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直流電動機pwm控制系統(tǒng)設計 摘要 直流電機由于具有速度控制容易,啟、制動性能良好,且在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點而在冶金、機械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應用。直流電動機轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類,即勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法控制磁通,其控制功率雖然小,但低速時受到磁飽和的限制,高速時受到換向火花和換向器結構強度的限制;而且由于勵磁線圈電感較大,動態(tài)響應較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。調(diào)節(jié)電阻r即可改變端電壓,達到調(diào)速目的。但這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速方法效率低。隨著電力電子技術的進步,發(fā)展了許多新的電樞電壓控制方法,其中pwm(脈寬調(diào)制)是常用的一種調(diào)速方法。其基本原理是用改變電機電樞(定子)電壓的接通和斷開的時間比(占空比)來控制馬達的速度,在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中,當電機通電時,其速度增加;電機斷電時,其速度減低。脈沖寬度調(diào)制pwm(pulse width modulation),就是指保持開關周期t不變,調(diào)節(jié)開關導通時間t對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術。pwm控制技術以其控制簡單,靈活和動態(tài)響應好的優(yōu)點而成為電力電子技術等領域最廣泛應用的控制方式。本文利用sg1525集成pwm控制器設計了一個基于pwm控制的直流調(diào)速系統(tǒng),本系統(tǒng)采用了電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制,并且設計了完善的保護措施,既保障了系統(tǒng)的可靠運行,又使系統(tǒng)具有較高的動、靜態(tài)性能。 只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間,即可使電機的速度達到并保持以穩(wěn)定值。最近幾年來,隨著微電子技術和計算機技術的發(fā)展及單片機的廣泛應用,使調(diào)速裝置向集成化、小型化和智能化方向發(fā)展。 本電機調(diào)速系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制方式,與晶閘管調(diào)速相比技術先進可減少對電源的污染。為使整個系統(tǒng)能正常安全地運行, 過流、過載、過壓、欠壓保護電路, 另外還有過壓吸收電路。確保了系統(tǒng)可靠運行。關鍵詞:脈沖寬度調(diào)制,開關,直流調(diào)速系統(tǒng),雙閉環(huán)控制1系統(tǒng)內(nèi)容簡介 直流電機由于具有速度控制容易,啟、制動性能良好,且在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點而在冶金、機械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應用。直流電動機轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類,即勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法控制磁通,其控制功率雖然小,但低速時受到磁飽和的限制,高速時受到換向火花和換向器結構強度的限制;而且由于勵磁線圈電感較大,動態(tài)響應較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。