直流脉宽(PWM)调速系统设计及研究——调节器设计

1、摘 要以电力电子学和电机调速技术为基础，本文设计了一种基于直流脉宽调速控制技术的直流电机调速系统。为了得到较好的动静态性能，该控制系统采用了双闭环控制，同时速度调节器和电流调节器都选用PI调节器。设计的调速系统采用桥式电路作为主电路，采用ASR与ACR作为调节器，触发电路以集成PWM控制器SG3525为核心,保护电路以过流保护为主。这种系统在40年代广泛应用，但是它的缺点是占地大，效率低，运行费用昂贵，维护不方便等，特别是至少要包含两台与被调速电机容量相同的电机。为了克服这些缺点，50年代开始使用水银整流器作为可控变流装置。这种系统缺点也很明显，主要是污染环境，危害人体健康。50年代末晶闸管出

2、现，晶闸管变流技术日益成熟，使直流调速系统更加完善。晶闸管电动机调速系统已经成为当今主要的直流调速系统，广泛应用于世界各国。 关键字：ASR；ACR；调速系统；直流调速器；SG3525 目录绪 论11 简要介绍及设计方案21.1 PWM简介21.2 直流调速系统的方案设计21.2.1 设计已知参数21.2.2 设计指标31.2.3 设计内容31.2.4 现行方案的讨论与比较31.2.5 选择IGBT的H桥型主电路的理由41.2.6 采用转速电流双闭环的理由42 直流脉宽调速系统主电路设计52.1 主电路结构设计52.2 参数设计63 直流脉宽调速系统调节器设计83.1 转速、电流双闭环设计83

3、.2 电流调节器设计93.2.1 确定时间常数93.2.2 选择电流调节其结构93.2.3 计算电流调节其参数103.2.4 校验近似条件103.2.5 计算调节其电阻和电容113.3 转速调节器设计113.3.1 确定时间常数113.3.2 选择转速调节器结构123.3.3 计算转速调节其参数123.3.4 检验近似条件123.3.5 计算调节器电阻和电容133.3.6 校核转速超调量133.4 转速反馈调节器、电流反馈调节器的整定144 触发电路155 保护电路175.1 整流电路中的保护电路175.2 PWM电路中的保护电路175.2.1 主电路中的熔断器负责过流保护175.2.2 缓冲

4、电路185.3 反馈及保护电路设计185.3.1 转速检测装置选择185.3.2 电流检测单元196 调试206.1 晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定206.1.1 实验内容206.1.2 实验系统组成和工作原理206.1.3 实验方法206.2 双闭环可逆直流脉宽调速系统性能测试246.2.1 实验内容246.2.2 实验系统的组成和工作原理246.2.3 测试内容25总 结33参考文献34附录A3544 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

5、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

6、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。转速、电流双闭环控制直流调速系统是性能好、应用最广的直流调速系统。它具有动态响应快、抗干扰能力强等优点。我们知道反馈闭环控制系

7、统具有良好的抗扰性能，它对于被反馈环的前向通道上的一切扰动作用都能有效的加以抑制。采用转速负反馈和PI调节器的单闭环的调速系统可以再保证系统稳定的条件下实现转速无静差。本设计是以直流PWM控制调速系统进行调速，采用转速调节器ASR、以及电流调节器ACR并用PI调节器进行校正，对反馈信号进行采集，处理起到无静差效果。1 简要介绍及设计方案1.1 PWM简介脉宽调制器UPW采用美国硅通用公司（Silicon General）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

8、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。 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

9、.2 设计指标1、D4，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【ASR ACR】。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2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

10、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

11、速系统的主要形式。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

12、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

13、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。图2.1 实验原理图2 直流脉宽调速系统主电路设计图2.1 直流PWM传动系统结构图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

14、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PT1一AB-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AT2一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AD1一PN A，此时UAB>0，lAB>0，电机

15、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，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

16、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（Insulated Gate Bipolor

17、Transistor）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2.2.1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2.2.1 IGBT信号及波形图2、缓冲电路参数经实验得出缓冲电路电阻R=10K；电容C=0.75F。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

