某軋機(jī)主傳動(dòng)直流可控環(huán)流可逆運(yùn)行調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：某軋機(jī)主傳動(dòng)直流可控環(huán)流可逆運(yùn)行調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué) 院： 姓 名： 班 級： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 日 期： 摘要長期以來，直流電機(jī)以其良好的線性特性、優(yōu)異的控制性能等特點(diǎn)成為大多數(shù)變速運(yùn)動(dòng)控制和閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)的最佳選擇。直流調(diào)速系統(tǒng)是自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的主要形式，它具有良好的起、制動(dòng)性能，可以在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，較快的零動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，并且低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)力矩大這些極好的運(yùn)行性能和控制特性，長期以來，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)著重要地位。從市場的角度來看，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，從控制技術(shù)的角度來看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。所以在直流調(diào)速系統(tǒng)電氣傳動(dòng)

2、中獲得了廣泛應(yīng)用。本文從直流電動(dòng)機(jī)的工作原理入手，建立了PWM雙閉環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并詳細(xì)分析了系統(tǒng)的原理及其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。在理論分析和仿真研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)用雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)主電路、基準(zhǔn)電源、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電路、電流調(diào)節(jié)器電路、PWM波生成電路、橋式可逆直流脈寬系列電路及轉(zhuǎn)速檢測電路的具體實(shí)現(xiàn)。然后按照自動(dòng)控制原理，對雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算，利用MATLAB中的Simulink對系統(tǒng)進(jìn)行了各種參數(shù)給定下的仿真，通過仿真獲得了參數(shù)整定的依據(jù)。關(guān)鍵詞：可逆直流調(diào)速系統(tǒng) 速度環(huán) 電流環(huán) 模擬調(diào)節(jié)器MATLAB IGBTAbstractFor a lo

3、ng time，DC motor is the optimal choice for most variable motion control and closed loop position servo control system with excellent its good linear characteristics, control performance, etc. DC speed control system is the main form of the automatic speed regulation system, it has a good starting an

4、d brake performance, can be in a wider range of speed regulation of smooth realized in speed, fast dynamic response process, and low speed running torque these excellent performance and control characteristic, but for a long time, DC speed control system has been occupies an important position. From

5、 a market perspective, DC speed control system in theory and practice are more mature, from the point of view of the control technology, it is the foundation of ac speed adjustment system. So in dc speed control system in electric transmission won the widely used. This article from the working princ

6、iple of dc machines, a PWM double closed loop reversible dc speed control system, and the mathematical model of detailed analysis of system principle and the static and dynamic performance. In the theory analysis and simulation research, and on the basis of design a set of experiments with double cl

7、osed loop dc speed control system, detailed introduces system main circuit, sawtooth wave produces circuit, benchmark power supply, rotate speed adjustment circuit, current regulator circuit, PWM waves generated circuit, bridge type reversible dc speed pulse width series circuit and the realization

8、of a detection circuit. Then according to automatic control theory, double closed loop speed regulation system, the design parameters of analysis and calculation the use of MATLAB of Simulink of the system parameters to the set of the simulation, through the simulation won the parameters setting the

9、 basis.Keywords: reversible do speed control system; Speed loop; Current loop; Simulation regulator; MATLAB;IGBT目錄緒論-4第一章 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求-5第二章 系統(tǒng)方案選擇-61 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方案的選擇-62 主電路設(shè)計(jì)-8第三章 控制電路及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)-133.1 控制電路-133.2 驅(qū)動(dòng)電路-17第四章 電流調(diào)節(jié)器與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)-204.1 調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法的基本思路-204.2 系統(tǒng)主要參數(shù)的計(jì)算-204.3 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)-214.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)-25第五章

10、 其他單元電路設(shè)計(jì)-285.1 基準(zhǔn)電源設(shè)計(jì)-285.2 轉(zhuǎn)速檢測電路-285. 3 本設(shè)計(jì)采用的勵(lì)磁回路-29第六章 系統(tǒng)各保護(hù)電路設(shè)計(jì)-326.1 交流側(cè)和直流側(cè)保護(hù)-32第七章 系統(tǒng)仿真-377.1 MATLAB仿真軟件介紹-377.2 仿真模型的建立-397.3 仿真如下-39總結(jié)-43設(shè)計(jì)體會(huì)-44附錄-45緒論可逆軋機(jī)為單機(jī)架軋機(jī)，進(jìn)行多道次鋼帶軋鋼。它是由主傳動(dòng)，壓下裝置，前后夾送棍及左右卷取機(jī)等組成。生產(chǎn)過程簡介:軋制前先啟動(dòng)壓下裝置電擊提升軋輥，使軋輥有一定開度，將鋼卷坯料裝在開卷機(jī)上。啟動(dòng)開卷機(jī)將鋼帶通過軋輥喂入卷取機(jī)上，并將鋼帶咬住。左右卷取機(jī)同時(shí)向反向開動(dòng)，將鋼帶拉緊，