調(diào)節(jié)電阻r即可改變端電壓,達到調(diào)速目的。但這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速方法效率低。隨著電力電子技術的進步,發(fā)展了許多新的電樞電壓控制方法,其中pwm(脈寬調(diào)制)是常用的一種調(diào)速方法。其基本原理是用改變電機電樞(定子)電壓的接通和斷開的時間比(占空比)來控制馬達的速度,在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中,當電機通電時,其速度增加;電機斷電時,其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間,即可使電機的速度達到并保持一穩(wěn)定值。利用數(shù)字輸出對模擬電路進行控制的一種有效技術,尤其是在對電機的轉(zhuǎn)速控制方面,可大大節(jié)省能量。 pwm 具有很強的抗噪性,且有節(jié)約空間、比較經(jīng)濟等特點。模擬控制電路有以下缺陷:模擬電路容易隨時間漂移,會產(chǎn)生一些不必要的熱損耗,以及對噪聲敏感等。而在用了pwm技術后,避免了以上的缺陷,實現(xiàn)了用數(shù)字方式來控制模擬信號,可以大幅度降低成本和功耗。 1.1 pwm調(diào)速方案的優(yōu)越性 自從全控型電力電子器件問世以后,就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關控制方式,形成了脈寬調(diào)制變換器直流電機調(diào)速系統(tǒng),pwm的h型屬于調(diào)壓調(diào)速,pwm的h橋能實現(xiàn)大功率調(diào)速;國內(nèi)的超大功率調(diào)速還要依靠可控硅實現(xiàn)可控整流來實現(xiàn)直流電機的調(diào)壓調(diào)速。本設計采用直流極式控制的橋式pwm變換器。與v-m系統(tǒng)相比在很多方面有較大的優(yōu)越性:1)主電路線路簡單,需用的功率器件少。2)開關頻率高,電流容易連續(xù),諧波少,電極損耗及發(fā)熱都較小。3)低速性能好,穩(wěn)態(tài)精度高,調(diào)速范圍寬,可達1:20000左右。4)若是與快速響應的電機配合,則系統(tǒng)頻帶寬,動態(tài)響應快,動態(tài)抗干擾能力強。5)功率開關器件工作在開關狀態(tài),通道損耗小,當開關頻率適中時,關損耗也不大,因而裝置效率高。6)直流電機采用不控整流時,電網(wǎng)功率因素比相控整流器高。由于由以上優(yōu)點直流pwm系統(tǒng)應用日益廣泛,特別在中、小容量的高動態(tài)性能中。已完全取代了v-m系統(tǒng)。為達到更好的機械特性要求,一般直流電動機都是在閉環(huán)控制下運行。經(jīng)常采用的閉環(huán)系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速負反饋和電流截至負反饋。 1.2、直流電機pwm調(diào)速基本原理 pwm方式是在大功率開關晶體管的基極上,加上脈沖寬度可調(diào)的方波電壓,控制開關管的導通時間t,改變占空比,達到控制目的。圖1是直流pwm系統(tǒng)原理框圖。這是一個雙閉環(huán)系統(tǒng),有電流環(huán)和速度環(huán)。在此系統(tǒng)中有兩個調(diào)節(jié)器,分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,二者之間實行串級連接,即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入,再用電流調(diào)節(jié)器的輸出作為pwm的控制電壓。核心部分是脈沖功率放大器和脈寬調(diào)制器??刂撇糠植捎胹g1525(脈寬調(diào)制芯片sg1525具有欠壓鎖定、故障關閉和軟起動等功能,因而在中小功率電源和電機調(diào)速等方面應用較廣泛。sg1525是電壓型控制芯片,利用電壓反饋的方法控制pwm信號的占空比,整個電路成為雙極點系統(tǒng)的控制問題,簡化了補償網(wǎng)絡的設計。)