畢業(yè)設(shè)計(jì)---直流雙極式可逆pwm調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要1</b></p><p><b>　　1 概述2</b></p><p>　　2 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求2</p><p>　　2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)2</p><p>　　2.2

2、設(shè)計(jì)要求2</p><p><b>　　3 理論設(shè)計(jì)3</b></p><p>　　3.1 方案論證3</p><p>　　3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)4</p><p>　　3.2.1 電流調(diào)節(jié)器4</p><p>　　3.2.1.1 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框的簡(jiǎn)化4</p><p>

3、;　　3.2.1.2 確定時(shí)間常數(shù)5</p><p>　　3.2.1.3 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)6</p><p>　　3.2.1.4 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)6</p><p>　　3.2.1.5 校驗(yàn)近似條件6</p><p>　　3.2.1.6 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容6</p><p>　　3.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)

4、計(jì)7</p><p>　　3.2.2.1 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的簡(jiǎn)化7</p><p>　　3.2.2.2 確定時(shí)間常數(shù)8</p><p>　　3.2.2.3 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)8</p><p>　　3.2.2.4 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)8</p><p>　　3.2.2.5 校驗(yàn)近似條件8</p>

5、<p>　　3.2.2.6 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容9</p><p>　　3.2.2.7 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量9</p><p>　　4 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)10</p><p>　　4.1 橋式可逆PWM變換器的工作原理10</p><p>　　4.2 PWM直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性12</p><p>　　

6、4.3 主電路設(shè)計(jì)12</p><p>　　4.4 PWM信號(hào)產(chǎn)生電路13</p><p>　　4.5 IGBT基極驅(qū)動(dòng)電路原理及設(shè)計(jì)14</p><p>　　4.6 保護(hù)電路設(shè)計(jì)16</p><p>　　5 總結(jié)與體會(huì)18</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)19</b></p

7、><p><b>　　附錄20</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　在電氣時(shí)代的今天，電動(dòng)機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔谩Ｖ绷麟姍C(jī)是最常見(jiàn)的一種電機(jī)，在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。研究直流電機(jī)的控制和測(cè)量方法，對(duì)提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。電機(jī)調(diào)速問(wèn)題一直是

8、自動(dòng)化領(lǐng)域比較重要的問(wèn)題之一。不同領(lǐng)域?qū)τ陔姍C(jī)的調(diào)速性能有著不同的要求，因此，不同的調(diào)速方法有著不同的應(yīng)用場(chǎng)合。</p><p>　　本文基于PWM的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)出應(yīng)用于直流電動(dòng)機(jī)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。提出了PWM調(diào)速方法的優(yōu)勢(shì)，指出了未來(lái)PWM調(diào)速方法的發(fā)展前景，點(diǎn)出了研究PWM調(diào)速方法的意義。應(yīng)用于直流電機(jī)的調(diào)速方式很多，其中以PWM變頻調(diào)速方式應(yīng)用最為廣泛，而PWM變頻器中，H型PW

9、M變頻器性能尤為突出，作為本次設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論，本文將對(duì)PWM的理論進(jìn)行詳細(xì)論述。在此基礎(chǔ)上，本文將做出SG3525單片機(jī)控制的H型PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，然后對(duì)各個(gè)部分分別進(jìn)行論證，力圖在每個(gè)組成單元上都達(dá)到最好的系統(tǒng)性能。</p><p>　　關(guān)鍵詞：直流調(diào)速 雙閉環(huán) PWM 直流電機(jī)</p><p>　　直流雙極式可逆PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>

10、<b>　　1 概述</b></p><p>　　采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開(kāi)關(guān)控制方式，形成脈寬調(diào)制變換器—直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)或直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。脈寬調(diào)制變換器是把脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的一種直流斬波器，脈寬調(diào)制，是利用電力電子開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，將直流電壓變成連續(xù)的直流脈沖序列，并通過(guò)控制脈沖的寬度或周期達(dá)到變壓的目的。與V-M系統(tǒng)相比，PWM系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性