18、升电路中电解电容选取C=2000F ；电压U=450V；VT选取IRGPC50U型号的IGBT管；电阻选取R=20 。3 直流脉宽调速系统调节器设计图3.1 双闭环直流调速控制系统原理图3.1 转速、电流双闭环设计图3.1.1 双闭环直流调速控制系统原理图图3.1.1中，将转速调节器和电流调节器二者之间实行串级连接。把速度调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流反馈控制直流调速系统。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流调节器一般选择PI调节器。 在双闭环直流调速系统的

19、稳态结构图中，转速调节器ASR的输出限幅值决定了电流给定的最大值，电流给定的输出限幅电压限制了电力电子变换器的最大输出电压。分析系统静特性的关键是掌握PI调节器的特征，PI调节器一般存在两种状况：饱和-输出达到限幅值，不饱和-输出未达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退饱和，此时相当于调节环开环。当调节器不饱和时，PI调节器的作用是使输入偏差电压始终为零。3.2 电流调节器设计3.2.1 确定时间常数整流装置滞后时间常数；查表得三相桥式电路平均失控时间；电流滤波时间常数；三相桥式电路每个波头的时间是。为了基本滤平波头应有，则。电流小时间

20、常数：按小时间常数近似处理： 3.2.2 选择电流调节其结构本设计因为 i% 5%且TL/TI =23.98/6.7<10。所以按典系统设计,选PI调节器，其传递函数为：检查对电源电压的抗扰性能：3.2.3 计算电流调节其参数电流调节器超前时间常数：=0.0065s取电流反馈系数：电流环开环增益：要求时，由表可得，取，因此 （于是，ACR的比例系数为：3.2.4 校验近似条件电流环截止频率：晶闸管整流装置传递函数的近似条件：，满足近似条件。忽略反电动势变化对电流环动态影响的条件：，满足近似条件。电流环小时间常数近似处理条件：，满足近似条件。3.2.5 计算调节其电阻和电容按所用运算放大器

21、取，各电阻和电容值为：，取；,取；,取。如图3.2.5.1所示，为电流调节器的结构图。图3.2.5.1 电流调节器的结构图3.3 转速调节器设计3.3.1 确定时间常数电流环等效时间常数：转速环小时间常数：按小时间常数近似处理，取转速滤波时间常数：3.3.2 选择转速调节器结构按设计要求，选用PI调节器，其传递函数为：3.3.3 计算转速调节其参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，取h=5，则ASR的超前时间常数为：转速开环增益为：电压反馈系数ASR的比例系数为：3.3.4 检验近似条件转速环截止频率为：电流环传递函数简化条件为：转速环小时间常数近似处理条件为：3.3.5 计算调节器电阻和电容按所

22、用运算放大器取，则，取；，取；，取。3.3.6 校核转速超调量按退饱和超调量的计算方法计算调速系统空载启动到额定转速时的转速超调量：当时,;如图3.3.6.1所示，为转速调节器的结构图。图3.3.6.1 转速调节器的结构图3.4 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。4 触发电路 集成脉宽调制控制器SG3525是控制电路的核心，它

23、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，

24、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5.1 V士1%，工作电压范围很宽，为8V到35V。图4.1.1 控制电路图5 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5.1.1 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

25、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。5.2 PWM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

26、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

27、，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。6 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

28、，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=(U2-U1)/(I1-I2)，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6-1U(V)5572I(A)0.80.4表6-2U(V)7382I(A)0.80.4表6-3U(V)6577I(A)0.80.4代入以上公式计算得：R=52.5；Ra=22.25；RL=1

29、5；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6.1.3.1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(5090)%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6.1.3.1 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

30、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=KeF=(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6-4Ud（V）22320717913077N(r/min)151013951200863500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

31、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。MCL31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6.1.3.2 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所示图6.1.3.3 实验线路图电动机加额定励磁，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6-5n（

32、r/min）1551131612301106921U (V)6.335.365.014.503.746.2 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

33、，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（Silicon General）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11.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，20s)如图6.2.3.1为：图6.2.3.1 5脚的波形（2）用示波器观察“2”端（即SG3525的13脚）的电压波形(5V，20s)，波形如图6.2.3.2为