11、產(chǎn)生一定拉力，即靜張力。開動(dòng)壓下電擊，將軋輥壓下一定的壓下量。開動(dòng)主軋機(jī)進(jìn)行第一道軋制。開動(dòng)主軋機(jī)，同時(shí)發(fā)出補(bǔ)償信號(hào)給左右卷取機(jī)。卷取機(jī)正轉(zhuǎn)，開卷機(jī)反轉(zhuǎn)，并與主傳動(dòng)保持同步，保持恒張力軋制。此時(shí)，卷取機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)，開卷機(jī)工作在制動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)帶鋼尾端離開開卷機(jī)后主傳動(dòng)降速到喂料速度。帶鋼尾端離開軋輥后，卷取機(jī)及前部夾送棍應(yīng)在120mm內(nèi)停止，便于下一道次軋制不需人工喂料。軋制工藝對電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的要求（1）由于反復(fù)多道次軋制，要求傳動(dòng)系統(tǒng)可逆運(yùn)轉(zhuǎn)并且無級調(diào)速。（2）軋制過程中要保持軋制速度恒定，在加減速過程中要求加減速恒定，實(shí)現(xiàn)快速反向。（3）在軋制過程中要保持給定張力，誤差不得超過8%。（4）

12、開卷機(jī)與卷取機(jī)在軋制過程中應(yīng)與主傳動(dòng)的線速度同步。（5）電氣傳動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)有較高的靜態(tài)精度，動(dòng)態(tài)品質(zhì)與抗擾性能。軋機(jī)的主要工藝數(shù)據(jù) 軋制材料：自行車鋼帶 坯料厚度及寬度：厚2.24.5mm；寬120250mm 軋制速度：0.33M/S 喂料速度：0.3M/S 工作軋輥直徑:165mm,支持 直徑：400mm 軋剛長度：350mm 主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)：ZZJ2-91,Pcd=145KW,Ucd=220V,Icd=2.1A,ncd=1460rpm,Uf=220V,If=9.6A第一章 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求設(shè)計(jì)題目：某軋機(jī)住傳動(dòng)直流可控環(huán)流可逆運(yùn)行調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.設(shè)計(jì)內(nèi)容采用轉(zhuǎn)速、電流負(fù)反饋構(gòu)成雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。主回

13、路采用三相橋，可控環(huán)流，可逆運(yùn)行，使用IGBT。勵(lì)磁回路采用三相橋式晶閘管變流裝置供電，構(gòu)成勵(lì)磁電流閉環(huán)控制。2.技術(shù)要求（1）直流電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)：220V，2.1A，1460rpm，Ce=0.192V.min/r，允許的過載倍數(shù)=1.5，電樞回路電阻Ra=5，系統(tǒng)運(yùn)用部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量G =10N。（2）要求達(dá)到的性能指標(biāo)：D=20，S5%，電流超調(diào)量i5%，轉(zhuǎn)速無靜差，且空載起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)n10%。3.設(shè)計(jì)內(nèi)容及工作量（1）系統(tǒng)方案選擇（2）主電路設(shè)計(jì)（3）觸發(fā)電路與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)（4）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)（5）保護(hù)裝置設(shè)計(jì)（6）畫出系統(tǒng)電路圖，并撰寫設(shè)計(jì)說明書4. 系統(tǒng)概述直流

14、調(diào)速是指人為的地或自動(dòng)地改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以滿足工作機(jī)械的要求。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是性能很好，應(yīng)用最廣的直流調(diào)速系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可獲得優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)調(diào)速特性。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速的控制規(guī)律、性能特點(diǎn)和設(shè)計(jì)方法是各種交、直流電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。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，及分別計(jì)入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋。二者之間實(shí)行嵌套聯(lián)接。圖1-1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 本課程設(shè)計(jì)就要求結(jié)合給定的初始條件來完成直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中包括繪制該調(diào)速系統(tǒng)的原理圖，對調(diào)節(jié)器進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，選擇調(diào)