11、：</p><p>　　1）主電路線(xiàn)路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少。</p><p>　　2）開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小。</p><p>　　3）低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1：10000左右。</p><p>　　4）若是與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。</p>

12、;<p>　　5）功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，道通損耗小，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率適中時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗也不大，因而裝置效率高。</p><p>　　6）直流電流采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因素比相控整流器高。</p><p>　　由于有以上優(yōu)點(diǎn)直流PWM系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛，特別是在中、小容量的高動(dòng)態(tài)性能中，已完全取代了V-M系統(tǒng)。為達(dá)到更好的機(jī)械特性要求，一般直流電動(dòng)機(jī)都是在閉環(huán)控制下運(yùn)行。經(jīng)常采用

13、的閉環(huán)系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流截止負(fù)反饋。</p><p><b>　　2 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求</b></p><p><b>　　2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　1.ASR及ACR電路設(shè)計(jì)；</p><p>　　2.轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋電路設(shè)計(jì)；</p><p>　　

14、3.集成脈寬調(diào)制電路設(shè)計(jì)（如3524）；</p><p>　　4.驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)（如IR2110）；</p><p>　　5.PWM主電路設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　2.2 設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　1．可逆運(yùn)行，轉(zhuǎn)速和電流穩(wěn)態(tài)無(wú)差，電流超調(diào)量小于5％，轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于10％。</p>&l

15、t;p>　　2. 對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的先進(jìn)性、實(shí)用性和可行性進(jìn)行論證，說(shuō)明系統(tǒng)工作原理。</p><p>　　3. 畫(huà)出單元電路圖，說(shuō)明工作原理，給出系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算過(guò)程。</p><p>　　4. 畫(huà)出整體電路原理圖，圖紙、元器件符號(hào)及文字符號(hào)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。</p><p><b>　　3 理論設(shè)計(jì)</b></p><p&g

16、t;<b>　　3.1 方案論證</b></p><p>　　同開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點(diǎn)。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動(dòng)或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對(duì)元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。由于閉環(huán)系統(tǒng)的這些優(yōu)點(diǎn)因此選用閉環(huán)系統(tǒng)。</p><p>　　單閉環(huán)速

17、度反饋調(diào)速系統(tǒng)，采用PI控制器時(shí)，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)速度誤差為零。但是如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，如果要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿(mǎn)足要求。這主要是因?yàn)樵趩伍]環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照要求來(lái)控制動(dòng)態(tài)過(guò)程的電流或轉(zhuǎn)矩。另外，單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗干擾性較差，當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，必須待轉(zhuǎn)速發(fā)生變化后，調(diào)節(jié)作用才能產(chǎn)生，因此動(dòng)態(tài)誤差較大。</p><p>　　在要求較高的調(diào)速系統(tǒng)中，一般有兩個(gè)基本要求

18、：一是能夠快速啟動(dòng)制動(dòng)；二是能夠快速克服負(fù)載、電網(wǎng)等干擾。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，如果要求快速起動(dòng)，必須使直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中輸出最大的恒定允許電磁轉(zhuǎn)矩，即最大的恒定允許電樞電流，當(dāng)電樞電流保持最大允許值時(shí)，電動(dòng)機(jī)以恒加速度升速至給定轉(zhuǎn)速，然后電樞電流立即降至負(fù)載電流值。如果要求快速克服電網(wǎng)的干擾，必須對(duì)電樞電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)可知，要求系統(tǒng)在穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)速，并要求較好的動(dòng)態(tài)性能，

19、可選擇PI控制的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，可以完全達(dá)到系統(tǒng)需要。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)框圖如圖1所示。</p><p>　　圖1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，可在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，即分別引入轉(zhuǎn)

20、速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套聯(lián)接，如圖2所示。把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制電力電子變換器UPE。</p><p>　　圖2 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求的初始條件可得，電動(dòng)機(jī)額定狀態(tài)時(shí)，有，經(jīng)變換帶入數(shù)據(jù)可得：</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)為：</b>

