《直流双极式可逆PWM调速系统设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《直流双极式可逆PWM调速系统设计（18页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、-直流双极式可逆 PWM 调速系统设计1 任务分析1.1 概述采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统或直流 PWM 调速系统。脉宽调制变换器是把脉冲宽度进行调制的一种直流斩波电路，脉宽调制，是利用电力电子开关器件的导通与关断，将直流电压变成连续的脉冲序列，并通过控制脉冲的宽度或周期达到变压的目的。 与 V-M 系统相比， PWM 系统在很多方面有较大的优越性：1）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，稳态精度高，调速范围宽，可达 1：10000 左右。4）若是与快速
2、响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强。5）功率开关器件工作在开关状态，道通损耗小，当开关频率适中时，开关损耗也不大，因而装置效率高。6）直流电流采用不控整流时，电网功率因素比相控整流器高。由于有以上优点直流 PWM 系统应用日益广泛，特别是在中、小容量的高动态性能中，已完全取代了 V-M 系统。为达到更好的机械特性要求，一般直流电动机都是在闭环控制下运行。经常采用的闭环系统有转速负反馈和电流截止负反馈。武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计21.2 双闭环调速系统的结构图直流双闭环调速系统的结构图如图 1 所示，转速调节器与电流调节器串极联结，转速调节器的输出作为电流调
3、节器的输入，再用电流调节器的输出去控制 PWM 装置。其中脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速，达到设计要求。ASR ACR PWM KsR1/CeUn* Ui* nId-图 1 双闭环调速系统的结构简化图1.3 桥式可逆 PWM 变换器的工作原理脉宽调制器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定宽度可变的脉冲电压序列，从而平均输出电压的大小，以调节电机转速。桥式可逆 PWM 变换器电路如图 2 所示。这时电动机 M 两端电压 的极性随开关器件驱动电压的
4、ABU极性变化而变化。图 2 桥式可逆 PWM 变换器电路武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计3双极式控制可逆 PWM 变换器的四个驱动电压波形如图 3 所示。OOOOU g1 U g4U g2 U g3U ABUs-Usidid1id2 ttttton Tton T图 3 PWM 变换器的驱动电压及输出电压、电流波形双极式控制可逆 PWM 变换器的输出平均电压为 21onononds stTttUU如果定义占空比 ，电压系数 ，则在双极式可逆变换器中ontTds21调速时， 的可调范围为 01 相应的 。当 时， 为正，电动机正转；当时， 为负，电动机反转；当 时， ，电动机停止。但电动
5、机停止时电枢电压并不1220等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值等于零，武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计4不产生平均转矩，徒然增大电动机的损耗这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电动机停止时仍然有高频微震电流，从而消除了正、反向时静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。1.4 PWM 调速系统的静特性由于采用了脉宽调制，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单，电压平衡方程如下.dsiURiLEt(0)ontdsiit()ontT按电压平衡方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式，电枢两端在一个周期内的电压都是 ，平均电流用
6、表示，平均转速 ，而电枢电感压降 的平均值在稳态dsUdI/eECdiLt时应为零。于是其平均值方程可以写成 sddeURIIn则机械特性方程式 0sddeeeRnIICC武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计52 电路设计桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图 4 所示。PWM 变换器的直流电源由交流电网经不控的二极管整流器产生，并采用大电容 滤波，以获得恒定的直流电压 。由于电容容量较大，突加电6CsU源时相当于短路，势必产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管，为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间传入电阻 Rz，合上电源后，用延时开关将 Rz 短路，以免在运行中造成附加损耗。由于直流电
7、源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电动机制动时只好对滤波电容充电，这式电容器两端电压升高称作“泵升电压” 。为了限制泵升电压，用镇流电阻 Rx 消耗掉这些能量，在泵升电压达到允许值时接通 。5VTM ABC入入VD1VD2VD3VD4VD5 VD7 VD9VD8VD6 VD10RzVT1VT2VT3VT4 VT5C6 Rx图 4 桥式可逆直流脉宽调速系统主电路2.1 整流电源此电路用于产生15V 电压作为转速给定电压以及基准电压，如图 5 所示：T1 1234 BRIDGE1LM7815IN OUTGNDLM7915IN OUTGNDC12200uFC22200uFC310uFC410uF