15、節(jié)器參數(shù)等。由于設(shè)計(jì)要求明確指出使用IGBT，考慮到IGBT很少用于整流電路中，故選擇H橋電路（即PWM變換器電路）對電機(jī)進(jìn)行控制，該系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī)停止時(shí)電樞電壓瞬時(shí)值并不等于零，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)交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電動(dòng)機(jī)的損耗。但它也有好處，在電動(dòng)機(jī)停止時(shí)仍有高頻微振電流，從而消除了正反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動(dòng)力潤滑”的作用，對于該系統(tǒng)中的環(huán)流問題在本次設(shè)計(jì)中不在考慮。第二章 系統(tǒng)方案選擇1 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方案的選擇1.1 直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種：（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。 改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電

16、壓，從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，這種方法最好。 變化遇到的時(shí)間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需要大容量可調(diào)直流電源。（2）改變電動(dòng)機(jī)主磁通。 改變磁通可以實(shí)現(xiàn)無級平滑調(diào)速，但只能減弱磁通進(jìn)行調(diào)速（簡稱弱磁調(diào)速），從電機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法。 變化時(shí)間遇到的時(shí)間常數(shù)同變化遇到的相比要大得多，響應(yīng)速度較慢，但所需電源容量小。（3）改變電樞回路電阻R。在電動(dòng)機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡單，操作方便。但是只能進(jìn)行有級調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性較軟；空載時(shí)幾乎沒什么調(diào)速作用；還會(huì)在調(diào)速電阻上消耗大量電能。改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)

17、很多，目前很少采用，僅在有些起重機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長的傳動(dòng)系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速范圍不大，往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主速。故本系統(tǒng)中選擇調(diào)節(jié)電樞供電電壓U的方法來調(diào)速。1.2 供電方案選擇 可逆冷軋機(jī)采用F-D系統(tǒng)拖動(dòng)控制方案可以實(shí)現(xiàn)工藝提出的要求，由一臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)供電，但是裝機(jī)容量不大，占地面積大，耗電多，缺點(diǎn)多，優(yōu)點(diǎn)少，不建議采用。目前采用較多的是用可控硅整流裝置給直流電動(dòng)機(jī)供電，即V-M調(diào)速系

18、統(tǒng)。所用設(shè)備少，體積小，占地面積也小。由于該方案采用靜止的變流裝置，所以沒有噪音，效率高，耗電量少，節(jié)省電能，比較理想。由于在設(shè)計(jì)要求中明確指出使用IGBT，所以不使用V-M調(diào)速系統(tǒng)，結(jié)合設(shè)計(jì)中可逆等要求，故選擇目前使用較多的橋式可逆PWM變換器電路該電動(dòng)機(jī)供電。橋式可逆PWM變換器1.3 整流電路方案選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用三相橋式整流電路，又因?yàn)椴捎昧藰蚴絇WM控制電動(dòng)機(jī)，所以采用三相不可控橋供電就可以滿足要求，并且從經(jīng)濟(jì)角度考慮，也很適用。 三相橋式不可控整流電路2主電路設(shè)計(jì)2.1 選擇PWM控制系統(tǒng)的理由脈寬調(diào)制器UPW采用美國硅通用公司（Silicon General）的第二代產(chǎn)品SG3

19、525，這是一種性能優(yōu)良，功能全、通用性強(qiáng)的單片集成PWM控制器。由于它簡單、可靠及使用方便靈活，大大簡化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計(jì)及調(diào)試，故獲得廣泛使用。PWM系統(tǒng)在很多方面具有較大的優(yōu)越性 ：1） PWM調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡單，需用的功率器件少。2） 開關(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。3） 低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍廣，可達(dá)到1：10000左右。4） 如果可以與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。5） 功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高。 6） 直流電源采用不可控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相

20、控整流器高。 2.2 橋式可逆PWM變換器的工作原理脈寬調(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。電動(dòng)機(jī)M兩端電壓 的極性隨開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電壓的極性變化而變化。雙極式控制可逆PWM變換器的四個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓波形如下圖所示。 PWM變換器的驅(qū)動(dòng)電壓波形他們的關(guān)系是：。在一個(gè)開關(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。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

21、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。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為如果定義占空比，電壓系數(shù)則在雙極式可逆變換器中調(diào)速時(shí)，的可調(diào)范圍為01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。2.3 主電路工作原理H橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的如下圖所示。PWM逆變器的直流電源由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容濾波，以獲得恒定的直流電壓。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)只好對濾波電容充電，這時(shí)電容器兩端電壓升高稱作“泵升電壓”。為了限制泵升電壓