集成控制器產(chǎn)生兩路互補的pwm脈沖波形,通過調(diào)節(jié)這兩路波形的寬度來控制h電路中的gtr通斷時間,便能夠?qū)崿F(xiàn)對電機速度的控制。為了獲得良好的動、靜態(tài)品質(zhì),調(diào)節(jié)器采用pi調(diào)節(jié)器并對系統(tǒng)進行了校正。檢測部分中,采用了霍爾片式電流檢測裝置對電流環(huán)進行檢測,轉(zhuǎn)速還則是采用了測速電機進行檢測,能達到比較理想的檢測效果。 2.系統(tǒng)概述2.1 系統(tǒng)構成 本系統(tǒng)主要有信號發(fā)生電路、pwm速度控制電路、電機驅(qū)動電路等幾部分組成。整9 個系統(tǒng)上采用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制結構,如圖1所示。在系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器,分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流,二者之間實行串級連接,即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入,再用電流調(diào)節(jié)器的輸出作為pwm的控制電壓。從閉環(huán)反饋結構上看,電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面,是內(nèi)環(huán),按典型型系統(tǒng)設計;轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面,成為外環(huán),按典型型系統(tǒng)設計。為了獲得良好的動、靜態(tài)品質(zhì),調(diào)節(jié)器均采用pi調(diào)節(jié)器并對系統(tǒng)進行了校正。檢測部分中,采用了霍爾片式電流檢測裝置對電流環(huán)進行檢測,轉(zhuǎn)速還則是采用了測速電機進行檢測,達到了比較理想的檢測效果。主電路部分采用了以gtr為可控開關元件、h橋電路為功率放大電路所構成的電路結構。 pwm方式是在大功率開關晶體管的基極上,加上脈沖寬度可調(diào)的方波電壓,控制開關管的導通時間t,改變占空比,達到控制目的。圖1是直流pwm系統(tǒng)原理框圖。這是一個雙閉環(huán)系統(tǒng),有電流環(huán)和速度環(huán)。核心部分是脈沖功率放大器和脈寬調(diào)制器。控制部分采用sg1525集成控制器產(chǎn)生兩路互補的pwm脈沖波形,通過調(diào)節(jié)這兩路波形的寬度來控制h電路中的gtr通斷時間,便能夠?qū)崿F(xiàn)對電機速度的控制。圖1 直流電動機pwm系統(tǒng)原理圖圖2 控制電路的原理圖 圖2為控制電路的原理圖。圖中,v為大功率晶體管,c1、r1、vd1為過電壓吸收電路。由sg1525集成pwm控制器產(chǎn)生的pwm信號,經(jīng)驅(qū)動電路隔離放大后,驅(qū)動晶體管。輸出的pwm電壓平均值按下式變化,其中的值由sg1525定頻調(diào)寬法,即t1+t2=t保持一定,使t1在0t范圍內(nèi)變化來調(diào)節(jié)。 系統(tǒng)的直流主回路電源vd,經(jīng)三相橋式不可控整流濾波電路供電。當被流電機的額定功率較小時,vd 也可由單相橋式不可控整流濾波電路供電。系統(tǒng)由主開關器件v的pwm 斬波渡控制,在電感l(wèi)左端形成主控回路的pwm脈寬可調(diào)控電壓ua ,ua 再經(jīng) lc濾波得到直流電機兩端的平直直流電壓va pwm驅(qū)動裝置是利用大功率晶體管的開關特性來調(diào)制固定電壓的直流電源,按一個固定的頻率來接通和斷開,并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”與“斷開”時間的長短,通過改變11直流伺服電動機電樞上電壓的“占比空”來改變平均電壓的大小,從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。