8、 C6104C5104RPn220V18V18V+15V-15VUn*图 5 给定及偏移电源电路武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计62.2 双环调节器电路为了实现闭环控制，必须对被控量进行采样，然后与给定值比较，决定调节器的输出，反馈的关键是对被控量进行采样与测量。2.2.1 转速调节器转速反馈电路如图 6 所示，由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，由初始条件知滤波时间常数 。根据和电流环一样的道理，在转速给定通道上也加入相同0.12sonT时间常数的给定滤波环节。R0/2R0/2R0/2R0/2RnRbalCnConConUi*Un*-Un图 6 转速反馈电路2
9、.2.2 电流调节器由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不影响调节器的输入，需加低通滤波。此滤波环节传递函数可用一阶惯性环节表示，由初始条件知滤波时间常数 ，以滤平电流检测信号为准。0.2soiT为了平衡反馈信号的延迟，在给定通道上加入同样的给定滤波环节，使二者在时间上配合恰当。武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计7R0/2 R0/2R0/2 R0/2RiRbalCiCoiCoiUcUi*-Ui图 7 转速反馈电路2.3 集成脉宽调制电路PWM 生成电路如图 8 所示，SG3524 生成的 PWM 信号经过一个非门转为两路相反的 PWM 信号，为了确保上下两桥臂不会直通发生事故，中间加入
10、电容 、 进行逻辑延时，后面再加上非门和与1C2门构成的板胡电路。入入入入RTCT OSCIN- IN+Vref &SG3524R3R4 R5R6C1C2C3PWM1PWM2Vss图 8 PWM 生成电路本设计采用集成脉宽调制器 SG3524 作为脉冲信号发生的核心元件。根据主电路中 IGBT 的开关频率，选择适当的 、 值即可确定振荡频率。由初始条件知开关频率为 10kHz，可以选择tRt， 。12ktR0.1uFtC电路中的 PWM 信号由集成芯片 SG3524 产生，SG3524 可为脉宽调制式推挽、桥式、单端及串联型 SMPS(固定频率开关电源 )提供全部控制电路系统的控制单元。由它构
11、成的 PWM 型开关电源的工作频率可达 100kHz,适宜构成 100-500W 中功率推挽输出式开关电源。SG3524 采用是定频 PWM 电路,武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计8DIP-16 型封装。由 SG3524 构成的基本电路如图 9 所示，由 15 脚输入+15V 电压，用于产生+5V 基准电压。9 脚是误差放大器的输出端，在 1、9 引脚之间接入外部阻容元件构成 PI 调节器，可提高稳态精度。12、13 引脚通过电阻与+15V 电压源相连，供内部晶体管工作，由电流调节器输出的控制电压作为 2引脚输入，通过其电压大小调节 11、14 引脚的输出脉冲宽度，实现脉宽调制变换器的
12、功能实现。R1RtR2C1 Ct16153121311141054876912 SG3524Uc Uc1Uc2+15V图 9 SG4532 管脚构成的电路图SG3524 的基准源属于常规的串联式线性直流稳压电源,它向集成块内部的斜波发生器、PWM 比较器、T 型触发器等以及通过 16 脚向外均提供+5V 的工作电压和基准电压,振荡器先产生 0.6V-3.5V 的连续不对称锯齿波电压 Vj,再变换成矩形波电压,送至触发器、或非门,并由 3 脚输出。振荡器频率由SG3524 的 6 脚、 7 脚外接电容器 CT 和外接电阻器 RT 决定 ,其值为:f=1.15/RTCT 。考虑到对 CT 的充电电
13、流为(1.2-3.6/RT 一般为 30A-2mA),因此 RT 的取值范围为 1.8k100k,CT 为 0.001F0.1F,其最高振荡频率为 300kHz。 开关电源输出电压经取样后接至误差放大器的反相输入端,与同相端的基准电压进行比较后,产生误差电压 Vr,送至 PWM 比较器的一个输入端 ,另一个则接锯齿波电压,由此可控制PWM 比较器输出的脉宽调制信号。2.4 驱动电路IGBT 驱动采用了集成芯片 IR2110，IR2110 采用 14 端 DIP 封装，引出端排列如图 10 所示。 武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计9图 10 IR2110 管脚图它的各引脚功能如下： 脚
14、1（LO）是低端通道输出；脚 2（COM）是公共端；脚 3（Vss）是低端固定电源电压；脚 5（Us）是高端浮置电源偏移电压；脚 6(UB)是高端浮置电源电压；脚 7（HO）是高端输出；脚 9（V DD）是逻辑电路电源电压；脚 10（HIN ） 、脚 11（SD） 、脚 12（LIN）均是逻辑输入；脚 13（Vss）是逻辑电路地电位端外加电源电压，其值可以为 0V；脚 4、脚 8、脚 14 均为空端。IGBT 驱动电路如图 11 所示。 IR2110 采用 HVIC 和闩锁抗干扰 CMOS 工艺制作，具有独立的高端和低端输出通道；逻辑输入与标准的 CMOS 输出兼容；浮置电源采用自举电路，其工
15、作电压可达500V，du/dt=50V/ns，在 15V 下的静态功耗仅有 1.6mW；输出的栅极驱动电压范围为 1020V，逻辑电源电压范围为 515V，逻辑电源地电压偏移范围为5V 5V。IR2110 采用 CMOS 施密特触发输入，两路具有滞后欠压锁定。推挽式驱动输出峰值电流2A，负载为 1000pF 时，开关时间典型值为25ns。两路匹配传输导通延时为 120ns，关断延时为 94ns。IR2110 的脚 10 可以承受 2A 的反向电流。 武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计10PWM1 PWM2VbHOVsLOHINLINSDCOMVb HO Vs LOHIN LIN SDCO
16、MIR2110R9 R10 R11 R12VD10 VD11IR2110C4 C5PWM1 PWM2Ug1Ug2 Ug3 Ug4Vss Vss图 11 IGBT 驱动电路2.5 转速及电流检测电路转速检测电路如图 12。与电动机同轴安装一台测速发电机，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压 ，与给定电压 相比较后，得到转速偏差电压 输送给转速调节器。测速发电机的输nU*n nU出电压不仅表示转速的大小，还包含转速的方向，测速电路如图 12 所示，通过调节电位器即可改变转速反馈系数。图 12 转速检测电路通过霍尔传感器测量电流的电流检测电路原理如图 13 所示。武汉理工大学华夏学院运动控制系统课程设计113 调节器的参数整定电流调节器以及转速调节器的电路结构如图 13 所示，由单刀双掷开关控制电机转向，滑动变
