直流脉宽PWM调速系统设计与研究保护电路设计课程设计.docx
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直流脉宽PWM调速系统设计与研究保护电路设计课程设计
直流脉宽（PWM）调速系统设计与研究
——保护电路设计
摘要
本文基于PWM的双闭环直流调速系统进行了研究，并设计出应用于直流电动机的双闭环直流调速系统。
首先描述了变频器的发展历程，提出了PWM调速方法的优势，指出了未来PWM调速方法的发展前景，点出了研究PWM调速方法的意义。
应用于直流电机的调速方式很多，其中以PWM变频调速方式应用最为广泛，而PWM变频器中，H型PWM变频器性能尤为突出，作为本次设计的基础理论，本文将对PWM的理论进行详细论述。
在此基础上，本文将做出SG3525单片机控制的H型PWM变频调速系统的整体设计，然后对各个部分分别进行论证，力图在每个组成单元上都达到最好的系统性能。
关键词：
直流调速；PWM；SG3525；调节器的设计
目录
绪论1
第一章简要介绍及设计方案2
1.1PWM简介2
1.2直流调速系统的方案设计2
1.2.1设计已知参数2
1.2.2设计指标3
1.2.3设计内容3
1.2.4现行方案的讨论与比较3
1.2.5选择IGBT的H桥型主电路的理由4
1.2.6采用转速电流双闭环的理由4
第二章直流脉宽调速系统主电路设计5
2.1主电路结构设计5
2.2参数设计6
第三章调节器设计ASR,ACR8
3.1电流调节器设计8
3.2转速调节器设计9
3.3转速反馈调节器、电流反馈调节器的整定9
第四章触发电路10
4.1触发控制电路设计10
第五章保护电路11
5.1整流电路中的保护电路11
5.2PWM电路中的保护电路11
5.2.1主电路中的熔断器负责过流保护11
5.2.2缓冲电路12
5.3反馈及保护电路设计12
5.3.1转速检测装置选择12
5.3.2电流检测单元13
第六章调试14
6.1晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定14
6.1.1实验内容14
6.1.2实验系统组成和工作原理14
6.1.3实验方法14
6.2双闭环可逆直流脉宽调速系统性能测试18
6.2.1实验内容18
6.2.2实验系统的组成和工作原理19
6.2.3测试内容19
总结26
参考文献27
附录28
绪论
在现代科学技术革命过程中，电气自动化在20世纪的后四十年曾进行了两次重大的技术更新。
一次是元器件的更新，即以大功率半导体器件晶闸管取代传统的变流机组，以线形组件运算放大器取代电磁放大器件。
后一次技术更新主要是把现代控制理论和计算机技术用于电气工程，控制器由模拟式进入了数字式。
在前一次技术更新中，电气系统的动态设计仍采用经典控制理论的方法。
而后一次技术更新是设计思想和理论概念上的一个飞跃和质变，电气系统的结构和性能亦随之改观。
在整个电气自动化系统中，电力拖动及调速系统是其中的核心部分。
现代的电力拖动控制系统都是由惯性很小的晶闸管、电力晶体管或其他电力电子器件以及集成电路调节器等组成的。
经过合理的简化处理，整个系统一般都可以用低阶近似。
而以运算放大器为核心的有源校正网络（调节器），和由R、C等元件构成的无源校正网络相比,又可以实现更为精确的比例、微分、积分控制规律,于是就有可能将各种各样的控制系统简化和近似成少数典型的低阶系统结构。
目前，随着大功率电力电子器件的迅速发展，交流变频调速技术已日臻成熟并日渐成为实际应用的主流，但这并不意味着传统的直流调速技术已经完全退出了实际应用的舞台。
相反，近几年交流变频调速在控制精度的提高上遇到了瓶颈，于是直流调速的优势就显现了出来。
直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。
譬如在对控制精度有较高要求的造纸，转台，轮机定位等系统中仍离不开直流调速装置，因此加强对直流调速系统的研究还是很有必要的。
第一章简要介绍及设计方案
1.1PWM简介
脉宽调制器UPW采用美国硅通用公司（SiliconGeneral）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。
4） 如果可以与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，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。
变频调速很快为广大电动机用户所接受，成为了一种最受欢迎的调速方法，在一些中小容量的动态高性能系统中更是已经完全取代了其他调速方式。
由此可见，变频调速是非常值得自动化工作者去研究的。
在变频调速方式中，PWM调速方式尤为大家所重视，这是我们选取它作为研究对象的重要原因。