因此,這種裝置又稱為“開關驅(qū)動裝置”。 2.2直流電動機的脈寬調(diào)制的工作原理 直流無刷電機由電動機、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關線路三部分組成。直流電源通過開關線路向電動機定子繞組供電,電動機轉(zhuǎn)子位置由位置傳感器檢測并提供信號去觸發(fā)開關線路中的功率開關元件使之導通或截止,從而控制電動機的轉(zhuǎn)動。在應用實例中,磁極旋轉(zhuǎn),電樞靜止,電樞繞組里的電流換向借助于位置傳感器和電子開關電路來實現(xiàn)。電機的電樞繞組作成三相,轉(zhuǎn)子由永磁材料制成,與轉(zhuǎn)子軸相連的位置傳感器采用霍爾傳感器。3600范圍內(nèi),兩兩相差1200安裝,共安裝三個。為了提高電機的特性,電機采用二相導通星形三相六狀態(tài)的工作方式。開關電路采用三相橋式接線方式。 pwm驅(qū)動裝置是利用大功率晶體管的開關特性來調(diào)制固定電壓的直流電源,按一個固定的頻率來接通和斷開,并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”與“斷開”時間的長短,通過改變直流伺服電動機電樞上電壓的“占比空”來改變平均電壓的大小,從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。因此,這種裝置又稱為“開關驅(qū)動裝置”。 pwm控制的示意圖如圖2所示,可控開關s以一定的時間間隔重復地接通和斷開,當s接通時,供電電源us通過開關s施加到電動機兩端,電源向電機提供能量,電動機儲能;當開關s斷開時,中斷了供電電源us向電動機電流繼續(xù)流通。圖3 pwm控制示意圖 電壓平均值uas可用下式表示: uas= tonus/t=us (1-1)式中,ton為開關每次接通的時間,t為開關通斷的工作周期,(即開關接通時間ton和關12 斷時間toff之和),為占空比,= ton/t。 由式(1-1)可見,改變開關接通時間ton和開關周期t的比例也即改變脈沖的占空比,電動機兩端電壓的平均值也隨之改變,因而電動機轉(zhuǎn)速得到了控制。23 主回路 在系統(tǒng)主電路部分,采用的是以大功率gtr為開關元件、h橋電路為功率放大電路所構成的電路結構。如圖2所示。圖中,四只gtr分為兩組,1vt和4vt為一組,2vt和3vt為另一組。同一組中的兩只gtr同時導通,同時關斷,且兩組晶體管之間可以是交替的導通和關斷。欲使電動機m向正方向轉(zhuǎn)動,則要求控制電壓ku為正,各三極管基極電壓波形如圖3所示。欲使電動機反轉(zhuǎn),則使控制電壓ku為負即可2。gtr是一種雙極性大功率高反壓晶體管,它大多用作功率開關使用,而且 gtr是一種具有自關斷能力的全控型電力半導體器件,這一特性可以使各類變流電路的控制更加方便和靈活,線路結構大為簡化。圖4雙極式h型pwm變換電路圖5 雙極式pwm變換電路的電壓、電流波形 (a),(b) 三極管基極電壓波形(c) 電樞電壓波形(d)電樞電流波形(e) 重負載時ai波形(f) esu時ai波形 設矩形波的周期為t,正向脈沖寬度為1t,并設=1t/t為占空比。則電樞電壓u的平均值avu=(2-1)su=(21t/t-1)su,并定義雙極性雙極式脈寬放大器的負載電壓系數(shù)為 =avu/su=21t/t-1即 avu=su可見,可在-1到+1之間變化。 雙極式pwm變換器的優(yōu)點:1、電流一定連續(xù);2、可使電機在四象限中運行;3、電動機停止時有微振電流,能消除正、反向時的靜摩擦死區(qū);4、低速時,每個晶體管的驅(qū)動脈沖仍較寬,有利于保證晶體管可靠導通;5、低速平穩(wěn)性好,低速范圍可達20000左右。a).正向電動運行波形 b).反向電動運行波形3單元電路設計 31 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)電路311電路原理 在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中設置了兩個調(diào)節(jié)器,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入,電流調(diào)節(jié)器的輸出控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。