21、</p><p><b>　　電流反饋系數(shù)為：</b></p><p>　　為了能更好的整定，我們?cè)诖烁鶕?jù)實(shí)際情況設(shè)定一些輔助條件。在此我們?cè)O(shè)定電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)為T(mén)1=0.03s，Tm=0.18s，并設(shè)定電力電子變換器的內(nèi)阻為Rrec=0.6Ω。所以可得超前時(shí)間常數(shù)τi=Tl=0.03s，回路總電阻為R=0.6+0.4=1Ω。設(shè)定PWM控制電路的放大系數(shù)為Ks=4

22、0。電流允許過(guò)載倍數(shù)λ=1.5。給定電壓設(shè)為15V。在此我設(shè)定所有運(yùn)算放大器的R0=40kΩ。</p><p>　　3.2.1 電流調(diào)節(jié)器</p><p>　　3.2.1.1 電流環(huán)結(jié)構(gòu)框的簡(jiǎn)化</p><p>　　按動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫時(shí)不考慮反電動(dòng)勢(shì)變化的動(dòng)態(tài)影響，得到電流環(huán)的近似結(jié)構(gòu)框圖，如圖3所示。</p><p>　　圖3

23、忽略反電動(dòng)勢(shì)的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　如果把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)都等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)把給定信號(hào)改為,則電流環(huán)便等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)，如圖4所示。</p><p>　　圖4 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　由于和一般都比小得多，可以當(dāng)作小慣性群而近似地看作是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù)為，則電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖最終化簡(jiǎn)成圖5。</p>

24、;<p>　　圖5 小慣性環(huán)節(jié)近似處理的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　3.2.1.2 確定時(shí)間常數(shù)</p><p>　　1)電流濾波時(shí)間常數(shù)</p><p>　　2)PWM調(diào)壓系統(tǒng)的滯后時(shí)間</p><p>　　3)電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)之和，按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取</p><p>　　3.2.1.3 選擇電

25、流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) </p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器。電流環(huán)控制對(duì)象是雙慣性型的，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><p>　　3.2.1.4 計(jì)算電流調(diào)節(jié)器參數(shù)</p><p>　　電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：</p><p>　　電流開(kāi)環(huán)增益:因要求，故應(yīng)取，因此</p><p&g

26、t;　　于是ACR的比例系數(shù)為</p><p>　　3.2.1.5 校驗(yàn)近似條件</p><p><b>　　電流環(huán)截止頻率：</b></p><p>　　晶閘管整流裝置傳遞函數(shù)的近似條件</p><p><b>　　滿(mǎn)足近似條件。</b></p><p>　　忽略反電動(dòng)變化

27、對(duì)電流環(huán)動(dòng)態(tài)影響的條件。</p><p><b>　　滿(mǎn)足近似條件。</b></p><p>　　電流環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件</p><p><b>　　滿(mǎn)足近似條件。</b></p><p>　　3.2.1.6 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　調(diào)節(jié)器原理圖如圖6

28、所示，按所用運(yùn)算放大器取，各電阻和電容值為</p><p>　　圖6 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器</p><p>　　3.2.2 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)</p><p>　　3.2.2.1 轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖的簡(jiǎn)化</p><p>　　用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代電流環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖便如圖7所示。</p><p&

29、gt;　　圖7 用等效環(huán)節(jié)代替電流環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　和電流環(huán)中一樣，把轉(zhuǎn)速給定濾波和反饋濾波環(huán)節(jié)移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改成 U*n(s)/，再把時(shí)間常數(shù)為 1 / KI 和 T0n 的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來(lái)，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為的慣性環(huán)節(jié)，則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)框圖可簡(jiǎn)化成圖8。</p><p>　　圖8 等效成單位負(fù)反饋系統(tǒng)和小慣性環(huán)節(jié)的近似處理的結(jié)構(gòu)框圖</p>

30、<p>　　設(shè)計(jì)成典型Ⅱ型系統(tǒng)后，可得到校正后的結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。</p><p>　　圖9 校正后的結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　3.2.2.2 確定時(shí)間常數(shù)</p><p>　　1)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)</p><p>　　2)轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)。</p><p>　　3)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)</p>

31、;<p>　　3.2.2.3 選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu) </p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用PI型電流調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為</p><p>　　3.2.2.4 計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)</p><p>　　按跟隨和抗擾性能都較好的原則，去，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)增益</b>

