【正文】 3525 的雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 二、畢業(yè)設(shè)計 (論文 )工作自 2020 年 3 月 26 日起至 2020 年 6 月 12 日止 三、畢業(yè)設(shè)計 (論文 )進 行地點 廣東石油化工學(xué)院 四、畢業(yè)設(shè)計 (論文 )的內(nèi)容要求： 本設(shè)計的內(nèi)容是雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)進行調(diào)速控制，并以 SG3525 及其擴展為核心設(shè)計直流調(diào)速的雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速的硬件電路，系統(tǒng)電流反饋、速度反饋和脈沖輸出控制、主電路等電路設(shè)計。 要求學(xué)生在實驗室已經(jīng)具備的實驗設(shè)備基礎(chǔ)上進行硬件的設(shè)計以及軟件的設(shè)計，論文中要求闡述設(shè)計原理以及相應(yīng)的硬件電路圖。 指導(dǎo)教師 接受設(shè)計論文任務(wù)開始執(zhí)行日期 2020 年 3 月 26 日 學(xué)生簽名 廣東石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 :基于 SG3525 的雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng) 設(shè)計 I 摘要 報告了直流調(diào)速系統(tǒng)具有調(diào)速范圍廣、精度高、動態(tài)性能好和易于控制等優(yōu)點，所以在電氣傳動中獲得了廣泛應(yīng)用的現(xiàn)狀，并報告了脈寬調(diào)制器 SG3525 是一種性能優(yōu)良， 功能齊全、通用 性強的單片集成 PWM 控制器，采用自關(guān)斷器件的脈寬調(diào)速系統(tǒng)比相控系統(tǒng)具有更多的優(yōu)越性，因而得到廣泛應(yīng)用的現(xiàn)狀。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)用特點以及可逆直流調(diào)速的實現(xiàn)方法。從機械特性上看 ,就是通過改變電動機的參數(shù)或外加工電壓等方法來改變電動機的機械特性 ,從而改變電動機機械特性和工作特性機械特性的交點 ,使電動機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)速度發(fā)生變化。早期直流傳動采用有接點控制，通過開關(guān)設(shè)備切換直流電動機電樞或磁場回路 電阻實現(xiàn)有級調(diào)速。其特點是利用了直流電動機的轉(zhuǎn)速與輸入電壓有著簡單的比例關(guān)系的原理，通過調(diào)節(jié)直流發(fā)電機的勵磁電流或汞弧整流器的觸發(fā)相位來獲得可變的直流電壓供給直流電動機，從而方便地實現(xiàn)調(diào)速。 1957 年晶閘管問世后，采用晶閘管相控裝置的可變直流電源一直 在直流傳動中占主導(dǎo)地位。今天正在逐步推廣應(yīng)用的微機控制的全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)具有高精度、寬范圍的調(diào)速控制，代表著直流電氣傳動的發(fā)展方向。例如高精度穩(wěn)速系統(tǒng)的穩(wěn)速精度達數(shù)十萬分之一，寬調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速比達 1： 10000 以上，快速響應(yīng)系統(tǒng)的響應(yīng)時間已縮短到幾毫秒以下 。電動機的調(diào)速性能如何對提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高勞動生產(chǎn)率和節(jié)省電能有著直接的決定性影響。長期以來，直流電動機由于調(diào)速性能優(yōu)越而掩蓋了結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點廣泛的應(yīng)用于工程過程中。 直流電動機具有良好的運行和控制特性，長期以來，直流調(diào)速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位，其中，雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是目前直流調(diào)速系統(tǒng)中的主流設(shè)備，它具有調(diào)速范圍寬、平穩(wěn)性好、穩(wěn)速精度高等優(yōu)點，在理論和實踐方面都是比較成熟的系統(tǒng)，在拖動領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用。到了 19 世紀(jì)末，出現(xiàn)了三相電源和結(jié)構(gòu)簡單，堅固耐用的交流籠型電動機以后，交流電動機傳動在不調(diào)速的場合才代替了直流電動機傳動裝置。雖然直流電動機可以滿足這些要求，但由于直流電動機在容量、體積、重量、成本、制造和運行維護方面都不及交流電動機，所以長期以來人們一直渴望開發(fā)出交流調(diào)速電動機代替直流電動機。隨著電力電子學(xué)與電子技術(shù)的發(fā)展，特別是電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，使得采用半導(dǎo)體變流技術(shù)的交流調(diào)速系統(tǒng)得以實現(xiàn)。目前交流電力拖動系統(tǒng)已具備了較寬的調(diào)速范圍，較高的穩(wěn)速精度，較快的動態(tài)響應(yīng)，較高的工作效率以及可以四象限運行和制動，其靜特性已可以與直流電動機拖動系統(tǒng)相媲美。 但就目前而言，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式，在許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘 、紡織、造紙等需要高性能調(diào)速的場合得到廣泛的應(yīng)用。而且，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟，從控制技術(shù)的角度來看，又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因此，應(yīng)首先著重研究直流調(diào)速系統(tǒng)，這樣才可以在掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論下更好的對交流調(diào)速系統(tǒng)進行研究和探索 [1]。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制規(guī)律，性能特點和設(shè)計方法是各種交、直流電力拖動自動控制系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。 