22、，用鎮(zhèn)流電阻Rz消耗掉這些能量，在泵升電壓達(dá)到允許值時(shí)接通VTz。可逆PWM變換器主電路系采用MOSFET所構(gòu)成的H型結(jié)構(gòu)形式，它是由四個(gè)功率IGBT管（VT1、VT2、VT3、VT4）和四個(gè)續(xù)流二極管（VD1、VD2、VD3、VD4）組成的雙極式PWM可逆變換器，根據(jù)脈沖占空比的不同，在直流電機(jī)M上可得到正或負(fù)的直流電壓。主電路主要環(huán)節(jié)是：整流電路、斬波電路及保護(hù)電路。2.4 主電路中各器件的選擇 （1）電動(dòng)機(jī)型號(hào)的選擇：根據(jù)設(shè)計(jì)要求中電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，可以選擇型號(hào)為ZZJ2-91的電動(dòng)機(jī)Pcd=145KW,Ucd=220V,Icd=2.1A, ncd=1460rpm,Uf=220V,If=9.

23、6A。（2）IGBT的選擇：因?yàn)閁s=220V，取3倍裕量，選耐壓為660V以上的IGBT。由于IGBT是以最大值標(biāo)注，且穩(wěn)定電流與峰值電流間大致為4倍關(guān)系，故應(yīng)選用大于4倍額定負(fù)載電流的IGBT為宜。選用8.4A 以上的IGBT，并配以相應(yīng)散熱器即可。選擇的IGBT型號(hào)為20MT120UF的IGBT。（3）整流二極管的選擇：二極管承受最大反向電壓 ，考慮3倍裕量，則，取該電路整流輸出接有大電容，而且負(fù)載也不是純電感負(fù)載，但為了簡化計(jì)算，仍按電感負(fù)載進(jìn)行計(jì)算，只是電流裕量可適當(dāng)取大些即可。故選用大功率整流二極管ZP10A。（4）濾波電容選擇一般根據(jù)放電時(shí)間常數(shù)計(jì)算，負(fù)載越大，要求紋波系數(shù)越小，

24、電容量也越大。一般不作嚴(yán)格計(jì)算，多取以上。因該系統(tǒng)負(fù)載不大，故取 耐壓按 ，取。即選用、電容器。同時(shí)電阻R選擇幾千歐的大電阻。 （5）泵升電路參數(shù)的選擇：泵升電路由一個(gè)電容量大的電解電容、一個(gè)電阻和一個(gè)VT組成。泵升電路中電解電容選取 ；電壓U=500V；VT選取IRGPC50U 型號(hào)的IGBT管；電阻選取R=20 。 （6）續(xù)流二極管的選擇： 根據(jù) 故同樣選擇大功率整流二極管ZP10A。(7)整流變壓器計(jì)算與選擇：一般情況下，整流裝置所要求的交流供電電源與電網(wǎng)電壓不一致，因此需要使用整流變壓器。此外，整流變壓器還可減小電網(wǎng)和整流裝置的相互干擾。的計(jì)算考慮占空比為則取則考慮裕量取一、二次電流計(jì)

25、算取變比考慮空載電流 取變壓器容量計(jì)算根據(jù)以上計(jì)算可以選擇變壓器的型號(hào)為XY-206A。第三章 控制電路及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)3.1 控制電路根據(jù)IGBT的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)用脈寬調(diào)制（PWM）控制方式對開關(guān)管的占空比進(jìn)行控制。采用的芯片是脈寬調(diào)制器SG3525。要改變輸出脈沖PWM的占空比， 只要改變調(diào)制信號(hào)Ur的電壓大小即可實(shí)現(xiàn) 。3.1.1 SG3525的應(yīng)用集成脈寬調(diào)制控制器SG3525是控制電路的核心，它采用恒頻脈寬調(diào)制控制方案，適合于各種開關(guān)電源、斬波器的控制。本設(shè)計(jì)電路中用SG3525產(chǎn)生的脈寬調(diào)制信號(hào)作為IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，其外圍電路接線圖見下圖。3.1.2 SG3525芯片的主要特點(diǎn)SG3

26、525為美國Silicon General公司生產(chǎn)的專用PWM控制集成電路，如下圖所示。圖3-2 SG3525芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)它采用恒頻脈寬調(diào)制控制方案，其內(nèi)部包含有精密基準(zhǔn)源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護(hù)電路等。調(diào)節(jié)Ur的大小，在A、B兩端可輸出兩個(gè)幅度相等、頻率相等、相位相互錯(cuò)開180度、占空比可調(diào)的矩形波（即PWM信號(hào)）。它適用于各開關(guān)電源、斬波器的控制。輸出級采用推挽輸出，雙通道輸出，占空比0-50%可調(diào).每一通道的驅(qū)動(dòng)電流最大值可達(dá)200mA,灌拉電流峰值可達(dá)500mA?？芍苯域?qū)動(dòng)功率MOS管，工作頻率高達(dá)400KHz，具有欠壓鎖定、過壓保護(hù)和軟啟動(dòng)振蕩器外部同步、死