32、</p><p><b>　　ASR的比例系數(shù)為</b></p><p>　　3.2.2.5 校驗(yàn)近似條件</p><p><b>　　轉(zhuǎn)速環(huán)截止頻率為</b></p><p>　　1)電流環(huán)傳遞函數(shù)簡(jiǎn)化條件為</p><p><b>　　滿(mǎn)足簡(jiǎn)化條件。</b

33、></p><p>　　2)轉(zhuǎn)速環(huán)小時(shí)間常數(shù)近似處理?xiàng)l件為</p><p><b>　　滿(mǎn)足近似條件。</b></p><p>　　3.2.2.6 計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容</p><p>　　調(diào)節(jié)器原理圖如圖10所示，取，則：</p><p>　　圖10 含給定濾波與反饋濾波的PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器

34、</p><p>　　3.2.2.7 校核轉(zhuǎn)速超調(diào)量</p><p>　　當(dāng)h=5時(shí)，查表得，=37.6%，不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。實(shí)際上，由于這是按線(xiàn)性統(tǒng)計(jì)算的，而突加階躍給定時(shí)，ASR飽和，不符合線(xiàn)性系統(tǒng)的前提，應(yīng)該按ASR退飽和的情況重新計(jì)算超調(diào)量。</p><p>　　設(shè)理想空載起動(dòng)時(shí)，負(fù)載系數(shù)z=0。</p><p><b>　

35、　能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求</b></p><p><b>　　4 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1 橋式可逆PWM變換器的工作原理</p><p>　　脈寬調(diào)制器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)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(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。</p><

36、p>　　橋式可逆PWM變換器電路如圖11所示。這是電動(dòng)機(jī)M兩端電壓的極性隨開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電壓的極性變化而變化。</p><p>　　圖11 橋式可逆PWM變換器</p><p>　　他們的關(guān)系是：。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)時(shí)，晶體管、飽和導(dǎo)通而、截止，這時(shí)。當(dāng)時(shí)，、截止，但、不能立即導(dǎo)通，電樞電流經(jīng)、續(xù)流，這時(shí)。在一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)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

37、。電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電壓正、負(fù)脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，，則的平均值為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，則反轉(zhuǎn)；如果正負(fù)脈沖相等，，平均輸出電壓為零，則電動(dòng)機(jī)停止。</p><p>　　雙極式控制可逆PWM變換器的4個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖12所示。</p><p>　　圖12 雙極式控制可逆PWM變換器的驅(qū)動(dòng)電壓、輸出電壓和電流波形</p><p>　　雙極式控

38、制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為</p><p>　　如果定義占空比，電壓系數(shù),則在雙極式可逆變換器中</p><p>　　調(diào)速時(shí)，的可調(diào)范圍為0～1相應(yīng)的。當(dāng)時(shí)，為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)時(shí)，為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)時(shí)，，電動(dòng)機(jī)停止。</p><p>　　但電動(dòng)機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個(gè)交變電流的平均值等于零，不產(chǎn)

39、生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電動(dòng)機(jī)的損耗這是雙極式控制的缺點(diǎn)。但它也有好處，在電動(dòng)機(jī)停止時(shí)仍然有高頻微震電流，從而消除了正、反向時(shí)靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動(dòng)力潤(rùn)滑”的作用。</p><p>　　雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有以下優(yōu)點(diǎn)：</p><p><b>　　1)電流一定連續(xù)。</b></p><p>　　2)可使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行。</p

40、><p>　　3)電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微震電流，能消除靜摩擦死區(qū)。</p><p>　　4)低速平穩(wěn)性好，每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。</p><p>　　當(dāng)然雙極式控制方式也有不足之處，如在工作過(guò)程中，4個(gè)開(kāi)關(guān)期間按可能都處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)損耗大，而且在切換時(shí)可能發(fā)生上、下臂橋直通的事故。防止直通，我們可以在上、下臂橋的驅(qū)動(dòng)脈沖之間設(shè)置延時(shí)。&l

