壓通常是3～5V 左右，一旦尖脈沖的高度和寬度達到一定的水平，功率器件將會誤導通，造成災難性的后果。而采用柵極負偏置，可以較好地解決這個問題。 高壓側的負偏壓由C1，VD1，R1 產生，R1的平均電流應不小于1mA。不同的HV 可選擇不同的電阻值，并適當考慮其功耗。低壓側由Vcc，R2，C2，VD2 產生。兩路負偏置約為-4.7V?？蛇x擇小電流的齊納二極管。原理圖見圖6。 圖6 帶有負偏置的IR2110驅動 7電流反饋和轉速反饋電路設計 電流反饋電路主要是采用霍爾，霍爾元件具有結構簡單、體積小、無活動部件，便于與測量電路一起

28、作為霍爾傳感器。具體測量電路如見圖7所示，圖中控制電流有VCC提供，可以是直流也可以是交流電源，電位器R1是用來調節(jié)控制電流I的大小，R4是霍爾輸出電壓的負載電阻，通常是放大電路的輸入電阻?；魻栯妷阂话銥楹练鼣盗考墸蚨竺嫘枰硬顒臃糯笃?，霍爾電壓為線性量，因而該電路設計為線性型。 圖7 電流反饋電路 轉速反饋電路由測速發(fā)電機測轉速，通過轉速變換器反饋相應電壓信號，然后將電壓信號反饋回轉速調節(jié)器ASR。轉速變換FBS用于轉速反饋的調速系統(tǒng)中，反映轉速變化并把與轉速成正比的電壓信號變換成適用于控制單元的電壓信號 ---- - -IdL Ud0 Un + - - + - Ui ACR 1/R Tl s+1 R Tms U*i Uc Ks Tss+1 Id 1 Ce + E T0is+1 1 T0is+1 ASR 1 T0ns+1 T0ns+1 U*n n