34、：图6.2.3.2 13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，20s)的波形如图6.2.3.3为：图6.2.3.3最大占空比时的波形最小占空比(占空比=13%，5V，20s)的波形如图6.2.3.4为：图6.2.3.4 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，10s)，并记录延时时间：td= 3.8s（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

35、G相连，用双踪示波器(50mv，20s)，分别测量VVT1.GS和VVT2.GS以及VVT3.GS和VVT4.GS的死区时间：tdVT1.VT2= 1.6s；tdVT3.VT4= 3.6s(注意：由于在学院的实验室中，只有MEL-03的三相可调电阻挂箱，而没有MEL-13的测功机挂箱，所以在下列几项实验中提到的额定负载都是由MEL-03挂箱的可调电阻串联直流发电机M03来得到的)。测试21开环系统调试（1）电流反馈系数的调试a将正、负给定均调到零，合上主控制屏电源开关，接通直流电机励磁电源。b调节正给定，电机开始起动直至达1400r/min。c给电动机拖加负载，即逐渐减小发电机负载电阻，直至电

36、动机的电枢电流为1A。d调节“FBA”的电流反馈电位器，用万用表测量“9”端电压达2V左右。（2）速度反馈系数的调试在上述实验的基础上，再次调节电机转速的1400r/min，调节MCL-31（或MCL-III型主控制屏）的“FBS”电位器，使速度反馈电压为5V左右。（3）系统开环机械特性测定参照速度反馈系数调试的方法，使电机转速达1400r/min，S4开关拨向“正给定”，改变可调电阻加载旋钮（或直流发电机负载电阻Rd），在空载至额定负载范围内测取6个点，记录相应的转速n和直流发电机电流id，特性曲线见图图6.2.3.5。表6-6 开环正给定高速的数据记录 n=1400r/minn(r/min

37、)1400138013611355134913431337id(A)0.600.700.800.850.900.951.00图6.2.3.5 开环正给定高速的特性曲线调节RP3，使n=1000 r/min和n=500r/min，作同样的记录，可得到电机在中速和低速时的机械特性，特性曲线见图6.2.3.6和图6.2.3.7。表6-7开环正给定中速的数据记录 n=1000r/minn(r/min)1003989970950935923908id(A)0.440.500.600.700.800.901.00图6.2.3.6 开环正给定中速的特性曲线表6.8 开环正给定低速的数据记录 n=500r/m

38、inn(r/min)503479458441420393361id(A)0.250.350.450.550.650.851.00图6.2.3.7 开环正给定低速的特性曲线断开主电源，S4开关拨向“负给定”，然后按照以上方法，测出系统的反向机械特性，特性曲线见图6.2.3.8。表6-9 开环负给定高速的数据记录 n=1400r/minn(r/min)1405139313831370134513281305id(A)0.560.600.650.700.800.901.00 图6.2.3.8 开环负给定高速的特性曲线调节RP3，使n=1000/min和n=500r/min，作同样的记录，可得到电机在

39、负给定后中速和低速时的机械特性，特性曲线见图6.2.3.9和图6.2.3.10。表6-10 开环负给定中速的数据记录 n=1000r/minn(r/min)1000985971950928899882id(A)0.420.500.550.650.750.901.00图6.2.3.9开环负给定中速的特性曲线表6-11 开环负给定低速的数据记录 n=500r/minn(r/min)500473450429398367336id(A)0.250.350.450.550.700.851.00图6.2.3.10 开环负给定低速的特性曲线 （4）计算转速反馈系数和电流反馈系数 通过上面给定的数据可以算得：

40、 转速反馈系数：=0.0035 电流反馈系数：=0.2 V/A2闭环系统调试将ASR,ACR均接成PI调节器接入系统，形成双闭环不可逆系统。按图接线（1）速度调节器的调试 a反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小； b“5”、“6”端接入MEL11电容器，预置57F； c调节正负限幅电位器RP1、RP2使输出限幅为±2V。（2）电流调节器的调试a反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小；b“5”、“6”端接入MEL11电容器，预置57F； cS5开关打向“给定”，S4开关扳向上，调节MCL-10的RP3电位器，使ACR输出正饱和，调整ACR的正限幅电位器RP1，用示波器观察