41、t;/p><p>　　4.2 PWM直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性 </p><p>　　對(duì)于雙極式控制的可逆電路，電流波形都是連續(xù)的，因而機(jī)械特性關(guān)系式比較簡(jiǎn)單，電壓平衡方程如下</p><p><b>　　.</b></p><p>　　按電壓平衡方程求一個(gè)周期內(nèi)的平均值，即可導(dǎo)出機(jī)械特性方程式，電樞兩端在一個(gè)周期內(nèi)的電壓都

42、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(shí)應(yīng)為零。于是其平均值方程可以寫(xiě)成</p><p><b>　　則機(jī)械特性方程式</b></p><p><b>　　4.3 主電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的如圖13所示。PWM變換器的直流電源由交流電網(wǎng)經(jīng)過(guò)不可控的二極管整流

43、器產(chǎn)生，并采用大電容濾波，以獲得恒定的直流電壓。由于電容容量較大，突加電源時(shí)相當(dāng)于短路，勢(shì)必產(chǎn)生很大的充電電流，容易損壞整流二極管，為了限制充電電流，在整流器和濾波電容之間傳入電阻Rz，合上電源后，用延時(shí)開(kāi)關(guān)將Rz短路，以免在運(yùn)行中造成附加損耗。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)只好對(duì)濾波電容充電，這式電容器兩端電壓升高稱(chēng)作“泵升電壓”。為了限制泵升電壓，用鎮(zhèn)流電阻Rx消耗掉這些能量，在泵升電壓達(dá)到允許值時(shí)接通

44、。</p><p>　　圖13 橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路</p><p>　　4.4 PWM信號(hào)產(chǎn)生電路</p><p>　　PWM生成電路如圖14所示，SG3524生成的PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)非門(mén)轉(zhuǎn)為兩路相反的PWM信號(hào)，為了確保上下兩橋臂不會(huì)直通發(fā)生事故，中間加入電容、進(jìn)行邏輯延時(shí)，后面再加上非門(mén)和與門(mén)構(gòu)成的電路。</p><p>　　

45、圖14 PWM生成電路</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用集成脈寬調(diào)制器SG3524作為脈沖信號(hào)發(fā)生的核心元件。根據(jù)主電路中IGBT的開(kāi)關(guān)頻率，選擇適當(dāng)?shù)摹⒅导纯纱_定振蕩頻率。由初始條件知開(kāi)關(guān)頻率為10kHz，可以選擇，。</p><p>　　電路中的PWM信號(hào)由集成芯片SG3524產(chǎn)生，SG3524可為脈寬調(diào)制式推挽、橋式、單端及串聯(lián)型SMPS(固定頻率開(kāi)關(guān)電源)提供全部控制電路系統(tǒng)的控制單

46、元。由它構(gòu)成的PWM型開(kāi)關(guān)電源的工作頻率可達(dá)100kHz,適宜構(gòu)成100-500W中功率推挽輸出式開(kāi)關(guān)電源。SG3524采用是定頻PWM電路,DIP-16型封裝。</p><p>　　由SG3524構(gòu)成的基本電路如圖15所示，由15腳輸入+15V電壓，用于產(chǎn)生+5V基準(zhǔn)電壓。9腳是誤差放大器的輸出端，在1、9引腳之間接入外部阻容元件構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器，可提高穩(wěn)態(tài)精度。12、13引腳通過(guò)電阻與+15V電壓源相連，供內(nèi)部

47、晶體管工作，由電流調(diào)節(jié)器輸出的控制電壓作為2引腳輸入，通過(guò)其電壓大小調(diào)節(jié)11、14引腳的輸出脈沖寬度，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制變換器的功能實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　圖15 SG4532管腳構(gòu)成的電路圖</p><p>　　SG3524的基準(zhǔn)源屬于常規(guī)的串聯(lián)式線(xiàn)性直流穩(wěn)壓電源,它向集成塊內(nèi)部的斜波發(fā)生器、PWM比較器、T型觸發(fā)器等以及通過(guò)16腳向外均提供+5V的工作電壓和基準(zhǔn)電壓,振蕩器先產(chǎn)生0.6V