電流調(diào)節(jié)器在里面稱作內(nèi)環(huán),轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外面稱作外環(huán),這樣就形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖7所示。檢測部分中,采用了霍爾片式電流檢測裝置對電流環(huán)進行檢測,轉(zhuǎn)速 15 則是采用了測速電機進行檢測。 為了獲得良好的靜、動態(tài)性能,轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器都采用pi 調(diào)節(jié)器。pi調(diào)節(jié)器的輸出由兩部分組成,第一部分是比例部分,第二部分是積分部分。把比例運算電路和積分電路組合起來就構成了比例積分調(diào)節(jié)器,如圖6所示??芍猽o=-i1r1-r0c1 1 uidt i1=i0=ui/r0 u0=-r1ui/r0- r0c1/1uidt 當突加輸入信號ui時,開始瞬間電容c1相當于短路,反饋回路中只有電阻r1,此時相當于比例調(diào)節(jié)器,它可以毫無延遲地起調(diào)節(jié)作用,故調(diào)節(jié)速度快;而后隨著電容c1被充電而開始積分,u0線性增長,直到穩(wěn)態(tài)。圖6 pi調(diào)節(jié)器電路 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導調(diào)節(jié)器,它使轉(zhuǎn)速跟隨其給定電壓變化,穩(wěn)態(tài)時實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差,對負載變化起抗擾作用,其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。電流調(diào)節(jié)器使電流緊緊跟隨其給定電壓變化,對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾作用,在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中能夠獲得電動機允許的最大電流,從而加快動態(tài)過程,當電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時,限制電樞電流的最大值,起快速的自動保護作用。一旦故障消失,系統(tǒng)立即自動恢復正常。 圖7轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)電路圖 asr轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器acr電流調(diào)節(jié)器gt觸發(fā)裝置m 直流電動機tg測速發(fā)電機ta電流互感器upe-電力電子變換器un*-轉(zhuǎn)速給定電壓un-轉(zhuǎn)速反饋電壓ui*-電流給電壓ui-電流反饋電壓 圖中,來自速度給定電位器給定的信號un*與速度反饋信號un比較后,偏差為un= un*-un,送到速度調(diào)節(jié)器asr的輸入端。速度調(diào)節(jié)器的輸出ui*作為電流調(diào)節(jié)器acr的給定信號,與電流反饋信號ui比較后,偏差為un= ui*-ui,送到電流調(diào)節(jié)器acr的輸入端,電流調(diào)節(jié)器的輸出uct送到觸發(fā)器,以控制可控整流器,整流器為電動機提供直流電壓ud.。 3.2 pwm驅(qū)動裝置控制電路 pwm khz圖6為pwm驅(qū)動裝置控制電路框圖。該控制電路包括恒頻波形發(fā)生器、脈寬調(diào)制器、脈沖分配電路等脈寬調(diào)速系統(tǒng)所特有的電路。圖8 pwm驅(qū)動裝置控制電路框圖 321恒頻波形發(fā)生器 它的作用是產(chǎn)生頻率恒定的振蕩信號作為時間比較的基準,其波形可以是三角形波或鋸齒波。