【導(dǎo)讀】饋、速度反饋和脈沖輸出控制、主電路等電路設(shè)計(jì)。要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室已。述設(shè)計(jì)原理以及相應(yīng)的硬件電路圖。設(shè)計(jì)控制，完成系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。的設(shè)計(jì)功能，提交完整的設(shè)計(jì)說明書。以在電氣傳動(dòng)中獲得了廣泛應(yīng)用的現(xiàn)狀，并報(bào)告了脈寬調(diào)制器SG3525是一種性能優(yōu)良，進(jìn)行了對(duì)SG3525控制雙閉環(huán)直流。調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)查，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。然后介紹了此芯片在。可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用特點(diǎn)以及可逆直流調(diào)速的實(shí)現(xiàn)方法。

　　

【正文】 在干線鐵道電力機(jī)車、工礦電力機(jī)車、城市電車和地鐵電機(jī)車等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵(lì)或復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)，由恒壓直流電網(wǎng)供電。過去用切換電樞回路電阻來控制電機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速，在電阻中耗電很大。為了節(jié)能，并實(shí)行無觸電控制，現(xiàn)在多改用電力電子開關(guān) 器件，如快速晶閘管， GTO， IGBT 等。采用簡單的單管控制時(shí)，稱作直流斬波器，后來逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開關(guān)的電路，統(tǒng)稱為脈寬調(diào)制變換器。 直流斬波器 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理如圖 3— 1a 所示，其中 VT 用開關(guān)符號(hào)表示任何一種電力電子器件， VD 表示續(xù)流二極管。當(dāng) VT 導(dǎo)通時(shí)，直流電源電壓 Us 加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng) VT 關(guān)斷時(shí)，直流電源與電機(jī)脫開，電動(dòng)機(jī)電樞經(jīng) VD 續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，得到電樞端電壓波形 u=f(t),如圖 3— 1b所示，好象是電源電壓 Us 在 ton 時(shí)間內(nèi)被接上，又在（ Tton）內(nèi)被斬?cái)啵?故稱為“斬波”。這樣，電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為Ud=(ton/T)*Us=ρ *Us 式中 T功率開關(guān)器件的開關(guān)周期 ton開通時(shí)間 第三章 PWM 脈寬調(diào)速 5 ρ 占空比，ρ = ton/T= ton*f，其中 f 為開關(guān)頻率。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 圖 3— 1脈寬調(diào)制變換器 電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形圖 a）原理圖 b)電壓波形圖 如圖 3— 2 a)所示，給出了一種可逆脈寬調(diào)速系統(tǒng)的基本 原理圖，由 VT1— VT2 共 4個(gè)電力電子開關(guān)器件構(gòu)成橋式（或稱 H 形）可逆脈沖寬度調(diào)制（ PULSE WIDTH MODULATION，簡稱 PWM）變換器。 VT1 和 VT4 同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷， VT2 和 VT3 同時(shí)通斷，使電動(dòng)機(jī) M 的電樞兩端承受電壓 + Us 或 Us。改變兩組開關(guān)器件導(dǎo)通的時(shí)間，也就改變了電壓脈沖的寬度，得到電動(dòng)機(jī)兩端電壓波形如圖 3— 2 b)所示 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 圖 3— 2 橋失可逆脈寬調(diào)速系統(tǒng)基本原理圖和電壓波形 a)基本原理圖 b)電壓波形 如果用 ton 表示 VT1 和 VT4 導(dǎo)通的時(shí)間，開關(guān)周期 T 和占空比ρ的定義和上面相同，則電動(dòng)機(jī)電樞端電壓平均值為： Ud=(ton/T)*Us [（ Tton） / T]* Us=（ 2*ton/ T1） * Us=（ 2ρ 1） *Us 脈寬調(diào)制變換器的作用是：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，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。 