27、區(qū)時(shí)間可調(diào)、PWM瑣存、禁止多脈沖、逐個(gè)脈沖關(guān)斷等功能。該電路由基準(zhǔn)電壓源、震蕩器、誤差放大器、PWM比較器與鎖存器、分相器、欠壓鎖定輸出驅(qū)動(dòng)級，軟啟動(dòng)及關(guān)斷電路等組成，可正常工作的溫度范圍是0-700C?；鶞?zhǔn)電壓為5.1 V士1%，工作電壓范圍很寬，為8V到35V.3.1.3 SG3525引腳各端子功能SG3525采用16端雙列直插DIP封裝，各端子功能介紹如下:1腳:INV. INPUT(反相輸入端):誤差放大器的反相輸入端，該誤差放大器的增益標(biāo)稱值為80db，其大小由反饋或輸出負(fù)載來決定，輸出負(fù)載可以是純電阻，也可以是電阻性元件和電容元件的組合。該誤差放大器共模輸入電壓范圍是1. 5V-

28、5. 2V。此端通常接到與電源輸出電壓相連接的電阻分壓器上。負(fù)反饋控制時(shí)，將電源輸出電壓分壓后與基準(zhǔn)電壓相比較。2腳:NI. INPUT (同相輸入端):此端通常接到基準(zhǔn)電壓16腳的分壓電阻上，取得2. 5V的基準(zhǔn)比較電壓與INV. INPUT端的取樣電壓相比較。3腳:SYNC(同步端):為外同步用。需要多個(gè)芯片同步工作時(shí)，每個(gè)芯片有各自的震蕩頻率，可以分別他們的4腳和3腳相連，這時(shí)所有芯片的工作頻率以最快的芯片工作頻率同步。也可以使單個(gè)芯片以外部時(shí)鐘頻率工作。4腳:OSC. OUTPUT(同步輸出端):同步脈沖輸出。作為多個(gè)芯片同步工作時(shí)使用。但幾個(gè)芯片的工作頻率不能相差太大，同步脈沖頻率應(yīng)

29、比震蕩頻率低一些。如不需多個(gè)芯片同步工作時(shí)，3腳和4腳懸空。4腳輸出頻率為輸出脈沖頻率的2倍。輸出鋸齒波電壓范圍為0. 6V到3. 5V.5腳:Cr(震蕩電容端):震蕩電容一端接至5腳，另一端直接接至地端。其取值范圍為0.001,u F到0. 1 u F。正常工作時(shí)，在Cr兩端可以得到一個(gè)從0.6V到3. 5V變化的鋸齒波。6腳:Rr(震蕩電阻端):震蕩電阻一端接至6腳，另一端直接接至地端。Rr的阻值決定了內(nèi)部恒流值對Cr充電。其取值范圍為2K歐到150K歐 Rr和Cr越大充電時(shí)間越長，反之則充電時(shí)間短。7腳:DISCHATGE RD(放電端):Cr的放電由5. 7兩端的死區(qū)電阻決定。把充電和

30、放電回路分開，有利與通過死區(qū)電阻來調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間，使死區(qū)時(shí)間調(diào)節(jié)范圍更寬。其取值范圍為0歐到500歐。放電電阻RD和CT越大放電時(shí)間越長，反之則放電時(shí)間短。8腳:SOFTSTATR(軟啟動(dòng)):比較器的反相端即軟啟動(dòng)器控制端8,端8可外接軟啟動(dòng)電容，該電容由內(nèi)部Vf的50uA恒流源充電。9腳:COMPENSATION(補(bǔ)償端):在誤差放大器輸出端9腳與誤差放大器反相輸入端1腳間接電阻與電容，構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器，補(bǔ)償系統(tǒng)的幅頻、相頻響應(yīng)特性。補(bǔ)償端工作電壓范圍為1. 5V到5. 2V.10腳:SHUTDOWN(關(guān)斷端):10端為PWM鎖存器的一個(gè)輸入端，一般在10端接入過流檢測信號(hào)。過流檢測信號(hào)維持時(shí)間