pwm波由具有輸出的pwm控制器產(chǎn)生。 3.2.2脈寬調(diào)制器 sg1525為單片脈寬調(diào)制型控制器芯片,具有輸出5.1v 的基準穩(wěn)壓電源,誤差放大器、振蕩頻率在100 400khz范圍內(nèi)的鋸齒波振蕩器、軟啟動電路、關閉電路、脈寬調(diào)制比較器、rs寄存器以及保護電路等。它解決了pwm電路的集成化問題,在實例中用此芯片來實現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)速。在具體的電路中,首先對位置傳感器信號進行整形,形成所需要的前后沿很陡,具有一定寬度的波形。經(jīng)微分電路微分,產(chǎn)生的微分脈沖去觸發(fā)時基電路lm555,形成占空比為2:1的方波,方波頻率約為200hzo 此方波頻率計算公式為:f= n * p/ 60式中y1為電機的額定轉(zhuǎn)速r/min, f為位置傳感器輸出信號的頻率、p為電機的極對數(shù)。方波經(jīng)濾波器濾波后,形成直流電壓送人脈寬調(diào)制器,與脈寬調(diào)制器的反饋電壓進行比較,利用得到的誤差信號去控制脈寬調(diào)制器輸出的調(diào)制方波脈沖的寬度變化,即pwm輸出脈沖占空比的變化,利用占空比的變化調(diào)整加在電機電樞繞組上的電壓,改變電壓隨即改變電機電流,轉(zhuǎn)速依據(jù)電流的大小來改變。 結束語:在應用實例中,pwm對調(diào)速系統(tǒng)來說,有如下優(yōu)點:系統(tǒng)的響應速度和穩(wěn)定精度等指標比較好;電樞電流的脈動量小,容易連續(xù),而且可以不必外加濾波電抗也可以平穩(wěn)工作;系統(tǒng)的調(diào)速范圍寬;使用元件少、線路簡單。 它的作用是實現(xiàn)電壓、脈寬的轉(zhuǎn)換(v/m),即形成pwm信號。sg1525集成控制器由r2 和rp1分壓給出ea(+)(2引腳)的系統(tǒng)設定值電壓。這就要求提供此電壓的基準電源vref有較高精度。vref受15引腳vcc1電源電壓的影響。vcc1是標準三端集成穩(wěn)壓器的輸入電壓。vref是穩(wěn)壓器的輸出電壓 vcc。低于7v或嚴重欠電壓時,vref的精度值(51v1% )就得不到保證;為防止ea(+)設定值電壓波動導致系統(tǒng)失控,在器件內(nèi)部設置有欠壓鎖定功能。出現(xiàn)欠電壓時,欠電壓鎖定功能使圖7中 a 端線由低電壓上升為邏輯高電壓經(jīng)“或”一“或非”門輸出轉(zhuǎn)化為p1= p2=dcba=dcb1;p1 =2p=1;p1 和p2的邏輯低電壓使輸出驅(qū)動晶體管t1和t2 截止,p1和p2的邏輯高電壓使晶體管t和t的集電極對地導通。控制器11 和l4引腳的輸出電壓脈沖消失( v01=v02 = 0),功率驅(qū)動電路輸出至主開關管v的控制驅(qū)動脈沖消失,主開關管關斷使直流電機停轉(zhuǎn)。 欠電壓使a端線高電壓傳遞到t3晶體管基極,t3導通為8引腳外接電容c3,提供放電的徑c3經(jīng)t3發(fā)射極電阻放電為零電壓后,限制了比較器c的pwm 脈沖電壓輸出 ,該脈沖電壓上升為恒定的邏輯高電壓。 pwm 高電壓經(jīng) pwm 鎖存器輸出到d端線仍為恒定的邏輯高壓,c3 電容重新充電之前,d端線的高電壓不會發(fā)生變化。d與 a同為高電壓雙重封鎖v01和v02為零出欠電壓消失后,欠電壓鎖定功能使a恢復低電壓正常值,a的低電壓使管恢復截止。c3電容由50a 電流源緩慢充電。c3充電對pwm 和d端線脈沖寬度產(chǎn)生影響。同時對v01和v02產(chǎn)生影響,其結果是使v01和v02脈沖由窄緩慢變寬。只有c3充電結束后v01和v02脈沖寬度才不再受c3充電的影響。參見圖8和圖9。圖9 sg1525集成pwm控制器的內(nèi)部結構圖 由于v01和v02脈沖寬度受c3充電影響緩慢加寬,欠電壓消失后的功率驅(qū)動脈沖也是由窄變寬的,主開關管斬波輸出的直流電壓va呈現(xiàn)出由小變大的趨勢,而不是躍變?yōu)槟骋还潭ㄖ惦妷骸_@種軟啟動方式,使系統(tǒng)主回路電機及開關器件避免承受過大的沖擊渲涌電流。c3 一般選用幾微法的電解電容器. 