1.2直流调速系统的方案设计
1.2.1设计已知参数
1、拖动设备：
直流电动机：
，过载倍数
。
2、负载：
直流发电机：
3、机组：
转动惯量
1.2.2设计指标
1、D＝４，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
。
1.2.3设计内容
1、直流脉宽（PWM）调速系统设计与研究——主电路设计。
2、直流脉宽（PWM）调速系统设计与研究——调节器设计【ASRACR】。
3、直流脉宽（PWM）调速系统设计与研究——触发电路设计。
4、直流脉宽（PWM）调速系统设计与研究——保护电路设计。
其中以4为主要研究内容
1.2.4现行方案的讨论与比较
直流电动机的调速方法有三种：
调节电枢供电电压U、改变电动机主磁通
、改变电枢回路电阻R。
改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。
弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。
改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有三种：
旋转变流机组、静止可控整流器、直流斩波器或脉宽调制变换器。
由于旋转变流机组缺点太多，采用汞弧整流器和闸流管这样的静止变流装置来代替旋转变流机组，形成所谓的离子拖动系统。
离子拖动系统克服旋转变流机组的许多缺点，而且缩短了响应时间。
目前，采用晶闸管整流供电的直流电动机调速系统已经成为直流调速系统的主要形式。
由于以上种种原因，所以选择了脉宽调制变换器进行改变电枢电压的直流调速系统。
1.2.5选择IGBT的H桥型主电路的理由
IGBT的优点：
1）IGBT的开关速度高，开关损耗小。
2）在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。
3）IGBT的通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。
4）IGBT的输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。
5）与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时可保持开关频率高的特点。
在众多PWM变换器实现方法中，又以H型PWM变换器更为多见。
这种电路具备电流连续、电动机四象限运行、无摩擦死区、低速平稳性好等优点。
本次设计以H型PWM直流控制器为主要研究对象。
1.2.6采用转速电流双闭环的理由
同开环控制系统相比，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，单闭环系统就难以满足要求。
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。
第二章直流脉宽调速系统主电路设计
2.1主电路结构设计
直流脉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P—T1一A—B-N，此时UAB>0，AB>0；在T1截止时由于电感电流不能突变，电流AB经D2续流形成回路为A-B-D2-A，仍有UAB>0，IAB>0，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A—T2一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A—D1一P—N—A，此时UAB>0，lAB>0，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，Ⅱ象限），若使COM端与B相接而A端接N，可使电机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。
在这里用SN74LS14构成的反相器可以满足要求。
2.2参数设计
（1）IGBT参数
IGBT（InsulatedGateBipolorTransistor）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：
27A
耗散功率P：
200W
额定电压U：
220V
额定电流I：
1.2A
图2.6IGBT信号及波形图
（3）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/dt>Lc，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=10KΩ；电容C=0.75μF。
