【正文】 器都不飽和時，各變量之間有以下關系： *Un =Un = n?? = = = dI?? = dlI?? cU = = = 上述關系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點上，轉速 n 是由給定電壓 *Un 決定， ASR 的輸出量 是由負載電流 Idl決定的，而控制電壓 Uc的大小則同時取決于 n 和 Id，或者說，同時取決于 *Un 和 Idl。后面需要 PI 調節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。 轉速反饋系數(shù)：α = *nmU / maxn 。 兩個給定電壓的最大值 、 由設計者給定，受運算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制。全控式整流在穩(wěn)態(tài)下，觸發(fā)器控制電壓 Uct 與整流輸出電壓 Ua0 的關系為： )c o s (c o s 220 cta KUAUAUU ?? ?(231) 其中： A整流器系數(shù)； U2 整流 器輸入交流電壓； ? 整流器觸發(fā)角； Uct 觸發(fā)器移項控制電壓； K觸發(fā)器移項控制斜率； 整流與觸發(fā)關系為余弦，工程中近似用線性環(huán)節(jié)代替觸發(fā)與放大環(huán)節(jié)，放大系數(shù)為：K= 。由于在起動過程中轉速調節(jié)器 ASR 經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態(tài)過程就分成圖中標明的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三個階段。當突加給定電壓 Ugn時，由于電動機的機電慣性較大，電動機還來不及轉動（ n=0），轉速負反饋電壓 ，這時， 很大，使 ASR 的輸出突增為 Ugio， ACR 的輸出為 Uk0， 可控整流器的輸出為 Ud0，使電樞電流Ia迅速增加。 速度調節(jié)器 ASR 的輸出限幅值正是按這個要求來整定的。從電流升到最大值 Iam開始，到轉速升到給定值為止，這是啟動過程的主要階段，在這個階段中， ASR 一直是飽和的，轉速負反饋不起調節(jié)作用，轉速環(huán)相當于開環(huán)狀態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒流調節(jié)。 第三階段是轉速調節(jié)階段。開始時轉速已經(jīng)上升到給定值， ASR 的給定電壓 Ugn與轉速負反饋電壓 Ufn 相平衡，輸入偏差 等于零。超調后， ，使 ASR 退出飽和，其輸出電壓（也就是 ACR的給定電壓） Ugi才從限幅值降下來， 也隨之降了下來，但是，由于 Ia仍大于負載電流 IL，在開始一段時間內轉速仍繼續(xù)上升。在這個階段中 ASR 與 ACR 同時發(fā)揮作用，由于轉速調節(jié)器在外環(huán)， ASR 處于主導地位，而 ACR 的作用則力圖使 Ia盡快地跟隨 ASR 輸出 Ugi的變化。 ASR 的輸出電壓為 Lfigi IUU ??? (232) ACR 的輸出電壓為 sLgek K RInCU ??? (233) 由上述可知，雙閉環(huán)調速系統(tǒng)，在啟動過程的大部分時間內， ASR 處于飽和限幅狀態(tài)，轉速環(huán)相當于開路，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒電流調節(jié)，從而可基本上實現(xiàn)理想過程。故雙閉環(huán)調速系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)和動態(tài)品質。 （ 2）轉速超調：當轉速調節(jié)器 ASR 采用 PI 調節(jié)器時，轉速必然有超調。 （ 3）準時間最優(yōu)控制：在 設備允許條件下實現(xiàn)最短時間的控制稱作“時間最優(yōu)控制” ,對于電力拖動系統(tǒng)，在電動機允許過載能力限制下的恒流起動，就是時間最優(yōu)控制。采用飽和非線性控制的方法實現(xiàn)準時間最優(yōu)控制是一種很有實用價值的控制策略，在各種多環(huán)控制中得到普遍應用。主要是抗負載擾動和抗電網(wǎng)電壓擾動。在設計 ASR 時，應要求有較好的抗擾性能指標。在圖 2— 7 所示的雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設了電流內環(huán)，電壓波動可以通過電流反饋得到比較及時的調節(jié)，不必等它影響到轉速以后才能反饋回來，抗擾性能大有改善。 調節(jié)器的工程設計方法 PI 調節(jié)器 PI 調節(jié)器的結構如下圖所式 [ 3]： 廣東石油化工學院畢業(yè)設計 :基于 SG3525 的雙閉環(huán)直流脈寬調速系統(tǒng)設計 16 圖 2.. PI 調節(jié)器的結構圖 由圖可得： dtUUKdtUCRURRU ininpiininex ?? ???? ?111001 (241) piK ： PI 調節(jié)器比例部分的放大系數(shù) ? ： PI 調節(jié)器積分時間常數(shù) PI 調節(jié)器的傳遞函數(shù)為： sKw pi ?1?? (242) 調節(jié)器的設計方法 為了保證轉速發(fā)生器的高精度 和高可靠性，系統(tǒng)采用轉速變化率反饋和電流反饋的雙閉環(huán)電路主要考慮以下問題： 1. 