基于SG3525的双闭环直流脉宽调速系统设计毕业设计电气专082

学号：005

广东石油化工学院

毕业设计说明书

基于SG3525的双闭环直流脉宽调速系统设计

SG3525-based dual-loop design of DC PWM System

学院 计算机与电子信息学院 专业 电气工程及其自动化 班级 电气08-2 学生 指导教师（职称）

完成时间 2012 年 3 月 26 日至 2012 年 6 月 12 日

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广东石油化工学院

毕 业 设 计（论 文）任 务 书

院（系）： 计算机与电子信息学院 专业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气08-2 学生： 学号：

一、毕业设计(论文)课题 基于SG3525的双闭环直流脉宽调速系统设计 二、毕业设计(论文)工作自 2012 年 3 月 26 日起至 2012 年 6 月12日止 三、毕业设计(论文)进行地点 广东石油化工学院

四、毕业设计(论文)的内容要求：

本设计的内容是双闭环直流脉宽调速系统进行调速控制，并以SG3525及其扩展为核心设计直流调速的双闭环直流脉宽调速的硬件电路，系统电流反馈、速度反馈和脉冲输出控制、主电路等电路设计。要求学生在实验室已经具备的实验设备基础上进行硬件的设计以及软件的设计，论文中要求阐述设计原理以及相应的硬件电路图。设计控制，完成系统实验，实现系统的设计功能，提交完整的设计说明书。

指导教师 接受设计论文任务开始执行日期 2012 年 3 月 26 日

学生签名

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摘要

报告了直流调速系统具有调速范围广、精度高、动态性能好和易于控制等优点，所以在电气传动中获得了广泛应用的现状，并报告了脉宽调制器SG3525是一种性能优良， 功能齐全、通用性强的单片集成PWM控制器，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，因而得到广泛应用的现状。进行了对SG3525控制双闭环直流调速系统的调查，并详细分析了系统的原理及其静态和动态性能。然后介绍了此芯片在可逆直流脉宽调速系统中的应用特点以及可逆直流调速的实现方法。

关键词 SG3525 直流调速系统 速度调节器 电流调节器 双闭环系统

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Abstract

Report the dc speed control system has wide speed range, high accuracy, good dynamic performance and easy to control the advantages in electrical transmission, therefore won wide application status and report the pulse width omdulatros SG3525 is a fine performance, the function is all ready, strong commonality of monolithic integrated PWM controller, adopting the shutoff device speed system pulse-width than phased system has more advantages and widely used. The double closed loop control of SG3525 dc speed control system of investigation, and detailed analysis of the system of the principle and the static and dynamic performance. Then introduces the chip in reversible dc speed system pulse-width characteristics and application of reversible dc speed control method.

Keywords: SG3525 Dc speed control system The speed regulator Current regulator Double closed loop system

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目 录

摘要 .............................................................. I 第一章 绪 论 ..................................................... 1 直流调速概念 .......................................................................................................... 1 直流调速系统的发展史 .......................................................................................... 1 研究双闭环直流调速系统的目的和意义 .............................................................. 2 脉宽调制器SG3525的现状和特点 ........................................................................ 3 第二章 直流调速系统 .............................................. 4 直流调速系统的调速原理及性能指标 .................................................................. 4

直流调速系统的调速原理 ............................................................................................................. 4 直流调速系统的性能指标 ............................................................................................................. 5 动态性能指标 ................................................................................................................................. 6

电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析 ...................................................... 8

双闭环调速的工作过程和原理 ..................................................................................................... 8 双闭环直流调速系统的组成及其静特性 ..................................................................................... 8

双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析 ............................................ 12

双闭环直流调速系统的数学模型的建立 ................................................................................... 12 起动过程分析 ............................................................................................................................... 12 动态抗干扰性分析 ....................................................................................................................... 15

调节器的工程设计方法 ........................................................................................ 15

PI调节器 ...................................................................................................................................... 15 调节器的设计方法 ....................................................................................................................... 16 Ⅰ型系统与Ⅱ型系统的性能比较 ............................................................................................... 17 转速-电流调节器结构的确定 ..................................................................................................... 18 调节器仿真 ................................................................................................................................... 18

第三章 PWM脉宽调制 ............................................... 4 PWM基本介绍 ........................................................................................................... 4 脉宽调制变换器 ...................................................................................................... 4 桥式可逆PWM变换器 .............................................................................................. 6 第四章 基于SG3525的直流脉宽调速的实验系统 ...................... 22 系统硬件构成 ........................................................................................................ 22