橋式可逆 PWM變換器 可逆 PWM 變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（ 亦稱 H 型）電路，如圖 3— 5所示。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 圖 3— 5 橋式可逆 PWM 變換器 雙極式控制可逆 PWM 變換器的 4 個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖 3— 6 所示。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 圖 3— 6 雙極式控制可逆 PWM變換器的驅(qū)動(dòng)電壓、輸出電壓和電流波形 它們之間的關(guān)系是： Ug1=Ug4=Ug2=Ug3。在 一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng) 0≤ tton 時(shí)， Uab= Us，電樞電流 id 沿回路 1 流通；當(dāng) ton≤ tT 時(shí)，驅(qū)動(dòng)電壓反相， id 沿回路 2 經(jīng)二極管續(xù)流， Uab=Us。因此， Uab 在一個(gè)周期內(nèi)具有正負(fù)相間的脈沖波形，這是雙極式名稱的由來。 廣東石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) :基于 SG3525 的雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 圖 3— 6 也繪出了雙極式控制時(shí)的輸出電壓和電流波形。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 相當(dāng)于一般負(fù)載的情況，脈動(dòng)電流的方向始終為正； 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 相當(dāng)于輕載情況，電流可在正負(fù)方向之間脈動(dòng)，但平均值仍為正，等于負(fù)載電流。電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)則體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng) 電壓正、負(fù)脈沖的寬度上。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)， tonT/2,則 Uab 的平均值為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，反之，則反轉(zhuǎn)；如果正、負(fù)脈沖相等， t=T/2,平均輸出電壓為零，則電動(dòng)機(jī)停止。圖 3— 6 所示的波形是電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的情況。 雙極式控制可逆 PWM 變換器的輸出平均電壓為： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 若占空比ρ和電壓系數(shù)γ的定義與不可逆變換器相同，則在雙極式是可逆變換器中：γ=2ρ 1 就和不可逆變換器中的關(guān)系不一樣了。調(diào)速時(shí)，ρ的可調(diào)范圍為 0~1，相應(yīng)的，γ =（ 1） ~（ +1）。當(dāng)ρ 1/2 時(shí)，γ為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)ρ 1/2 時(shí)，γ為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)ρ =1/2 時(shí)，γ =0，電動(dòng)機(jī)停止。但電動(dòng)機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，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，這是雙極式控制的缺點(diǎn)。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。 雙極式控制的橋式可逆 PWM 變換器有下列優(yōu)點(diǎn)： 1) 電流一定連續(xù)； 2) 可使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行； 3) 電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微振電流 ，能消除靜摩擦死區(qū)； 4) 低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá) 1： 20200 左右； 5) 低速時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。 雙極式控制方式的不足之處是：在工作過程中， 4 個(gè)開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換時(shí)可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。