3.2.3系統(tǒng)的故障關閉功能 為便于從直流電機主回路接受檢測到的故障信號,例如,電機過電流,過電壓,vd直流失壓等故障信號,集成控制器內(nèi)部t3晶體管基極經(jīng)-50k13電阻連接1引腳。外部故障信號使va穩(wěn)壓管導通時,穩(wěn)壓管導通電流在r6兩端產(chǎn)生邏輯高電壓,此邏輯高電壓使t3管基極上升為邏輯高電壓。由于t3基極與 a端線相連,故障信號產(chǎn)生的關閉過程與欠電壓鎖定過程類似。即使p1 =p2=0,t1和t2晶體管截止;p1=2p=1, t2t導通。v01=v02=0;關閉驅(qū)動脈沖使主開關管v關斷,va =0,電機停轉(zhuǎn)。另外,故障信號使,導通提供8引腳腳c3電容的放電路徑,c3放電到零電壓為軟啟動作好準備。故障消除后t3截止,c3由電流源緩慢充電,v01和v02脈沖由窄變寬,由低值逐漸升高到某固定值,電機在不承受過大啟動電流的狀態(tài)下平穩(wěn)上升到某固定轉(zhuǎn)速。3.2.4系統(tǒng)波形與控制方式分析 系統(tǒng)控制器輸出的控制脈沖電壓v01和v02 (11和14腳)的上跳時間,由一個鋸齒波電壓v+的谷點時刻確定。即v01和v02總是在鋸齒渡電壓v+取最小值時,由邏輯低電平上跳為邏輯高電平(圖3)。為保證v01和v02不同時出現(xiàn)邏輯高電壓 (每間隔一個鋸齒波出現(xiàn)一次),vo1和vo2的頻率設置為鋸齒波電壓頻率的二分之一。圖2中,ff 觸發(fā)器在cp脈沖控帝葺下輸出q和q兩個二分頻計數(shù)脈沖分別至不同或一或非門口b輸入端,即可達到上述頻率設置的目地。cp脈沖出現(xiàn)的時刻與鋸齒波峰點對齊,cp后沿下跳時刻與谷點對齊,這樣可保證cp與鋸齒渡的同步同頻率變化。cp與鋸齒波v+的同步同頻率設置功能,由osc振蕩器完成。cp實際是由雙門限比較器將鋸齒波電壓整形后的。osc輸出波形參見圖3。 vo1和vo2脈沖的后沿下跳時刻由鋸齒渡v+ 的上升沿區(qū)間和v一電壓的交點確定,當v +上升到v+v-的臨界對應時刻時,vo1或vo2脈沖由邏輯高電平跳變?yōu)檫壿嫷碗娖健U`差放大器 ea的輸出電壓v-,可由2引腳設定電位器rp1調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)rp1使v-等于v+的谷點電壓時,vo1和vo2的脈寬縮減為零,vo1= vo2=0;調(diào)節(jié)rp1使v-等于v+的蜂點電壓時,vo1和vo2的脈寬達到最大值。由于v-電壓由v+的谷點到峰點電壓調(diào)節(jié)時,和v +交點在鋸齒波上升沿移動所對應的時間為t1,vo1 和vo2的最大脈沖寬度也為t1。v+ 與v-的交點比較功能由c比較器(圖2)完成,當v+v-,c比較器輸出的pwm 渡形由邏輯低電平變?yōu)楦唠娖?;v+v-時(v+下降沿交點),c比較器輸出pwm波由邏輯高電平變?yōu)榈碗娖?,為保證pwm波寬不致于太窄,用pwm鎖存器鎖存高電平值,并在cp脈沖下跳時對鎖存器清零。以進行下一個比較點的鎖存。經(jīng)pwm鎖存器輸出到“或”一“或非”門c輸入端的脈沖最小寬度與cp同寬。集成控制器與系統(tǒng)工作波形圖見3。系統(tǒng)的自動 調(diào)節(jié)過程分析如下: 圖10 sg1525各點波形與pwm斬波調(diào)壓波形 調(diào)節(jié)電位器rp1使誤差放大器輸出一固定的v-電壓在v+的谷點和v-與v+交點對應的區(qū)間內(nèi)有固定的vo1 +vo2脈沖(11和14腳并接獲vo1+vo2)輸出到功率驅(qū)動電路,主開關管v以某固定脈寬斬波輸出ua,濾波輸由rp1調(diào)節(jié)確定的直流電壓va值到直流電機,電機保持其穩(wěn)定轉(zhuǎn)速運行。當電機因某種擾動固察使轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時,例如,負載變化使轉(zhuǎn)速下降,則由系統(tǒng)檢測反饋的vf電壓值跟隨下降,vf經(jīng)r3及串聯(lián)二極管(此二極管可防止調(diào)試系統(tǒng)時正負極接反形成正反饋)使誤差放大器ea(-)反相輸入端電位下降,誤差電壓e=ea(+)-ea(-)增大(方向由ea(+)指向ea(-),誤差放大器對e的比例積分運算(ea誤差放大器的輸出9引腳和反相輸入引腳間接有 r4、c2構成的比例積分反饋網(wǎng)絡)輸出電壓v-值上升,v-的上升使v +v-的交點時刻(鋸齒披上升沿交點)后移。