31、長時(shí)，軟起動(dòng)端8接的電容C:將被放電。電路正常工作時(shí)，該端呈高電平，其電位高于鋸齒波的峰值電位(3. 30。在電路異常時(shí)，只要腳10電壓大于0. 7V，三極管導(dǎo)通，反相端的電壓將低于鋸齒波的谷底電壓(0.9V)，使得輸出PWM信號(hào)關(guān)閉，起到保護(hù)作用.11腳:OUTPUT A,14腳: OUTPUT B(脈沖輸出端):輸出末級采用推挽輸出電路，驅(qū)動(dòng)場效應(yīng)功率管時(shí)關(guān)斷速度更快.11腳和14腳相位相差1800，拉電流和灌電流峰值達(dá)200mA。由于存在開閉滯后，使輸出和吸收之間出現(xiàn)重迭導(dǎo)通。在重迭處有一個(gè)電流尖脈沖，起持續(xù)時(shí)間約為l00ns?？梢栽赩7V時(shí)，過流保護(hù)電流控制運(yùn)算放大器，使其輸出軟關(guān)斷信

32、號(hào)，在10s內(nèi)將腳3輸出電平降為O。因EXB841無過流自鎖功能，所以外加過流保護(hù)電路，一旦產(chǎn)生過流，可通過外接光耦TLP521將過流保護(hù)信號(hào)輸出，經(jīng)過一定延時(shí)，以防止誤動(dòng)作和保證進(jìn)行軟關(guān)斷，然后由觸發(fā)器鎖定，實(shí)現(xiàn)保護(hù)。缺點(diǎn)：EXB84l過流保護(hù)閥值過高，Vce7V時(shí)動(dòng)作，此時(shí)已遠(yuǎn)大于飽和壓降；存在保護(hù)肓區(qū)；在實(shí)現(xiàn)止常關(guān)斷時(shí)僅能提供一5V偏壓，在開關(guān)頻率較高、負(fù)載過大時(shí)，關(guān)斷就顯得不可靠；無過流保護(hù)自鎖功能，在短路保護(hù)時(shí)其柵壓的軟關(guān)斷過程被輸入的關(guān)斷信號(hào)所打斷。EXB841 系列驅(qū)動(dòng)器的各引腳功能如下：腳1 ：連接用于反向偏置電源的濾波電容器；腳2 ：電源（ 20V ）；腳3 ：驅(qū)動(dòng)輸出；腳4

33、 ：用于連接外部電容器，以防止過流保護(hù)電路誤動(dòng)作（大多數(shù)場合不需要該電容器）；腳5 ：過流保護(hù)輸出；腳6 ：集電極電壓監(jiān)視；腳7 、8 ：不接；腳9 ：電源；腳10 、11 ：不接；腳14 、15 ：驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入（-，）；3.2.1 在該系統(tǒng)中EXB84l的電路圖如下所示： 第四章 電流調(diào)節(jié)器與轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)4.1 調(diào)節(jié)器工程設(shè)計(jì)方法的基本思路 先選擇調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)滿足所需要的穩(wěn)態(tài)精度。再選擇調(diào)節(jié)器的參數(shù)，以滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)多環(huán)控制系統(tǒng)的一般原則是：從內(nèi)環(huán)開始，一環(huán)一環(huán)地逐步向外擴(kuò)展。在這里是：先從電流環(huán)人手，首先設(shè)計(jì)好電流調(diào)節(jié)器，然后把整個(gè)電流環(huán)看作是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)

34、中的一個(gè)環(huán)節(jié)，再設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。4.2 系統(tǒng)主要參數(shù)的計(jì)算直流電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)：220V，2.1A，1460rpm，Ce=0.192V.min/r,允許過載倍數(shù)，電樞回路電阻Ra=5,系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)矩慣量GD2=10Nm2。要求達(dá)到的性能指標(biāo)：D=20；S5%,電流超調(diào)量i5%,轉(zhuǎn)速無靜差，且空載啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n10%。設(shè)ASR和ACR均采用PI調(diào)節(jié)器，ASR的輸出限幅Uim*=-10V,ACR的輸出限幅Ucm=10V,最大給定電壓Unm*=15V。則可知：單相橋式全控整流電路:L=0.693U2Idmin=2.872202.10.1=726mH一般取Idmin為電動(dòng)機(jī)額定電流的5%

35、10%。開環(huán)系統(tǒng)額定速降為： nop=IdNCeR=2.150.192= 54.6875r/min主電路總電阻R近似等于電樞回路電阻Ra閉環(huán)系統(tǒng)額定速降為： ncl=snND(1-s)=14600.05200.95=3.8421 r/min閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)為：K=nopncl -1=54.68753.8421=13.2337電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)：Tl= LR = 0.7265 =0.1452s電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)：Tm=GD2R375CeCm=1053750.192300.192=0.379s轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)：=Unm*nmax=151460=0.01027電流反饋系數(shù)： 最大允許電流I