為了克服上述缺點(diǎn)，可采用單極式控制，使部分器件處于常通或常斷狀態(tài)，以減少開關(guān)次數(shù)和開關(guān)損耗，提高可靠性，但系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)性能會(huì)略有降 低 [ 8]。 廣東石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) :基于 SG3525 的雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 22 第四章 基于 SG3525 的直流脈寬調(diào)速的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 系統(tǒng)硬件構(gòu)成 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的組成如圖 1所示，由主電路、控制及保護(hù)電路、信號(hào)檢測電路三大部分組成 [ 10]。 圖 1 直流脈寬調(diào)速電路 第四章 基于 SG3525 的直流脈寬調(diào)速的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 23 主電路 二級(jí)管整流橋把輸入的交流電變?yōu)橹绷麟?，電?R 為起動(dòng)限流電阻， C1 為濾波電容。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 MOSFET 管 (VT vT VT VT4)和四個(gè)續(xù)流二極管 (VD VD VD 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。如圖 2 所示： 圖 2 主電路 控制及保護(hù)電路 SG3525 為脈寬調(diào)制器。由 R C VD5， R C VD6 構(gòu)成邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)。由非門 2 及與門電路 4 構(gòu)成保護(hù)環(huán)節(jié)。此外，還有隔離及驅(qū)動(dòng)電路。圖中的 G 為電壓給定器， ASR 為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器， ACR 為電流調(diào)節(jié)器。如圖 3 所示： 廣東石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) :基于 SG3525 的雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24 圖 3 控制及保護(hù)電路 檢測回路 在 VT2 和 VT4 的源極回路中，串接兩個(gè)取樣電阻，其上的電壓分別反映流過 VTVT4 的電流，經(jīng)過差分放大輸出一反映電流大小的電壓 Un ，可作為雙閉環(huán)系統(tǒng)的電流反饋信號(hào)。速度由與電動(dòng)機(jī)同軸連接的永磁發(fā)電機(jī) TG 測量，再經(jīng)過速度變換器 FBS 變換為轉(zhuǎn)速反饋信號(hào) Ufmc。主回路中的電阻 R2 有兩個(gè)作用。第一，可以用來觀察波形，R2 的阻值取 1?，其上的電壓波形反映了主回路的電流波形。第二，作為過流保護(hù)用。當(dāng) R2的電壓超過整定值后，過流保 護(hù)電路動(dòng)作，關(guān)閉脈沖，從而保護(hù)功率 MOSFET 管。如圖 3 所示： 圖 3 檢測回路 第四章 基于 SG3525 的直流脈寬調(diào)速的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 25 脈寬調(diào)制器 SG3525的應(yīng)用特點(diǎn)及控制功能分析 器件內(nèi)部結(jié)構(gòu) SG3525 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由基準(zhǔn)電壓調(diào)整器、振蕩器、誤差放大器、比較器、鎖存器、欠壓鎖定電路、閉鎖控制電路、軟啟動(dòng)電路、輸出電路構(gòu)成。 SG3525 是定頻 PWM電路，采用原理 16 引腳標(biāo)準(zhǔn) DIP 封裝。其各引腳功能如圖 1 所示，內(nèi)部原理框圖如圖2 所示。 圖 1 SG3525的引腳功能 圖 2 SG3525內(nèi)部原理框圖 電壓調(diào)節(jié)芯片 SG3525 具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。其中，腳 16為 SG3525 的基準(zhǔn)電壓源輸出，精度可以達(dá)到（ 177。 1％） V，采用了溫度補(bǔ)償，而且設(shè)有過流保護(hù)電路。腳 5，腳 6，腳 7 內(nèi)有一個(gè)雙門限比較器，內(nèi)電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路廣東石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) :基于 SG3525 的雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 26 共同構(gòu)成 SG3525 的振蕩器。