主电路 ........................................................................................................................................... 23 控制及保护电路 ........................................................................................................................... 23 检测回路 ....................................................................................................................................... 24

脉宽调制器SG3525的应用特点及控制功能分析 .............................................. 25

器件内部结构 ............................................................................................................................... 25 欠压锁定功能 ............................................................................................................................... 26 系统的故障关闭功能 ................................................................................................................... 26 软起动功能 ................................................................................................................................... 26 其余各部分功能 ........................................................................................................................... 27 波形的产生及控制方式分析 ....................................................................................................... 27 工作过程分析 ............................................................................................................................... 28

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延时回路 ....................................................................................................................................... 29

直流电动机转速控制及正反控制的实现 ............................................................ 29 双闭环可逆自动调速的实现 ................................................................................ 30 主电路元件参数的选择 ........................................................................................ 30 实验结果分析 ........................................................................................................ 30 结 论 ........................................................... 31 致 谢 ........................................................... 31 附 录 ........................................................... 33

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第一章 绪 论

直流调速概念

直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机

械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。

直流调速系统的发展史

直流传动具有良好的调速特性和转矩控制性能，在工业生产中应用较早并沿用至今。

早期直流传动采用有接点控制，通过开关设备切换直流电动机电枢或磁场回路电阻实现有级调速。1930年以后出现电机放大器控制的旋转交流机组供电给直流电动机（由交流电动机M和直流发电机G构成，简称G—M系统），以后又出现了磁放大器和汞弧整流器供电等，实现了直流传动的无接点控制。其特点是利用了直流电动机的转速与输入电压有着简单的比例关系的原理，通过调节直流发电机的励磁电流或汞弧整流器的触发相位来获得可变的直流电压供给直流电动机，从而方便地实现调速。但这种调速方法后来被晶闸管可控整流器供电的直流调速系统所取代，至今已不再使用。1957年晶闸管问世后，采用晶闸管相控装置的可变直流电源一直在直流传动中占主导地位。由于电力电子技术与器件的进步和晶闸管系统具有的良好动态性能，使直流调速系统的快速性、可靠性和经济性不断提高，在20世纪相当长的一段时间内成为调速传动的主流。今天正在逐步推广应用的微机控制的全数字直流调速系统具有高精度、宽范围的调速控制，代表着直流电气传动的发展方向。直流传动之所以经历多年发展仍在工业生产中得到广泛应用，关键在于它能以简单的手段达到较高的性能指标。例如高精度稳速系统的稳速精度达数十万分之一，宽调速系统的调速比达1：10000以上，快速响应系统的响应时间已缩短到几毫秒以下。

在实际应用中，电动机作为把电能转换为机械能的主要设备，一是要具有较高的机电能量转换效率；二是应能根据生产机械的工艺要求控制和调节电动机的旋转速度。电动机的调速性能如何对提高产品质量、提高劳动生产率和节省电能有着直接的决定性影响。因此，调速技术一直是研究的热点。长期以来，直流电动机由于调速性能优越而掩盖了结构复杂等缺点广泛的应用于工程过程中。直流电动机在额定转速以下运行时，保

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持励磁电流恒定，可用改变电枢电压的方法实现恒定转矩调速；在额定转速以上运行时，保持电枢电压恒定，可用改变励磁的方法实现恒功率调速。直流电动机具有良好的运行和控制特性，长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位，其中，双闭环直流调速系统是目前直流调速系统中的主流设备，它具有调速范围宽、平稳性好、稳速精度高等优点，在理论和实践方面都是比较成熟的系统，在拖动领域中发挥着极其重要的作用。

自19世纪80年代起至19世纪末以前，工业上传动所用的电动机一直以直流电动机为唯一方式。到了19世纪末，出现了三相电源和结构简单，坚固耐用的交流笼型电动机以后，交流电动机传动在不调速的场合才代替了直流电动机传动装置。然而，随着生产的不断发展，调速对变速传动装置是一项基本的要求，现代应用的许多变速传动系统，在满足一定的调速范围和连续（无级）调速的同时，还必须具有持续的稳定性和良好的瞬态性能。虽然直流电动机可以满足这些要求，但由于直流电动机在容量、体积、重量、成本、制造和运行维护方面都不及交流电动机，所以长期以来人们一直渴望开发出交流调速电动机代替直流电动机。从60年代起，国外对交流电动机调速已开始重视。随着电力电子学与电子技术的发展，特别是电力半导体器件的发展，使得采用半导体变流技术的交流调速系统得以实现。尤其是70年代以来，大规模集成电路和计算机控制技术的发展，以及现代控制理论的应用，为交流电力拖动系统的发展创造了有利条件，促进了各种类型交流调速系统：如串级调速系统，变频调速系统，无换向器电动机调速系统以及矢量控制调速系统等的飞速发展。目前交流电力拖动系统已具备了较宽的调速范围，较高的稳速精度，较快的动态响应，较高的工作效率以及可以四象限运行和制动，其静特性已可以与直流电动机拖动系统相媲美。国际上许多国家交流电力拖动系统已进入工业实用化阶段，大有取代直流电力拖动系统的势头。