保證轉速在設定后盡快達到穩(wěn)速狀態(tài) ； 2. 保證最優(yōu)的穩(wěn)定時間 ； 3. 減小轉速超調量 。 建立調節(jié)器工程設計方法所遵循的原則是： 1. 概念清楚、易懂； 2. 計算公式簡明、好記； 3. 不僅給出參數(shù)計算的公式，而且指明參數(shù)調整的方向； 4. 能考慮飽和非線性控制的情況，同樣給出簡明的計算公式； 5. 適用于各種可以簡化成典型系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)。 第二章 直流調速系統(tǒng) 17 在選擇調節(jié)器結構時，只采用少量的典型系統(tǒng)，它的參數(shù)與系統(tǒng)性能指標的關系都已事先找到，具體選擇參數(shù)時只須按現(xiàn)成的公式和表格中的數(shù)據(jù)計算一下就可以了，這樣就使設計方法規(guī)范化，大大減少了設計工作量。自動控制理論證明 ,0 型系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時是有差的 ,而Ⅲ型及Ⅲ型以上的系統(tǒng)很難穩(wěn)定。而典型Ⅱ型系統(tǒng)的超調量相對要大一些 ,抗擾性能卻比較好。設被控對象的傳遞函 數(shù)如式 (4): )12( 1)( ?? sssW obj （ 4） 若欲將系統(tǒng)校正成Ⅰ型系統(tǒng) ,則調節(jié)器僅僅是一個比例環(huán)節(jié) ,若欲將系統(tǒng)校正成Ⅱ型系統(tǒng) ,則調節(jié)器必須含有一個積分環(huán)節(jié) ,并帶有一個比例微分環(huán)節(jié) ,以便消除被控對象的一個慣性環(huán)節(jié) ,故調節(jié)器采用如式 (5)的 PI 調節(jié)器。從圖中可以清楚地看到Ⅰ型系統(tǒng)、Ⅱ型系統(tǒng)的差別。 廣東石油化工學院畢業(yè)設計 :基于 SG3525 的雙閉環(huán)直流脈寬調速系統(tǒng)設計 18 圖 I型系統(tǒng)、 II型系統(tǒng)性能比較 轉速 電流調節(jié)器結構的確定 一般說來典型Ⅰ型系統(tǒng)在動態(tài)跟隨性能上可以 做到超調小 ,但抗憂性能差 。圖 3 很好地說明了這一點。至于轉速環(huán) ,穩(wěn)態(tài)無靜差是最根本的要求 ,所以轉速環(huán)通常設計為Ⅱ型系統(tǒng)。這樣 ,經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后 ,電流環(huán)的控制對象是一個雙慣性環(huán)節(jié) ,要將其設計成典型Ⅰ型系統(tǒng) ,同理 ,經(jīng)過小慣性環(huán)節(jié)的近似處理后 ,轉速環(huán)的被控對象形如式 (2)。 PWM 系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性： ，需用的功率器件少； ，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較??； ，穩(wěn)速精度高，調速范圍寬，可達 1： 10000 左右； ，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗干擾能力強； ，導通損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，因而裝置效率較高；直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)效率因數(shù)比相控整流器高。 脈寬調制變換器 在干線鐵道電力機車、工礦電力機車、城市電車和地鐵電機車等電力牽引設備上，常采用直流串勵或復勵電動機，由恒壓直流電網(wǎng)供電。為了節(jié)能，并實行無觸電控制，現(xiàn)在多改用電力電子開關 器件，如快速晶閘管， GTO， IGBT 等。 直流斬波器 電動機系統(tǒng)的原理如圖 3— 1a 所示，其中 VT 用開關符號表示任何一種電力電子器件， VD 表示續(xù)流二極管。如此反復，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 時間內被接上，又在（ Tton）內被斬斷， 故稱為“斬波”。 錯誤 !未找到引用源。 VT1 和 VT4 同時導通和關斷， VT2 和 VT3 同時通斷，使電動機 M 的電樞兩端承受電壓 + Us 或 Us。 圖 3— 2 橋失可逆脈寬調速系統(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 導通的時間，開關周期 T 和占空比ρ的定義和上面相同，則電動機電樞端電壓平均值為： Ud=(ton/T)*Us [（ Tton） / T]* Us=（ 2*ton/ T1） * Us=（ 2ρ 1） *Us 脈寬調制變換器的作用是：用脈沖寬度調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、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，以調節(jié)電機轉速。 