（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=2000μF；电压U=450V；VT选取IRGPC50U型号的IGBT管；电阻选取R=20Ω。
第三章调节器设计ASR,ACR
图3.1
3.1电流调节器设计
本设计因为δi%≥5%且TL/T∑I=23.98/6.7<10。
所以按典Ⅰ系统设计,选PI调节器，其传递函数为：
如图3.2所示，为电流调节器的结构图。
图3.2电流调节器的结构图
3.2转速调节器设计
在设计转速调节器时，可把已设计好的电流环看作是转速调节系统中的一个环节。
为此，需求出它的等效传递函数：
近似条件:
如图3.3所示，为转速调节器的结构图。
图3.3转速调节器的结构图
3.3转速反馈调节器、电流反馈调节器的整定
把电机、220V直流电源接入系统，系统接成开环。
把正给定接入脉宽发生单元，调节给定，使转速稳定在1600rpm，调节转速反馈调节器中的RP1，使3端输出的电压为-4V。
加大负载，使电机的电枢电流稳定在1.3A，调节电流反馈调节器，使电流反馈调节器3端输出的电压为+4V。
第四章触发电路
4.1触发控制电路设计
集成脉宽调制控制器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。
图4.1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；
SG3525介绍：
SG3525脉宽调制型控制器是美国通用电气公司的产品，作为SG3524的改进型，更适合于运用MOS管作为开关器件的DC/DC变换器，它是采用双级型工艺制作的新型模拟数字混合集成电路，性能优异，所需外围器件较少。
它的主要特点是:
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4.2控制电路图
第五章保护电路
5.1整流电路中的保护电路
本设计采用晶闸管交流过压保护电路作为整流电路中的保护电路，其电路图如下
图5.1晶闸管交流过压保护电路电路图
当电路出现过电压时，稳压管VDW导通，使晶闸管（VT1或VT2）导通，由支路中电阻消耗电能。
这种保护措施在系统出现过电压时最多工作半个周期，在一个周期结束时，晶闸管自行关断。
5.2PWM电路中的保护电路
5.2.1主电路中的熔断器负责过流保护
5.2.2缓冲电路
图5.3
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
，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
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
。
5.3反馈及保护电路设计
5.3.1转速检测装置选择
选测速发电机永磁式ZYS231/110型，额定数据为P=23.1W，U=110V，I=0.21A，n=1900r/min。
测速反馈电位器RP2的选择考虑测速发电机输出最高电压时，其电流约为额定值的20%，这样，测速发电机电枢压降对检测信号的线性度影响较小。
测速发电机工作最高电压
测速反馈电位器阻值
此时RP2所消耗的功率为
为了使电位器温度不要很高，实选瓦数应为消耗功率的一倍以上，故选RP2为4W，取2000
。
5.3.2电流检测单元
本系统要求电流检测不但要反映电枢电流的大小而且还要反映电流极性，所以选用霍尔电流传感器。
第六章调试
6.1晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定
6.1.1实验内容
1、测定晶闸管直流调速系统主电路电阻R；
2、测定晶闸管直流调速系统主电路电磁时间常数Td；
3、测定直流电动机电势常数Ce和转矩常数CM；
4、测定晶闸管直流调速系统机电时间常数TM；
5、测定晶闸管触发及整流装置特性Ud=f（Uct）；
6、测定测速发电机特性UTG=f（n）。
6.1.2实验系统组成和工作原理
本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制回路可直接由给定电压Ug作为触发器的移相控制电压，改变Ug的大小即可改变控制角，从而获得可调的直流电压和转速，以满足实验要求。
6.1.3实验方法
1、电枢回路电阻R的测定
电枢回路总电阻R=（U2-U1）/（I1-I2）
如把电机电枢两端短接，可得RL+Rn=（U’2-U’1）/（I’1-I’2）
则电机的电枢电阻为Ra=R（RL+Rn）
同样，短接电抗器两端，也可测得电抗器直流电阻RL。
测试结果如下表：
表6.1
U（V）
55
72
I（A）
0.8
0.4
表6.2
U（V）
73
82
I（A）
0.8
0.4
表6.3
U（V）
65
77
I（A）
0.8
0.4