但就目前而言，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式，在许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、纺织、造纸等需要高性能调速的场合得到广泛的应用。直流电动机可逆调速系统数字化已经走向实用化，其主要特点是：(1)常规的晶闸管直流调速系统中大量硬件可用软件代替，从而简化系统结构，减少了电子元件虚焊、接触不良和漂移等引起的一些故障，而且维修方便；(2)动态参数调整方便；(3)系统可以方便的设计监控、故障自诊断、故障自动复原程序，以提高系统的可靠性； (4)可采用数字滤波来提高系统的抗干扰性能；(5) 可采用数字反馈来提高系统的精度；(6)容易与上一级计算机交换信息；(7)具有信息存储、数据通信的功能；(8)成本较低。而且，直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，又是交流调速系统的基础，因此，应首先着重研究直流调速系统，这样才可以在掌握调速系统的基本理论下更好的对交流调速系统进行研究和探索[1]。

研究双闭环直流调速系统的目的和意义

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转速、电流双闭环直流调速系统是性能很好，应用最广的直流调速系统, 采用转速、

电流双闭环直流调速系统可获得优良的静、动态调速特性。转速、电流双闭环直流调速系统的控制规律，性能特点和设计方法是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。首先，应掌握转速、电流双闭环直流调速系统的基本组成及其静特性；然后，在建立该系统动态数学模型的基础上，从起动和抗扰两个方面分析其性能和转速与电流两个调节器的作用；第三，研究一般调节器的工程设计方法，和经典控制理论的动态校正方法相比，得出该设计方法的优点，即计算简便、应用方便、容易掌握；第四，应用工程设计方法解决双闭环调速系统中两个调节器的设计问题，等等。

通过对转速、电流双闭环直流调速系统的了解，使我们能够更好的掌握调速系统的基本理论及相关内容，在对其各种性能加深了解的同时，能够发现其缺陷之处，通过对该系统不足之处的完善，可提高该系统的性能，使其能够适用于各种工作场合，提高其使用效率。并以此为基础，再对交流调速系统进行研究，最终掌握各种交、直流调速系统的原理，使之能够应用于国民经济各个生产领域。

脉宽调制器SG3525的现状和特点

随着电能变换技术的发展，功率MOSFET在开关变换器中开始广泛使用。为此，美国硅通用半导体公司推出了SG3525，以用于驱动N沟道功率MOSFET。SG3525是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。其性能特点如下：

1)工作电压范围宽： 8～35V。 2)内置5．1 V±1．0％的基准电压源。 3)芯片内振荡器工作频率宽100Hz～400 kHz。 4)具有振荡器外部同步功能。

5)死区时间可调。为了适应驱动快速场效应管的需要，末级采用推拉式工作电路，使开关速度更陕，末级输出或吸入电流最大值可达400mA。

6)内设欠压锁定电路。当输入电压小于8V时芯片内部锁定，停止工作(基准源及必要电路除外)，使消耗电流降至小于2mA。

7)有软启动电路。比较器的反相输入端即软启动控制端芯片的引脚8，可外接软启动电容。该电容器内部的基准电压Uref由恒流源供电，达到2．5V的时间为t=(2．5V／50μA)C，占空比由小到大(50％)变化。

8)内置PWM(脉宽调制)。锁存器将比较器送来的所有的跳动和振荡信号消除。只有在下一个时钟周期才能重新置位，系统的可靠性高。

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第二章 直流调速系统

直流调速系统的调速原理及性能指标

直流调速系统的调速原理

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广范围内平滑调速，所以由晶闸管—直流电动机(V—M)组成的直流调速系统是目前应用较普遍的一种电力传动自动化控制系统。它在理论上实践上都比较成熟，而且从闭环控制的角度看，它又是交流调速系统的基础[1、6]。