錯誤 !未找到引用源。 錯誤 !未找到引用源。 圖 3— 6 雙極式控制可逆 PWM變換器的驅動電壓、輸出電壓和電流波形 它們之間的關系是： Ug1=Ug4=Ug2=Ug3。因此， Uab 在一個周期內具有正負相間的脈沖波形，這是雙極式名稱的由來。 錯誤 !未找到引用源。 相當于輕載情況，電流可在正負方向之間脈動，但平均值仍為正，等于負載電流。當正脈沖較寬時， tonT/2,則 Uab 的平均值為正，電動機正轉，反之，則反轉；如果正、負脈沖相等， t=T/2,平均輸出電壓為零，則電動機停止。 雙極式控制可逆 PWM 變換器的輸出平均電壓為： 錯誤 !未找到引用源。調速時，ρ的可調范圍為 0~1，相應的，γ =（ 1） ~（ +1）。但電動機停止時電樞電壓并不等于零，而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，因而，電流也是交變的。但它也有好處，在電動機停止時仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動力潤滑”的作用。 雙極式控制方式的不足之處是：在工作過程中， 4 個開關器件可能都處于開關狀態(tài)，開關損耗大，而且在切換時可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅動脈沖之間，應設置邏輯延時。 廣東石油化工學院畢業(yè)設計 :基于 SG3525 的雙閉環(huán)直流脈寬調速系統(tǒng)設計 22 第四章 基于 SG3525 的直流脈寬調速的實驗系統(tǒng) 系統(tǒng)硬件構成 直流脈寬調速系統(tǒng)的組成如圖 1所示，由主電路、控制及保護電路、信號檢測電路三大部分組成 [ 10]?？赡?PWM 變換器主電路系采用 MOSFET 所構成的 H 型結構形式，它是由四個功率 MOSFET 管 (VT vT VT VT4)和四個續(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 M 上可得到正或負的直流電壓。由 R C VD5， R C VD6 構成邏輯延時環(huán)節(jié)。此外，還有隔離及驅動電路。如圖 3 所示： 廣東石油化工學院畢業(yè)設計 :基于 SG3525 的雙閉環(huán)直流脈寬調速系統(tǒng)設計 24 圖 3 控制及保護電路 檢測回路 在 VT2 和 VT4 的源極回路中，串接兩個取樣電阻，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。主回路中的電阻 R2 有兩個作用。第二，作為過流保護用。如圖 3 所示： 圖 3 檢測回路 第四章 基于 SG3525 的直流脈寬調速的實驗系統(tǒng) 25 脈寬調制器 SG3525的應用特點及控制功能分析 器件內部結構 SG3525 的內部結構主要由基準電壓調整器、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、軟啟動電路、輸出電路構成。其各引腳功能如圖 1 所示，內部原理框圖如圖2 所示。其中，腳 16為 SG3525 的基準電壓源輸出，精度可以達到（ 177。腳 5，腳 6，腳 7 內有一個雙門限比較器，內電容充放電電路，加上外接的電阻電容電路廣東石油化工學院畢業(yè)設計 :基于 SG3525 的雙閉環(huán)直流脈寬調速系統(tǒng)設計 26 共同構成 SG3525 的振蕩器。腳 1及腳 2分別為芯片內誤差放大器的反相輸入端、同相輸入端。根據(jù)系統(tǒng)的動態(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?shù)姆答佈a償網(wǎng)絡。 系統(tǒng)的故障關閉功能 集成控制器內部 T3晶體管基極經(jīng)一電阻連接 10 引腳。在本電路中，過流保護環(huán)節(jié)還輸出一個信號到與門的輸入端，當出現(xiàn)過流信號時，檢測環(huán)節(jié)輸出一低電平信號到與門的輸入端，使脈沖消失，與 SG3525 的故障關閉功能一起構成雙重保護。當出現(xiàn)欠壓或者有過流故障時， A 端線高電平傳到 T3晶體管基極， T3導通為 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 端線的高電平不會發(fā)生變化，封鎖輸出。這種軟啟動方式，可使系統(tǒng)主回路電機及功率場效應管避免承受過大的沖擊浪涌電流。 1%，采用溫度補償，作為芯片內部電路的電源，也可為芯片外圍電路提供標準電源，向外輸出電流可達 400mA，沒有過流保護電路。 ：由兩級差分放大器構成，其直流開環(huán)放大倍數(shù)為 80dB 左右，電壓反饋信號 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電壓。 信號產(chǎn)