41、 “30”的脉冲，不可移出范围。（3）系统闭环机械特性测定S2开关打向“给定”，S1开关打向下至“负给定”，调节MCL-10的RP4电位器，使ACR输出负饱和，调整ACR的负限幅电位器RP2，用示波器观察 “30”的脉冲，不可移出范围。3系统静特性测试（1）机械特性n=f（Id）的测定S2开关打向“给定”，S1开关扳向上至“正给定”，调节MCL-10的RP3电位器，使电机空载转速至1400 r/min，再调节可调电阻加载旋钮（或发电机负载电阻Rg），在空载至额定负载范围内分别记录6点，可测出系统正转时的静特性曲线n=f（Id），特性曲线见图图6.2.3.11。表6-12 闭环正给定时的数据记录

42、n(r/min)1419140413901373136613551343I(A)0.350.450.500.550.600.650.70图6.2.3.11 闭环正给定时的静特性曲线 S2开关打向“给定”，S1开关打向下至“负给定”，调节MCL-10的RP4电位器，使电机空载转速至1400 r/min，再调节可调电阻加载旋钮（或发电机负载电阻Rg），在空载至额定负载范围内分别记录6点，可测出系统反转时的静特性曲线n=f（Id），特性曲线见图6.2.3.12。表6-13 闭环负给定时的数据记录n(r/min)1506149614841474146114481436I(A)0.400.450.500

43、.550.600.650.70图6.2.3.12 闭环负给定时的静特性曲线 （2）闭环控制特性n=f(Ug)的测定S2开关打向“给定”，S1开关扳向上至“正给定”，调节MCL-10的RP3电位器，记录Ug和n，即可测出闭环控制特性n=f(Ug)，特性曲线见图6.2.3.13。表6-14 闭环控制特性的数据记录n(r/min)142013731310122011861076914Ug(V)1.961.841.761.681.611.461.25图6.2.3.13 闭环控制特性曲线4系统动态波形的观察用二踪慢扫描示波器观察动态波形，并记录下列动态波形：(电动机电枢电流波形的观察可通过MCL-03的

44、ACR的第“1”端，转速波形的观察可通过MCL-03的ASR的第“1”端)突加给定起动时，直流电动机转速随时间变化的波形（500mV，500ms）如图6.2.3.14（额定转速为1500r/min，ASF：7F）图6.2.3.14 突加给定起动时转速变化的波形突加给定起动时，直流电动机电枢电流随时间变化的波形（2V，500ms）如图6.2.3.15（额定转速为1500r/min，ASF：7F）图6.2.3.15 突加给定起动时电流变化的波形突加负载时，直流电动机转速随时间变化的波形（500mV，500ms）如图6.2.3.16（额定转速为1500r/min，ASF：7F）图6.2.3.16 突

45、加负载时转速变化的波形突降负载时，直流电动机转速随时间变化的波形（500mV，500ms）如图6.2.3.17（额定转速为1500r/min，ASF：7F）图6.2.3.17 突降负载时转速变化的波形正反转时，直流电动机转速随时间变化的波形（1V，500ms）如图6.2.3.18（额定转速为1500r/min至1500r/min，ASF：7F）图6.2.3.18 正反转时转速变化的波形总 结直流脉宽（PWM）调速系统设计与研究“调节器的设计”是在DJDK1型电力电子技术及电机控制实验装置上进行的。测定直流电动机的各项电气参数和时间常数，并应用经典控制理论的工程设计方法设计转速和电流双闭环直流调速系统。以SG3525为核心实现PWM脉宽调速，形成无静差的转速电流双闭环控制。PWM双闭环直流调速系统，具有调速简单、调速范围大、精度高、速度平稳、电流脉动小、电机温升低等优点，使调速各项性能指标大为提高。纵观整个设计，经典部分是已学过的知识，通过毕业设计深入理解了工程设计方法，扩展了知识面，各门课程综合应用，收益颇多，使我对直流调速系统的控制有了更深的认识。但由于理论水平有限，仍有许多不足之处有待解决。在此感谢老师