从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统（伺服系统）、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此，调速系统是最基本的电力拖动控制系统。直流电动机的转速和其它参量的关系和用式（2—1）表示

n式中 n——电动机转速；

U——电枢供电电压； I——电枢电流；

UIRKe （2—1）

R——电枢回路总电阻，单位为 Ke——由电机机构决定的电势系数。

在上式中， Ke是常数，电流I是由负载决定的，因此，调节电动机的转速可以有三种方法：

（1）调节电枢供电电压U； （2） 减弱励磁磁通； （3） 改变电枢回路电阻R。

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最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱励磁磁通虽然能够平滑调速，但调速的范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上做小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以改变电压调速为主。

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直流调速系统的性能指标

根据各类典型生产机械对调速系统提出的要求，一般可以概括为静态和动态调速指标。静态调速指标要求电力传动自动控制系统能在最高转速和最低转速范围内调节转速，并且要求在不同转速下工作时，速度稳定；动态调速指标要求系统启动、制动快而平稳，并且具有良好的抗扰动能力。抗扰动性是指系统稳定在某一转速上运行时，应尽量不受负载变化以及电源电压波动等因素的影响[1、6]。 一、静态性能指标 1）．调速范围

生产机械要求电动机在额定负载运行时，提供的最高转速nmax与最低转速nmin之比，称为调速范围，用符号D表示

D2）．静差率

nmaxnmin （2—2）

静差率是用来表示负载转矩变化时，转速变化的程度，用系数s来表示。具体是指电动机稳定工作时，在一条机械特性线上，电动机的负载由理想空载增加到额定值时，对应的转速降落Δned与理想空载转速n0之比，用百分数表示为

s

nednned100%0100%n0n0 （2—3）

显然，机械特性硬度越大，机械特性硬度越大，Δned越小，静差率就越小，转速的稳定度就越高。

然而静差率和机械特性硬度又是有区别的。两条相互平行的直线性机械特性的静差率是不同的。对于图2—1中的线1和线2，它们有相同的转速降落Δned1=Δned2，但由于n01s1。这表明平行机械特性低速时静差率较大，转速的相对稳定性就越差。在1000r/min时降落10r/min，只占1%；在100r/min时也降落10r/min，就占10%；如果n0只有10r/min，再降落10r/min时，电动机就停止转动，转速全都降落完了。

由图2—1可见，对一个调速系统来说，如果能满足最低转速运行的静差率s，那么，其它转速的静差率也必然都能满足。

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图2—1

事实上，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所提静差率要求的转速可调范围。脱离了对静差率的要求。任何调速系统都可以得到极高的调速范围；反过来，脱离了调速范围，要满足给定的静差率也就容易得多了。

动态性能指标

生产工艺对控制系统动态性能的要求经折算和量化后可以表达为动态性能指标。自动控制系统的动态性能指标包括对给定信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰性能指标。 一、跟随性能指标

在给定信号（或称参考输入信号）R(t)的作用下，系统输出量C(t)的变化情况可用跟随性能指标来描述。当给定信号表示方式不同时，输出响应也不一样。通常以输出量的初始值为零，给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，这时的动态响应又称为阶跃响应。一般希望在阶跃响应中输出量c(t)与其稳态值c的偏差越小越好，达到c的时间越快越好。常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间，超调量和调节时间： 1）上升时间tr

在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值c所经过的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性，见图2—2。

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5%或2%

cmax%2）超调量%

图2—2

在典型的阶跃响应跟随系统中，输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用c1cmax%百分数表示，叫做超调量： c2,c1c2

（2—4） nmax% 超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应比较tf平稳。

3）调节时间ts 或2%cb5%cb调节时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个调节过程的快慢。原则上它应该是

tf从给定量阶跃变化起到输出量完全稳定下来为止的时间。对于线性控制系统来说，理论上要到t才真正稳定，但是实际系统由于存在非线性等因素并不是这样。因此，一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，取的范围 作为允许误差带，以响应曲线达到并不再超出该误差带所需的最短时间定义为调节时间，可见图2—2。 二、抗扰性能指标

一般是以系统稳定运行中，突加负载的阶跃扰动后的动态过程作为典型的抗扰过程，并由此定义抗扰动态性能指标，可见图2—3。常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间： 1）动态降落