36、dm=1.5IN=1.52.1=3.15A =Uim*Idm=103.15=3.17464.3 電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)4.3.1電流調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及近似處理設(shè)計(jì)電流環(huán)首先遇到的問題是反電動(dòng)勢產(chǎn)生的交叉反饋?zhàn)饔?。它代表轉(zhuǎn)速環(huán)輸出量對電流環(huán)的影響。實(shí)際系統(tǒng)中的電磁時(shí)間常數(shù)TL一般遠(yuǎn)小于機(jī)電時(shí)間常數(shù)Tm，因而電流的調(diào)節(jié)過程往往比轉(zhuǎn)速的變化過程快得多，也就是說，比反電動(dòng)勢E的變化快得多。反電動(dòng)勢對電流環(huán)來說只是一個(gè)變化緩慢的擾動(dòng)作用，在電流調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)過程中可以近似的認(rèn)為E不變，即E=0。這樣，在設(shè)計(jì)電流環(huán)時(shí)，可以暫不考慮反電動(dòng)勢變化的動(dòng)態(tài)作用，而將電動(dòng)勢反饋?zhàn)饔脭嚅_，從而得到忽略電動(dòng)勢影響的電流環(huán)近似

37、結(jié)構(gòu)圖。再把給定濾波和反饋濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)。最后，Ts和Toi一般比Tl小的多，可以當(dāng)作小慣性環(huán)節(jié)處理，看作一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，取Ti=Ts+Toi6。 圖4-1 電流環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其化簡4.3.2脈寬調(diào)制器和PWM變換器的滯后時(shí)間常數(shù)與傳遞函數(shù)的計(jì)算電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流為 Is =UsR=2205=44A啟動(dòng)電流與額定電流比為 as =IsIN=4452.1=20.952晶體管放大區(qū)的時(shí)間常數(shù)為 Tce =12f=123.14106=0.159s電流上升時(shí)間的計(jì)算公式為 tr=Tcelnk1k2-0.95式中晶體管導(dǎo)通時(shí)的過飽和驅(qū)動(dòng)系數(shù)，取=2則 tr=Tcelnk1k2-0.95=0.1

38、03s電流下降時(shí)間的計(jì)算公式為 tf=Tceln1+k20.05+k2式中晶體管截止時(shí)的負(fù)向過驅(qū)動(dòng)系數(shù)，取=2則 tf=Tceln1+k20.05+k2=0.061s又 Tl= LR = 0.7265 =0.1452s最佳開關(guān)頻率為 fop=0.3323as Tl2+（tr+tf=3930Hz故開關(guān)頻率f選擇3.9kHz，此開關(guān)頻率已能滿足電流連續(xù)的要求。于是開關(guān)周期 TPWM=TS=1f=0.254ms脈寬調(diào)制器和PWM變換器的放大系數(shù)為 KPWM= UdUi* = 22010 =22于是可得脈寬調(diào)制器和PWM變換器的傳遞函數(shù)為 WPWM(s)=KPWMTPWMS+1=220.000254+

39、1（2）電流濾波時(shí)間常數(shù) 取3ms（3）電流環(huán)小時(shí)間常數(shù) Ti=TPWM+TOi=0.254ms+3ms=3.254ms 4.3.3選擇電流調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，而且TlTi0.1452s0.003254s44因此可以按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流調(diào)節(jié)器選用PI型，其傳遞函數(shù)為 4.3.4選擇電流調(diào)節(jié)器參數(shù) i=Tl=0.1452s要求時(shí)，應(yīng)取，因此 KI=0.5Ti=0.50.003254s-1153s-1于是，ACR的比例系數(shù)為 Ki=KIiRKs=1530.14525223.17461.5904 4.3.5檢驗(yàn)近似條件 ci=KI=153s-1（1） 要求，現(xiàn)13Ts=130.254mss-1

40、1312s-1ci（2） 要求，現(xiàn) 31TmTl = 310.3790.601 s-1 =12.78s-1ci可見均滿足要求。4.3.6計(jì)算ACR的電阻和電容取=40k，則 Ri=KiR0=1.5940=63.6 K 取64 K Ci=iRi=0.145264103=2.27F 取2.3F Coi=4ToiR0=40.00340103=0.3F 取0.3F按照上述參數(shù)，電流環(huán)可以達(dá)到的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為，故滿足設(shè)計(jì)要求。電流調(diào)節(jié)器如下圖所示：4.4 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)4.4.1轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及近似處理用電流環(huán)的等效環(huán)節(jié)代替電流閉環(huán)后，整個(gè)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如4-2（a）所示。把給定濾波和反

