【文章內(nèi)容簡介】 11 系統(tǒng) 硬件設計 雙極式 H型 PWM變換器電路 [8]如圖 。 圖 雙極式 H型 PWM變換器電路 圖中： VT1VT4為 IGBT管； VD1VD4 為續(xù)流二極管。 驅(qū)動電路 [13] 絕緣柵雙極晶體管簡稱 IGBT，由于 IGBT 內(nèi)具有寄生晶體管，所以也可稱作絕緣柵門極晶體管。本課題采用 20N60C3 組成雙極式 H 型 PWM 變換電路， IGBT 是 20N60C3 模塊中的重要部分。絕緣柵雙極晶體管本質(zhì)是一個場效應晶體管，只是在漏極和漏區(qū)之間多一個 P型層。 IGBT 相當于一個由 MOSFET 驅(qū)動的厚基區(qū) GTR， IGBT 的開關(guān)作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給 PNP 晶體管提供積極基極電流，使 IGBT 導通。反 之，加反向門極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使 IGBT 關(guān)斷。 IGBT 的驅(qū)動方法和 MODFET基本相同，只需要控制輸入極 N溝道 MOSFET，具有高輸入阻抗特性。當 MOSFET 的溝道形成以后，從 P基極注入道 N層的空穴，對 N層進行電導調(diào)制，減少 N 層的電阻使 IGBT在高電壓時，也具有低的通態(tài)電壓。 在本課題中， 當 Y0 置“ 0”時，對應的晶體管截止，由于上拉電阻的存在，使 m 點的電位升為高； Y0 置“ 1”時， m 點電位為低。上拉電阻阻值由加在其上的電壓和 IGBT管的基極電流來確定，本設計 選用 5V 的驅(qū)動 電壓，基極電流為 10 豪 安，計算出 上拉電阻為 500 歐姆。 驅(qū)動電路的設計完成，在設計電路的過程中，遇到許多問題，比如不知道如何選用上拉電阻，在老師的指導下，驅(qū)動電路的設計才得以順利完成。 驅(qū)動電路如圖 所示。 湖北汽車工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 12 圖 驅(qū)動電路 系統(tǒng)工作流程和控制功能實現(xiàn) 本系統(tǒng)通過測電動機電樞兩端的電壓和電流，將轉(zhuǎn)速對應的電壓值（模擬量）和霍爾電流傳感器檢測到的電流對應的電壓值（模擬量）分別送到 FX2N4AD的電壓模擬量輸入端口 CH1和 CH2，再將轉(zhuǎn)化后的值送到 PLC中進行比較、決策、處理，調(diào)節(jié)輸出控制脈沖，直到符合給 定要求，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速的控制。其調(diào)速結(jié)構(gòu)圖如圖 。 圖 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 湖北汽車工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 13 可編程控制器的模擬量輸入端口直接接到直流電機測速輸出端和霍爾電流傳感器的輸出端，可編程控制器的脈沖輸出端接到 IGBT的驅(qū)動端 。 系統(tǒng)采用可編程控制器進行邏輯控制以實現(xiàn) 可逆控制。系統(tǒng)電路 圖如圖 。 圖 系統(tǒng)電路 圖 系統(tǒng)重要參數(shù)測定和計算 Idmax 限流保護是為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動和堵轉(zhuǎn)時電流過大的問題而采取的一種限流措施，當直流電機全壓啟動時，會產(chǎn)生很大的沖擊 電流；運行過程中若遇到堵轉(zhuǎn)情況，電流就會超過允許值，對電機換向不利，對過載能力低的晶體管來說，更是不能允許的。根據(jù)控制理論要維持哪個量不變，就必須引入負反饋，而要處理當其電流小于允許值時正常工作，當大于其值時就斷開，這種截流控制的方法在 PLC內(nèi)部編程是極易實現(xiàn)的，也表現(xiàn)出了 PLC的優(yōu)越性。一般來說堵轉(zhuǎn)電流是非常大的，因此我們采用的截止電流經(jīng)常為額定電流的 ，有利于保護設備。 限流保護的值（數(shù)字量形式）如式 ： 湖北汽車工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 14 Idmax=40 （ ） 當轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速 1500r/min時，電樞電流額定值為 。由于霍爾電流傳感器的額定輸入電流是 50A，對應的輸出電壓是 4V（見表 ）。所以其轉(zhuǎn)換系數(shù)為 4/50 V/A。將電樞額定電流轉(zhuǎn)換成電壓形式為 ，再經(jīng) AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成二進制的數(shù)字量為（ ） *2048，取整數(shù)為 20。所以限流保護的值（數(shù)字量形式）為 40。 由于當轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速 1500r/min時， 測定 測速發(fā)電機對應的電壓為 6V，經(jīng) AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后為 （ 6/10） *2048，取整數(shù)為 1229， 由于輸入時要求轉(zhuǎn)速與實際鍵入的數(shù)值不同，所以進行一下?lián)Q算，把 1229存入寄存器 D10中，換算后的值存到寄存器 D12中。程序上只需將 D10做如式 ： D12=(15000*D10)/（ 6*2048） （ ） 所以當要求在 多大的 轉(zhuǎn)速下工作時只需 鍵入多大的數(shù)值（但必須在額定轉(zhuǎn)速之內(nèi)）即可。 湖北汽車工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 15 第三章 雙閉環(huán)直流 脈寬 調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負 反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設置了兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級聯(lián)接。本課題的 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理 如圖 。 圖 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖 圖中： ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器， ACR為電流調(diào)節(jié)器， Un*和 Un為轉(zhuǎn)速給定（數(shù)字量）和轉(zhuǎn)速反饋（數(shù)字量）， Ui*和 Ui為電流給定（數(shù)字量）和電流反饋（數(shù)字量）， TG為測速發(fā)電機， Ld為平波電抗器。 