48、-3.5V的連續(xù)不對(duì)稱(chēng)鋸齒波電壓Vj,再變換成矩形波電壓,送至觸發(fā)器、或非門(mén),并由3腳輸出。振蕩器頻率由SG3524的6腳、7腳外接電容器CT和外接電阻器RT決定,其值為:f=1.15/RTCT?？紤]到對(duì)CT的充電電流為(1.2-3.6/RT 一般為30μA-2mA),因此RT的取值范圍為1.8kΩ~100kΩ,CT為0.001μF~0.1μF,其最高振蕩頻率為300kHz。 開(kāi)關(guān)電源輸出電壓經(jīng)取樣后接至誤差放大器的反相輸入端,與同相端

49、的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較后,產(chǎn)生誤差電壓Vr,送至PWM比較器的一個(gè)輸入端,另一個(gè)則接鋸齒波電壓,由此可控制PWM比較器輸出的脈寬調(diào)制信號(hào)。</p><p>　　4.5 IGBT基極驅(qū)動(dòng)電路原理及設(shè)計(jì)</p><p>　　IGBT的驅(qū)動(dòng)采用集成快速驅(qū)動(dòng)模塊EXB841，它的工頻可達(dá)到40kHz,信號(hào)延時(shí)不超過(guò)1.5us。其工作工作原理如圖16所示。</p><p>　　圖

50、16 EXB841內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　EXB841 系列驅(qū)動(dòng)器的各引腳功能如下：</p><p>　　腳1 ：連接用于反向偏置電源的濾波電容器；</p><p>　　腳2 ：電源(＋ 20V )；</p><p><b>　　腳3 ：驅(qū)動(dòng)輸出；</b></p><p>　　腳4 ：用于

51、連接外部電容器，以防止過(guò)流保護(hù)電路誤動(dòng)作(大多數(shù)場(chǎng)合不需要該電容器)；</p><p>　　腳5 ：過(guò)流保護(hù)輸出；</p><p>　　腳6 ：集電極電壓監(jiān)視；</p><p>　　腳7 、8 ：不接；</p><p><b>　　腳9 ：電源；</b></p><p>　　腳10 、11 ：不接

52、；</p><p>　　腳14 、15 ：驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入(，＋)；</p><p>　　驅(qū)動(dòng)電路中V5起保護(hù)作用，避免EXB841的6腳承受過(guò)電壓，通過(guò)VD1檢測(cè)是否過(guò)電流，接VZ3的目的是為了改變EXB模塊過(guò)流保護(hù)起控點(diǎn)，以降低過(guò)高的保護(hù)閥值從而解決過(guò)流保護(hù)閥值太高的問(wèn)題。R1和C1及VZ4接在+20V電源上保證穩(wěn)定的電壓。VZ1和VZ2避免柵極和射極出現(xiàn)過(guò)電壓，Rge是防止IGBT誤導(dǎo)通

53、。</p><p>　　針對(duì)EXB841存在保護(hù)盲區(qū)的問(wèn)題，可如圖17所示將EXB841的6腳的超快速恢復(fù)二極管VDI換為導(dǎo)通壓降大一點(diǎn)的超快速恢復(fù)二極管或反向串聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓二極管，也可采取對(duì)每個(gè)脈沖限制最小脈寬使其大于盲區(qū)時(shí)間，避免IGBT過(guò)窄脈寬下的低輸出大功耗狀態(tài)。針對(duì)EXB841軟關(guān)斷保護(hù)不可靠的問(wèn)題，可以在EXB841的5腳和4腳間接一個(gè)可變電阻，4腳和地之間接一個(gè)電容，都是用來(lái)調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間，保證軟關(guān)斷的

54、可靠性。針對(duì)負(fù)偏壓不足的問(wèn)題，可以考慮提高負(fù)偏壓。一般采用的負(fù)偏壓是-5V，可以采用-8V的負(fù)偏壓(當(dāng)然負(fù)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(hào)被接到15腳，EXB841正常工作驅(qū)動(dòng)IGBT.</p><p>　　主要參數(shù)：電源電壓：20V 最大輸出功率：47mA 最高工作頻率：10kHz</p><p>　　圖17 EXB841驅(qū)動(dòng)IGBT設(shè)計(jì)圖</