41、饋濾波環(huán)節(jié)等效地移到環(huán)內(nèi)，同時(shí)將給定信號(hào)改為U*n(s)/；再把時(shí)間常數(shù)為Ton和2Ti的兩個(gè)小慣性環(huán)節(jié)合并起來，近似成一個(gè)時(shí)間常數(shù)為Tn的慣性環(huán)節(jié)，且Tn=Ton+2TI,，則轉(zhuǎn)速環(huán)結(jié)構(gòu)圖可轉(zhuǎn)化成圖4-2（b）。圖4-2 轉(zhuǎn)速環(huán)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖及其近似處理4.4.2確定時(shí)間常數(shù)（1）電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)為1KI=2Ti= 20.003254=0.006508s（2）取轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù) Ton=0.005s（3）轉(zhuǎn)速換小時(shí)間常數(shù)Tn。按小時(shí)間常數(shù)近似處理，取 Tn= 1KI+Ton= 0.006508+0.005=0.011508s4.4.3 ASR結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)穩(wěn)態(tài)無靜差及其他動(dòng)態(tài)指標(biāo)要求，按典型I

42、I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速環(huán)，ASR選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 4.4.4 選擇ASR參數(shù)取h=5，則n=hTn=50.011508=0.005754s KN=h+12h2Tn2=62520.0115082906.11s-2 則 Kn=(h+1)CeTm2hRTn=63.1740.1920.379250.0102750.011508234.5 4.4.5 校驗(yàn)近似條件cn=KN1=KNn= 906.110.0575452.13s-1（1） 要求，現(xiàn)15Ti=61.5s-1cn（2）要求，現(xiàn)1312TI=58.4s-1cn可見均能滿足要求。4.4.6 計(jì)算ASR電阻和電容取，則 Rn=KnR0= 234

43、.540=9380 K 取Rn= 9400K Cn=nRn=0.0575494001030.0061F 取0.0061FCon=4TonR0=40.005401030.5F 取0.5f4.4.7 檢驗(yàn)轉(zhuǎn)速超調(diào)量當(dāng)h=5時(shí)，CmaxCb= 81.2%,而nN=54.69rmin,因此 n%=CmaxCb2(-Z)nNnTnTm= 81.2%21.554.691460 0.0115080.379= 0.27%10%可見轉(zhuǎn)速超調(diào)量符合要求。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如下圖所示：第五章 其他單元電路設(shè)計(jì)5.1 基準(zhǔn)電源設(shè)計(jì)此電路用于產(chǎn)生正、負(fù)15V電壓作為轉(zhuǎn)速給定電壓以及基準(zhǔn)電壓，如下圖所示。5.2 轉(zhuǎn)速檢測電路轉(zhuǎn)速

44、檢測電路如下圖所示。與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)測速發(fā)電機(jī)，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓，與給定電壓相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓輸送給轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓不僅表示轉(zhuǎn)速的大小，還包含轉(zhuǎn)速的方向，測速電路如圖15所示，通過調(diào)節(jié)電位器即可改變轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。圖 轉(zhuǎn)速檢測電路5.3 本設(shè)計(jì)采用的勵(lì)磁回路直流電機(jī)的勵(lì)磁回路通過三相橋式晶閘管變流裝置來完成。如下圖所示。三個(gè)晶閘管的陰極聯(lián)系在一起，稱之為共陰極接法，這種接法觸發(fā)電路與公共端，連線方便。圖 三相橋式晶閘管變流電路三相全控橋蒸整流電路實(shí)際上是組成三相半波晶閘管整流電路中的共陰極和共陽極組串聯(lián)電路。三相全控橋整流電路可實(shí)現(xiàn)對共陰極組合共陽極組同時(shí)進(jìn)行控制，控制角都是。在一個(gè)周期內(nèi)6個(gè)晶閘管都要被觸發(fā)一次，觸發(fā)順序一次為：VT1，VT2，VT，VT4，VT5，VT6，6個(gè)觸發(fā)相位依次相差60度。為了構(gòu)成一個(gè)完整的電流回路，要求有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，其中一個(gè)在共陰極組，令一個(gè)在共陽極組。為此，晶閘管必須嚴(yán)格按編號(hào)輪流導(dǎo)通。晶閘管與按A相，晶閘管與B 相，晶閘管與按C 相，晶閘管接成共陽極組，晶閘管接成共陰極組。在電流控制下，只有接在電路共陰