代入以上公式计算得：
R=52.5Ω；
Ra=22.25Ω；
RL=15Ω；
2、主电路电磁时间常数的测定
采用电流波形法测定电枢回路电磁时间常数Td，电枢回路突加给定电压时，电流id按指数规律上升
其电流变化曲线如图2.5所示。
当t=Td时，有
MCL-31的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。
合上主电路电源开关。
电机不加励磁。
调节Uct，监视电流表的读数，使电机电枢电流为（50~90）Inom。
然后保持Uct不变，突然合上主电路开关，用示波器拍摄id=f（t）的波形，由波形图上测量出当电流上升至63.2稳定值时的时间，即为电枢回路的电磁时间常数Td。
实验测试曲线下图：
图6.1实验测试曲线
3、电动机电势常数Ce和转矩常数CM的测定
将电动机加额定励磁，使之空载运行，改变电枢电压Ud，测得相应的n，即可由下式算出Ce=Ke=（Ud2-Ud1）/（n2-n1）
转矩常数（额定磁通时）CM的单位为N.m/A，可由Ce求出CM=9.55Ce
实验测试结果如下表：
表6.4
Ud（V）
223
207
179
130
77
N（r/min）
1510
1395
1200
863
500
将实验结果代入公式计算得：
Ce=0.15；CM=9.55Ce=1.39；
4、系统机电时间常数TM的测定
系统的机电时间常数可由下式计算
由于Tm>>Td，也可以近似地把系统看成是一阶惯性环节，即
当电枢突加给定电压时，转速n将按指数规律上升，当n到达63.2稳态值时，所经过的时间即为拖动系统的机电时间常数。
测试时电枢回路中附加电阻应全部切除。
MCL—31的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。
合上主电路电源开关。
电动机M加额定励磁。
调节Uct，将电机空载起动至稳定转速1000r/min。
然后保持Uct不变，断开主电路开关，待电机完全停止后，突然合上主电路开关，给电枢加电压，用示波器拍摄过渡过程曲线，如下图：
图6.2过渡过程曲线
5．测速发电机特性UTG=f（n）的测定
实验线路如图6.3所示
图6.3
电动机加额定励磁，逐渐增加触发电路的控制电压Uct，分别读取对应的UTG,n的数值若干组，即可描绘出特性曲线UTG=f（n）。
表6.5
n（r/min）
1551
1316
1230
1106
921
U（V）
6.33
5.36
5.01
4.50
3.74
6.2双闭环可逆直流脉宽调速系统性能测试
6.2.1实验内容
1、PWM控制器SG3525性能测试；
2、控制单元调试；
3、系统开环调试；
4、系统闭环调试；
5、系统稳态、动态特性测试；
6、H型PWM变换器不同控制方式时的性能测试。
6.2.2实验系统的组成和工作原理
在中小容量的直流传动系统中，采用自关断器件的脉宽调速系统比相控系统具有更多的优越性，因而日益得到广泛应用。
双闭环脉宽调速系统的原理框图如图2.11所示。
图中可逆PWM变换器主电路系采用MOSFET所构成的H型结构形式，UPW为脉宽调制器，DLD为逻辑延时环节，GD为MOS管的栅极驱动电路，FA为瞬时动作的过流保护。
脉宽调制器UPW采用美国硅通用公司（SiliconGeneral）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。
6.2.3测试内容
测试1
1．SG3525性能测试
（1）用示波器观察“1”端（即SG3525的5脚）的电压波形，波形（1V，20μs）如图6.4为：
图6.45脚的波形
（2）用示波器观察“2”端（即SG3525的13脚）的电压波形（5V，20μs），波形如图6.5为：
图6.513脚的波形
（3）用导线将“G”的“1”和“UPW”的“3”相连，分别调节正负给定，记录“2”端输出的最大占空比（占空比=50%，5V，20μs）的波形如图6.6为：
图6.6最大占空比时的波形
最小占空比（占空比=13%，5V，20μs）的波形如图图6.7为：
图6.7最小占空比时的波形
2．控制电路的测试
（1）逻辑延时时间的测试
在上述实验的基础上，分别将正、负给定均调到零，用示波器观察“DLD”的“1”和“2”端的输出波形（20mv，10μs），并记录延时时间：
td=3.8μs
（2）同一桥臂上下管子驱动信号列区时间测试
分别将“隔离驱动”的G和主回路的G相连，用双踪示波器（50mv，20μs），分别测量VVT1.GS和VVT2.GS以及VVT3.GS和VVT4.GS的死区时间：
tdVT1.VT2=1.6μs
tdVT3.VT4=3.6μs
（注意：
由于在学院的实验室中，只有ME
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