通過對轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的了解，使我們能夠更好的掌握調(diào)速系統(tǒng)的基本理論及相關(guān)內(nèi)容，在對其各種性能加深了解的同時，能夠發(fā)現(xiàn)其缺陷之處，通過對該系統(tǒng)不足之處的完 善，可提高該系統(tǒng)的性能，使其能夠適用于各種工作場合，提高其使用效率。 脈寬調(diào)制器 SG3525 的現(xiàn)狀和特點 隨著電能變換技術(shù)的發(fā)展，功率 MOSFET 在開關(guān)變換器中開始廣泛使用。 SG3525 是一種性能優(yōu)良、功能齊全和通用性強的單片集成 PWM 控制芯片，它簡單可靠及使用方便靈活，輸出驅(qū)動為推拉輸出形式，增 加了驅(qū)動能力；內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、 PWM 鎖存器，有過流保護功能，頻率可調(diào)，同時能限制最大占空比。 2)內(nèi)置 5． 1 V177。 3)芯片內(nèi)振蕩器工作頻率寬 100Hz～ 400 kHz。 5)死區(qū)時間可調(diào)。 6)內(nèi)設(shè)欠壓鎖定電路。 7)有軟啟動電路。該電容器內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓 Uref 由恒流源供電，達到 2． 5V 的時間為 t=(2． 5V／ 50μ A)C，占空比由小到大 (50％ )變化。鎖存器將比較器送來的所有的跳動和振蕩信號消除。 廣東石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 :基于 SG3525 的雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 4 第二章 直流調(diào)速系統(tǒng) 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理及性能指標(biāo) 直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速原理 直流電動機具有良好的起、制動 性能，宜于在廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以由晶閘管 —直流電動機 (V— M)組成的直流調(diào)速系統(tǒng)是目前應(yīng)用較普遍的一種電力傳動自動化控制系統(tǒng)。 從生產(chǎn)機械要求控制的物理量來看，電力拖動自動控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）、張力控制系統(tǒng)、多電機同步控制系統(tǒng)等多種類型，各種系統(tǒng)往往都是通過控制轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)的，因此，調(diào)速系統(tǒng)是最基本的電力拖動控制系統(tǒng)。 在上式中， Ke 是常數(shù)，電流 I 是由負(fù)載決定的，因此，調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速可以有三種方法： （ 1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U； （ 2） 減弱勵磁磁通 ? ； （ 3） 改變 電樞回路電阻 R。改變電阻只能實現(xiàn)有級調(diào)速；減弱勵磁磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速的范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上做小范圍的弱磁升速。 第二章 直流調(diào)速系統(tǒng) 5 直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo) 根據(jù)各類典型生產(chǎn)機械對調(diào)速系統(tǒng)提出的要求，一般可以概括為靜態(tài)和動態(tài)調(diào)速指標(biāo)?？箶_動性是指系統(tǒng)穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速上運行時，應(yīng)盡量不受負(fù)載變化以及電源電壓波動等因素的影響 [ 6]。具體是指電動機穩(wěn)定工作時，在一條機械特性線上，電動機的負(fù)載由理想空載增加到額定值時，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 Δned與理想空載轉(zhuǎn)速 n0之比，用百分?jǐn)?shù)表示為 %100%100 000 ?????? n nnnns eded （ 2— 3） 顯然，機械特性硬度越大，機械特性硬度越大， Δned越小，靜差率就越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。兩條相互平行的直線性機械特性的靜差率是不同的。這表明平行機械特性低速時靜差率較大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性就越差。 由圖 2— 1可見，對一個調(diào)速系統(tǒng)來說，如果能滿足最低轉(zhuǎn)速運行的靜差率 s，那么，其它轉(zhuǎn)速的靜差率也必然都能滿足。一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所提靜差率要求的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。任何調(diào)速系統(tǒng)都可以得到極高的調(diào)速范圍；反過來，脫離了調(diào)速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。自動控制系統(tǒng)的動態(tài)性能指標(biāo)包括對給定信號的跟隨性能指標(biāo)和對擾動輸入信號的抗擾性能指標(biāo)。當(dāng)給定信號表示方式不同時，輸出響應(yīng)也不一樣。一般希望在階躍響應(yīng)中輸出量 c(t)與其穩(wěn)態(tài)值 ?c 的偏差越小越好，達到 ?c 的時間越快越好。 第二章 直流調(diào)速系統(tǒng) 7 圖 2— 2 2）超調(diào)量 %? 在典型的階躍響應(yīng)跟隨系統(tǒng)中，輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分?jǐn)?shù)表示，叫做超調(diào)量： （ 2— 4） 超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性。 3）調(diào)節(jié)時間 ts 調(diào)節(jié)時間又稱過渡過程時間，它衡量系統(tǒng)整個調(diào)節(jié)過程的快慢。