振蕩 器還設(shè)有外同步輸入端 (腳 3)。腳 1及腳 2分別為芯片內(nèi)誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。該放大器是一個(gè)兩級(jí)差分放大器，直流開環(huán)增益為 70dB 左右。根據(jù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)特性要求，在誤差放大器的輸出腳 9 和腳 1 之間一般要添加適當(dāng)?shù)姆答佈a(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。 欠壓鎖定功能 基準(zhǔn)電壓調(diào)整器受 15 腳的外加直流電壓 Vc 的影響，當(dāng) Vc 低于 7V 時(shí)，基準(zhǔn)電壓調(diào)整器的精度值就得不到保證，由于設(shè)置了欠壓鎖定電路，當(dāng)出現(xiàn)欠電壓時(shí)，欠電壓鎖定功能使 A 端 線 由 低 電 壓 上 升 為 邏 輯 高 電 平 經(jīng) 過 或 非 門 輸 出 轉(zhuǎn) 化 為P1=P2=A+B+C+D=0， SG3525 的 13 腳輸出為高電平，功率驅(qū)動(dòng)電路輸出至功率場效應(yīng)管的控制脈沖消失，逆變器無電壓輸出。 系統(tǒng)的故障關(guān)閉功能 集成控制器內(nèi)部 T3晶體管基極經(jīng)一電阻連接 10 引腳。過流保護(hù)環(huán)節(jié)檢測到的故障信號(hào)使 10 腳為高電平，由于 T3基極與 A 端線相連，故障信號(hào)產(chǎn)生的關(guān)閉過程與欠電壓鎖定過程類似。在本電路中，過流保護(hù)環(huán)節(jié)還輸出一個(gè)信號(hào)到與門的輸入端，當(dāng)出現(xiàn)過流信號(hào)時(shí)，檢測環(huán)節(jié)輸出一低電平信號(hào)到與門的輸入端，使脈沖消失，與 SG3525 的故障關(guān)閉功能一起構(gòu)成雙重保護(hù)。 軟起動(dòng)功能 軟 起動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)主要由晶體管 T3 和外接電容 C3及鎖存器來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)出現(xiàn)欠壓或者有過流故障時(shí)， A 端線高電平傳到 T3晶體管基極， T3導(dǎo)通為 8 引腳外接電容 C3提供放電的途徑， C3經(jīng) T3放電到零電壓后，限制了比較器的 PWM’脈沖電壓輸出，該電壓上升為恒定的邏輯高電平， PWM’高電平經(jīng) PWM 鎖存器輸出至 D 端線仍為恒定的邏輯高電平， C3電容重新充電之前， D 端線的高電平不會(huì)發(fā)生變化，封鎖輸出。當(dāng)故障消除后， A 端線恢復(fù)為低電壓正常值， T3 截止， C3 電容由 50μA 電流源緩慢充電， C3充電對(duì) PWM’和 D 端線脈沖寬度產(chǎn)生影響，同時(shí) 對(duì) P1和 P2輸出脈沖產(chǎn)生影響，其結(jié)果是使 P1 和 P2 脈沖由窄緩慢變寬，只有 C3 充電結(jié)束后， P1 和 P2 的脈沖寬度才不受C3充電的影響。這種軟啟動(dòng)方式，可使系統(tǒng)主回路電機(jī)及功率場效應(yīng)管避免承受過大的沖擊浪涌電流。 第四章 基于 SG3525 的直流脈寬調(diào)速的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 27 其余各部分功能 : 基準(zhǔn)電壓源是一個(gè)三端穩(wěn)壓電路，其輸入電壓 VCC 可在（ 8～ 35） V 內(nèi)變化，通常采用 +15V，其輸出電壓 VST＝ ，精度177。 1%，采用溫度補(bǔ)償，作為芯片內(nèi)部電路的電源，也可為芯片外圍電路提供標(biāo)準(zhǔn)電源，向外輸出電流可達(dá) 400mA，沒有過流保護(hù)電路。 路： 由一個(gè)雙門限電壓均從基準(zhǔn)電源取得，其高門限電壓 VH= V，低門限電壓 VL=,內(nèi)部橫流源向 CT 充電，其端壓 VC 線性上升，構(gòu)成鋸齒波的上升沿，當(dāng)VC=VH 時(shí)比較器動(dòng)作，充電過程結(jié)束，上升時(shí)間 t1為： t1= 比較器動(dòng)作時(shí)使放電電路接通， CT 放電， VC 下降并形成鋸齒波的下降沿，當(dāng) VC=VL時(shí)比較器動(dòng)作，放電過程結(jié)束，完成一個(gè)工作循環(huán)，下降時(shí)間間 t2為： t2= (425) 注意：此時(shí)間即為死區(qū)時(shí)間 鋸齒波的基本周期 T 為 BRT=t1+t2 =(+)CT 因?yàn)?RD《 RT = t2《 t1 由上可見鋸齒波的上升沿遠(yuǎn)長于下降沿，因此上升沿作為工作沿，下降沿作為回掃沿。 ：由兩級(jí)差分放大器構(gòu)成，其直流開環(huán)放大倍數(shù)為 80dB 左右，電壓反饋信號(hào) uf 從端子 1 接至放大器反相輸入端，放大器同相輸入端接基準(zhǔn)電壓。該誤差放大器共模輸入電壓范圍是 。 信號(hào)產(chǎn)