A/D轉(zhuǎn)換由 FX2N4AD實現(xiàn)。 把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制兩組IGBT管的觸發(fā)。從閉 環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)。這樣就行成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 負載擾動作用在電流環(huán)之后，主要靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來產(chǎn)生抗擾作用，因此只要轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器具有較好的抗擾性能指標，突加 (減 )負載時，動態(tài)速降 (升 )也不會很大。而電網(wǎng)電湖北汽車工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 16 壓擾動被包圍在電流環(huán)之內(nèi)，當電壓波動時，可以通過電流反饋得到及時的調(diào)節(jié)，因此，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有較強的抗電網(wǎng)電壓擾動性能。 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的核心，通常都采用 PI調(diào)節(jié)器設計。本課題用 PLC來實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的主要作用是使轉(zhuǎn)速 n跟隨給定電壓Un*變化，使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)無靜差，對負載變化起抗擾作用，其輸出限幅值決定允許的最大電流。電流調(diào)節(jié)器對電網(wǎng)電壓波動起及時抗擾作用，保證起動時獲得允許的最大電流，在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中，使電流跟隨其給定電壓 Ui*變化，當電機過載甚至于堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全保護作用。如果故障消失，系統(tǒng)能夠自動恢復正常。 實際上，對于雙閉環(huán)系統(tǒng)。不論起動或穩(wěn)態(tài)運行時、電流調(diào)節(jié)器是不會達到飽和狀態(tài)的。只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器存在飽和與 不飽和兩種情況。閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性可分為二段： （ 1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和：系統(tǒng)處于正常負載運行時，兩個調(diào)節(jié)器都不會飽和，依靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用達到轉(zhuǎn)速的無靜差，保證系統(tǒng)具有很硬的特性。在此段內(nèi)，電流調(diào)節(jié)器起輔助作用，負載電流大小與電流給定值成正比。系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時，兩個調(diào)節(jié)器輸入偏差電壓都為零。 （ 2）調(diào)節(jié)器飽和：當負載轉(zhuǎn)矩加大，達到設定的最大電流以后，轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)速偏差增大，使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出達到飽和值，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響，雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個恒電流無靜差的單環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。在最大電流 的給定電壓值下，依靠電流環(huán)的自動調(diào)節(jié)，從而獲得很好的下垂特性，起到了過流保護作用。最大電流是由設計者選定的，取決于電動機的容許過載能力和拖動系統(tǒng)允許的最大加速度。由于突加給定的動態(tài)過程是衡量系統(tǒng)性能的重要因素，對于所要設計的雙閉環(huán)系統(tǒng)，在突加給定的啟動過程中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出電壓、電流調(diào)節(jié)器輸出電壓、電動機電樞電流和轉(zhuǎn)速動態(tài)響應過程分為三個階段 [8]： 第一階段為電流上升階段。突加給定電壓后，由于電動機的機電慣性較大，轉(zhuǎn)速增長較慢，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入偏差的數(shù)值較大，使轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出迅速達到飽和值，該飽和值作為 電流調(diào)節(jié)器的輸入給定，使電流調(diào)節(jié)器的輸出、電樞電流迅速上升，當電樞電流 負載電流后，電動機開始起動。因為電流反饋信號隨著電樞電流的上升迅速增大，使電流調(diào)節(jié)器的輸出偏差急劇減少，電流調(diào)節(jié)器的輸出電壓還達不到飽和值。當電流上湖北汽車工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 17 升到接近設計時所選定的最大值時，電流反饋電壓與最大電流給定電壓幾乎相等，并保持動態(tài)平衡，轉(zhuǎn)速負反饋就是按此要求確定的。 第二階段為電流升速階段。從電流升到最大值開始，到轉(zhuǎn)速升到給定值為止，屬于恒流升速階段。這是起動過程中的主要階段。在這個階段中，由于轉(zhuǎn)速低于給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器一直是飽和的，轉(zhuǎn) 速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)只有電流環(huán)工作，表現(xiàn)為電流恒值的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。此時由于基本上保持電流恒定，因而拖動系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長。隨著轉(zhuǎn)速的上升，直流電動機的反電動勢 E也按線性增長。