對于線性控制系統(tǒng)來說，理論上要到 ??t 才真正穩(wěn)定，但是實際系統(tǒng)由于存在非線性等因素并不是這樣。 二、抗擾性能指標(biāo) 一般是以系統(tǒng)穩(wěn)定運行中，突加負(fù)載的階躍擾動后的動態(tài)過程作為典型的抗擾過程，并由此定義抗擾動態(tài)性能指標(biāo)，可見圖 2— 3。輸出量在動態(tài)降落后逐漸恢復(fù)，達到新的穩(wěn)態(tài)值 是系統(tǒng)在該擾動作用下的穩(wěn)態(tài)降落。調(diào)速系統(tǒng)突加額定負(fù)載擾動時的動態(tài)降落稱作動態(tài)降落 。 %100% m a x ??? ? ?c cc?? ?%2%5 ?? 或%maxc?%maxc? 1?c? ?212 , ??? ?ccc%maxn?ftbc ? ?%2%5 ?? 或 ft bc廣東石油化工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 :基于 SG3525 的雙閉環(huán)直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計 8 實際系統(tǒng)中對于各種動態(tài)指標(biāo)的要求各有不同，要根據(jù)生產(chǎn)機械的具體要求而定。 圖 2— 3 電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的理論分析 雙閉環(huán)調(diào)速的工作過程和原理 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作過程和原理 : 電動機在啟動階段 ,電動機的實際轉(zhuǎn)速 (電壓 )低于給定值 ,速度調(diào)節(jié)器的輸入端存在一個偏差信號 ,經(jīng)放大后輸出的電壓保持為限幅值 ,速度調(diào)節(jié)器工作在開環(huán)狀態(tài) ,速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓作為電流給定值送入電流調(diào)節(jié)器 , 此時則以最大電流給定值使電流調(diào)節(jié)器輸出移相信號 ,直流電壓迅速上升 ,電流也隨即增大直到等于最大給定值 , 電動機以最大電流恒流 加速啟動。在電動機轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速后 , 速度調(diào)節(jié)器輸入端的偏差信號減小到近于零 ,速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器退出飽和狀態(tài) ,閉環(huán)調(diào)節(jié)開始起作用。另外電流調(diào)節(jié)器的小時間常數(shù) , 還能夠?qū)σ螂娋W(wǎng)波動引起的電動機電樞電流的變化進行快速調(diào)節(jié) ,可以在電動機轉(zhuǎn)速還未來得及發(fā)生改變時 ,迅速使 電流恢復(fù)到原來值 ,從而使速度更好地穩(wěn)定于某一轉(zhuǎn)速下運行 [ 8]。兩者之間實行嵌套連接，如圖 2— 4所示。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱作內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外邊，稱作外環(huán)。 圖 2— 4 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 其中： ASR轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR電流調(diào)節(jié)器 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*電流給定電壓 Ui電流反饋電壓 二、 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性分析 圖 2— 5 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖 分析靜特性的關(guān)鍵是掌握 PI 調(diào)節(jié)器的穩(wěn)態(tài)特征，一般使存在兩種狀況：飽和 — 輸出達到限幅值，不飽和 — 輸出未達到限幅值。當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時， PI的作用使輸入偏差電壓 ΔU在穩(wěn)態(tài)時總為零。因此，對于靜特性來說，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況 [ 8]。與此同時，由于 ASR 不飽和， 可知 IdIdm，這就是說， CA 段特性從理想空載狀態(tài)的 Id=0一直延續(xù)到 Id=Idm。這就是靜特性的運行段，它是一條水平的特性。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成了一個電流無靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。這樣是下垂特性只適合于 的情況，因為如果 ,則 ,ASR 將退出飽和狀態(tài) . 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于 Idm時表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無靜差 ,這時 ,轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要的調(diào)節(jié)作用 ,但負(fù)載電流達到 Idm時 ,對應(yīng)于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的飽和輸出 U*im,這時 ,電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用 ,系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無靜差 ,得到過電流的自動保護 .這就是采用了兩個 PI 調(diào)節(jié)器分別形成內(nèi)、外兩個閉環(huán)的效果。 *imU*Ui?*imU0nn? *nn UU??*nU0n??0nn?第二章 直流調(diào)速系統(tǒng) 11 圖 2— 6 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 3. 各變量的穩(wěn)態(tài)工作點和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算 由雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖可知，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作時，當(dāng)兩個調(diào)節(jié)