vo1+vo2和u。脈沖寬度均變寬,ua的濾波平均值電壓va按比例積分規(guī)律增大, va增大使電機轉(zhuǎn)速回升,當電機轉(zhuǎn)速回升到rp1設定值ea(+)所對應的穩(wěn)定狀態(tài)時,e調(diào)節(jié)為零,v-停止比例積分變化,系統(tǒng)進入新和穩(wěn)態(tài)運行。3.2.5 脈沖分配電路 在可逆pwm變換器中,上、下兩個晶體管經(jīng)常交替工作,如圖10所示。由于晶體管存在關斷時間,因此有可能能造成在一個晶體管未完全關斷時,另一個晶體管已導通,從而使電源短路。為了避免這種情況發(fā)生,根據(jù)功率轉(zhuǎn)換電路的工作要求,設置了大功率晶體管的導通次序,即脈沖分配電路,使大;功率晶體管能按照指定的順序?qū)ā?在圖11中,晶體管v1、v4是同時關斷的,v2、v3也是同時導通同時關斷的,但v1與v2、v3與v4都不允許同時導通,否則電源ud直通短路。設v1、v4先同時導通t1秒后同時關斷,間隔一定時間之后,再使v2、v3同時導通t2秒后同時關斷,如此反復,則電動機電樞端電壓波形如圖11(b)所示。圖11脈沖分配電路電動機電樞端電壓的平均值為ua= udt tudtttt)11 2(2121=(2-1)ud 由于01,ua值的范圍是-udud,因而電動機可以在正反兩個方向調(diào)速運轉(zhuǎn)。3.2.6基極驅(qū)動電路 系統(tǒng)采用的功率驅(qū)動電路取決于主開關管v的器件類別。用不同類別的主開關其功率驅(qū)動電路也不同。本系統(tǒng)采用bjt功率晶體管的驅(qū)動電路。圖2是驅(qū)動 bjt功率晶體管的一種用的雙電源光電耦合驅(qū)動電路,其工作原理如下。 vo1+vo2為邏輯低電平時,t4晶體管止集電極輸出高電平至t3基極,穩(wěn)壓管w與t3均導通,使集電極為低電平。一般可設計t3集電極低電平為負值,例如,設計vca=vw+vcesa-vcc=2.6v,受vc3負位制約;bjt基極電位(a點)為vc3+veb2=-2v(此時t1管vbe1-veb2=o6v反偏電壓截止)。bjt發(fā)射極連于電容c的聯(lián)交點b,可獲得直流懸浮零電位vb(vccvc)=0( vc=2vcc c cc )。該直流懸浮零電位使 bjt基極發(fā)射極間有2v的反向偏置電壓,以保證bjt的可靠關斷。因bjt發(fā)極與電感l(wèi)相連,電容c還有效隔斷驅(qū)動路和l強電電路的直流電聯(lián)系。 vo1+vo2為高電平時,t4導通,t3和穩(wěn)壓管關斷,vcc經(jīng)r3和t1管基極、發(fā)射極向bj提供基極開通電流,t2管承受vbe1=-veb2反壓截止。r1限制bjt導通基流的大小。r2在bjt關斷瞬間,限制電容c經(jīng)bjt發(fā)射極、基極,t2發(fā)射極、集電極,負電源回路的反向恢復電流峰值。 調(diào)試圖2中的 r5,可改變vo1+vo2脈沖的幅值,以適應輸入光電耦合電路的參敬定額要求。圖12電路的適應性較強也可用于igbt絕緣柵雙極晶體管的功率驅(qū)動電路。圖12 基極驅(qū)動電路3.3、相關數(shù)據(jù)分析該系統(tǒng)調(diào)速精度與調(diào)速范圍要求不高。本系統(tǒng)采用三相 (1)ct,rt,rd的選取 sg1525集成控制器可輸出01400khz的脈沖頻率,對應ct= 00010.1f,rt=2 150k取值。一般對于bjt和gto器件可取f=1khz以下,igbt器件取f= 10khz左右。f與ct,rt,rd的關系用下式確定。 f=l(t1+ t2)=1(067r1ctr1+1.3rdct) 例如f= lkhz,t= 0001s,取定t= 002s,t2=016s,可算得ce=0.122vmin/r時rt與rd分別為rt = t1067ct

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