對電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，這個反電動勢是一個線性漸增的擾動量，使電樞電流略低于最大電樞電流值，反饋電壓也略有下降，出現(xiàn)偏差，電流調(diào)節(jié)器及時進行恒流調(diào)節(jié)。也就是說，為了克服這個擾動，電流調(diào)節(jié)器的輸出電壓也必須基本上按線性增長，才能保持電樞電流的恒定，獲得“時間最佳”起動。在整個起動過程中，電流調(diào)節(jié)器的輸出是不應該飽和的，這就決定了 其時間常數(shù)的選擇，不應當讓電流調(diào)節(jié)器的時間常數(shù)比調(diào)節(jié)對象的時間常數(shù) T1小得太多，同時整流裝置的最大電壓也須留有余地，即可控硅裝置也不應飽和，這些都是在設計中必須注意的。 第三階段為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在這個階段中者發(fā)揮作用。當轉(zhuǎn)速上升到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓相平衡，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓為零，但其輸出由于積分保持作用還維持在限幅值上，所以直流電動機仍在最大電流下繼續(xù)加速，必然使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，由于在速度調(diào)節(jié)器的入口出現(xiàn)負的偏差電壓，使速度調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓也就是電流調(diào)節(jié)器 的電流給定立即從限幅值降下來，主回路電流也隨之從最大電流下降。但是，由于電樞電流仍大于負載電流，在一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升，到電樞電流小于負載電流時，電機者開始在負載的阻力下減速，直到穩(wěn)定 (如果系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)不好，可能需要振動幾次才能穩(wěn)定 )。在這個階段中，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器同時發(fā)揮作用，由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外環(huán)，自處于主導地位，而電流調(diào)節(jié)器則是力圖使電樞電流盡快地跟隨速度調(diào)節(jié)器輸出電壓信號，電流調(diào)節(jié)器構(gòu)成的內(nèi)環(huán)是一個電流隨動系統(tǒng)。 綜上所述可看出，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，在突加階躍給定的起動過程中，轉(zhuǎn)速 調(diào)節(jié)器處于飽和限幅狀態(tài)，轉(zhuǎn)速環(huán)相當于開路，系統(tǒng)巧妙地利用了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和非線性，使系統(tǒng)成為一個恒流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，這就是電流受限制條件下的最短時間控制，或稱“時間最優(yōu)控制”。轉(zhuǎn)速的動態(tài)響應有一定的超調(diào)，當轉(zhuǎn)速超調(diào)后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器退出湖北汽車工業(yè)學院畢業(yè)設計（論文） 18 飽和，才真正發(fā)揮線性調(diào)節(jié)器的作用，系統(tǒng)達到穩(wěn)定運行，又表現(xiàn)為一個轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)速系統(tǒng)。在不同的情況下表現(xiàn)為不同結(jié)構(gòu)的線性系統(tǒng)，這就是飽和非線性控制的特征。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在飽和期間，它也不是沒有作用，而是起著飽和非線性控制作用，只有這樣，才能保證內(nèi)環(huán)的恒值電流調(diào)節(jié)。通過這種非線性控制，使系統(tǒng)在 最大電流受限制的約束條件下，實現(xiàn)了“最短時間控制”或“時間最優(yōu)控制”的基本思想，因而充分發(fā)揮電動機的過載能力，使起動過程盡可能短。當然，這里只是實現(xiàn)了時間最優(yōu)控制的基本思想，因為在起動過程的第一和第三階段并不是按時間最優(yōu)進行控制的，但是這兩個階段在整個起動時間中并不占主要地位。 在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，兩個調(diào)節(jié)器還能起到動態(tài)抗干擾作用，我們知道，單閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)對于被包圍在反饋環(huán)內(nèi)的一切擾動作用都有抑制作用，因為一切擾動作用最終都要反應到被調(diào)量上來，都可以通過測出被調(diào)量的偏差而進行調(diào)節(jié)。在單閉環(huán)存在不能及時調(diào)節(jié)的 問題。增加電流內(nèi)環(huán)后，電壓擾動被包圍在電流環(huán)里面，可以及時通過電流反饋得到調(diào)節(jié)，而不必等到它影響轉(zhuǎn)速后故能有所反應。負載擾動作用在被調(diào)量轉(zhuǎn)速的前面，它的變化經(jīng)積分后就可被轉(zhuǎn)速檢測出來，從而在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器上得到反映。電網(wǎng)電壓擾動的作用點則離被調(diào)量更遠，它的波動先要受到電磁慣性的阻撓后影響到電樞電流，再經(jīng)機電慣性的滯后才能反映到轉(zhuǎn)速上來，等到轉(zhuǎn)速反饋產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用己為時已晚。在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由于增設了電流內(nèi)環(huán)，這個問題便大有好轉(zhuǎn)。由于電網(wǎng)電壓擾動被包在電流環(huán)之內(nèi)，當電壓波動時，可以通過電流反饋得到及時地調(diào)節(jié)，不 必等影響到轉(zhuǎn)速后才在系統(tǒng)中有所反應。因此，在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動引起的動態(tài)速降會比單閉環(huán)系統(tǒng)中小得多。由負載變化引起的擾動，由雙閉環(huán)調(diào)運系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)可以看出，負載擾動作用的變化在電流環(huán)之