55、p><p>　　4.6 保護(hù)電路設(shè)計(jì)</p><p>　　如圖18所示，H橋電路中采用了緩沖電路，由電阻和電容組成。 IGBT的緩沖電路功能側(cè)重于開(kāi)關(guān)過(guò)程中過(guò)電壓的吸收與抑制，這是由于IGBT的工作頻率可以高達(dá)30-50kHz；因此很小的電路電感就可能引起頗大的，從而產(chǎn)生過(guò)電壓，危及IGBT的安全。逆變器中IGBT開(kāi)通時(shí)出現(xiàn)尖峰電流，其原因是由于在剛導(dǎo)通的IGBT負(fù)載電流上疊加了橋臂中互補(bǔ)管上

56、反并聯(lián)的續(xù)流二極管的反向恢復(fù)電流，所以在此二極管恢復(fù)阻斷前，剛導(dǎo)通的IGBT上形成逆變橋臂的瞬時(shí)貫穿短路，使出現(xiàn)尖峰，為此需要串入抑流電感，即串聯(lián)緩沖電路，或放大IGBT的容量。</p><p>　　緩沖電路參數(shù)：經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出緩沖電路電阻R=10K；電容。</p><p>　　圖18 帶保護(hù)電路的PWM變換器</p><p><b>　　5 總結(jié)與體會(huì)<

57、;/b></p><p>　　汗水預(yù)示著艱辛也見(jiàn)證了結(jié)果，通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)我學(xué)會(huì)了很多，其中不光溫故和加深了書(shū)本上的知識(shí)的印象，還弄懂了以前很多不會(huì)不懂的問(wèn)題，另外，通過(guò)本次的課程設(shè)計(jì)，讓我明白了團(tuán)隊(duì)和互助的重要性，課程設(shè)計(jì)中涉及很多其他方面的知識(shí)，僅僅知道一些方面是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，我們每一個(gè)人不可能什么都知道，因此，在課程設(shè)計(jì)中，就要求我們要互相幫助，遇到了不懂的問(wèn)題，同學(xué)間進(jìn)行相互的講解和幫助，兩周的課程

58、設(shè)計(jì)，可以說(shuō)是在大家互相幫助，互相鼓勵(lì)中度過(guò)。感覺(jué)經(jīng)過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，大家的關(guān)系又拉近了好多 。</p><p>　　通過(guò)兩周的課程設(shè)計(jì)，首先對(duì)直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有了更深的認(rèn)識(shí)，加深了理解，是對(duì)課堂所學(xué)知識(shí)的一次很好的應(yīng)用。以前一直覺(jué)得理論知識(shí)離我很遠(yuǎn)，經(jīng)過(guò)課程設(shè)計(jì)，才發(fā)現(xiàn)理論知識(shí)與生活的聯(lián)系。這大大激發(fā)了我學(xué)習(xí)書(shū)本知識(shí)的興趣。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我不僅在知識(shí)上有了進(jìn)一步的鞏固和提高，在求學(xué)和研究的心態(tài)上也有不小的進(jìn)

59、步。我想無(wú)論是在學(xué)習(xí)還是在生活上只有自己用心去學(xué)習(xí)和參與才可能有收獲，這也算是這次設(shè)計(jì)給我的一點(diǎn)小小的感悟。</p><p>　　總之，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我不僅學(xué)到了以前從未接觸過(guò)的新知識(shí)，而且學(xué)會(huì)了獨(dú)立的去發(fā)現(xiàn)，面對(duì)，分析，解決新問(wèn)題的能力。不僅學(xué)到了知識(shí)，又鍛煉了自己的能力，使我受益非淺。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p

60、>　　[1] 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng).北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007第3版 </p><p>　　[2] 周淵深.交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真.北京：中國(guó)電力出版社，2007</p><p>　　[3] 王兆安等.電力電子技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007第4版</p><p>　　[4] 黃家善等.電力電子技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007