系统稳定运行时，突加一定数值的扰动（如额定负载扰动）后引起转速的最大降落值 叫做动态降落，用输出量原稳态值 的百分数来表示。输出量在动态降落后逐渐恢复，达到新的稳态值 cmaxc是系统在该扰动作用下的稳态降落。动态降%100%c落一般都大于稳态降落（即静差）。调速系统突加额定负载扰动时的动态降落称作动态降落 。 2）恢复时间

从阶跃扰动作用开始，到输出量基本上恢复稳态，距新稳态值c2之差进入某基准量 的 范围之内所需的时间，定义为恢复时间 ，其中 称为抗扰指标中输出量的基准值。

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实际系统中对于各种动态指标的要求各有不同，要根据生产机械的具体要求而定。一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主。

图2—3

电流、转速双闭环直流调速系统的理论分析

双闭环调速的工作过程和原理

双闭环调速系统的工作过程和原理: 电动机在启动阶段,电动机的实际转速(电压)低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号,经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器, 此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值, 电动机以最大电流恒流加速启动。电动机的最大电流(堵转电流)可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。在电动机转速上升到给定转速后, 速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。对负载引起的转速波动,速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压相应变化,从而校正和补偿电动机的转速偏差。另外电流调节器的小时间常数, 还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节,可以在电动机转速还未来得及发生改变时,迅速使电流恢复到原来值,从而使速度更好地稳定于某一转速下运行[1、

5、6、8]

。

双闭环直流调速系统的组成及其静特性

一、双闭环直流调速系统的组成

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为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。两者之间实行嵌套连接，如图2—4所示。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，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、电流双闭环调速系统。

图2—4 转速、电流双闭环直流调速系统

其中：ASR-转速调节器 ACR-电流调节器 TG-测速发电机 TA-电流互感器 UPE-电力电子变换器 Un*-转速给定电压 Un-转速反馈电压 Ui*-电流给定电压 Ui-电流反馈电压

二、 双闭环直流调速系统的静特性分析

图2—5 双闭环直流调速系统的稳态结构框图

分析静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征，一般使存在两种状况：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

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变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，换句话说，饱和的 调节器暂时隔断了输入和输出的联系，相当于使该调节环开环。当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压ΔU在稳态时总为零。

实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况[1、5、6、8]。 1．转速调节器不饱和

这时，两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零，因此，

Un*= Un=n= (1)

* Ui= Ui=Id (2)

由第一个关系式可得：n= =n0

从而得到图2-5所示静特性曲线的CA段。与此同时，由于ASR不饱和， < 可知Id这时，ASR输出达到限幅值U*im，转速外环呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。双闭环系统变成了一个电流无静差的单电流闭环调节系统。稳态时：

Id= =Idm

其中，最大电流Idm取决于电动机的容许过载能力和拖动系统允许的最大加速度，n0由上式可得静特性的AB段，它是一条垂直的特性。这样是下垂特性只适合于 的情况，因为如果 ,则 ,ASR*将退出饱和状态. Un双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差,这时,转速负反

**馈起主要的调节作用,但负载电流达到Idm时,对应于转速调节器的饱和输出U*Ui,Uimim,这时

电流调节器起主要调节作用,系统表现为电流无静差,得到过电流的自动保护.这就是采用了两个PI调节器分别形成内、外两个闭环的效果。然而，实际上运算放大器的开环放大系数并不是无穷大，因此，静特性的两段实际上都略有很小的静差，见图2—6中虚线。

*Uimnn0nn0*UnUn-10

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图2—6 双闭环直流调速系统的静特性

3. 各变量的稳态工作点和稳态参数计算

由双闭环直流调速系统的稳态结构图可知，双闭环调速系统在稳态工作时，当两个调节器都不饱和时，各变量之间有以下关系：

* Un=Un=n=

= =Id=Idl

Uc= = =

上述关系表明，在稳态工作点上，转速n是由给定电压Un决定，ASR的输出量

n0是由负载电流Idl决定的，而控制电压Uc的大小则同时取决于n和Id，或者说，同时取

*决于Un和Idl。PI调节器输出量在动态过程中决定于输入量的积分，到达稳态时，输入Ui*UiCeUnIdlR为零，输出的稳态值与输入无关，而是由它后面环节的需要决定的。后面需要PI调节Ud0CenIdR器提供多么大的输出值，它就能提供多少，直到饱和为止。鉴于这一特点，双闭环调速KsKsKs*Ui*系统的稳态参数计算与单闭环有静差系统完全不同，而是和无静差系统的稳态计算相似，即根据各调节器的给定与反馈值计算有关的反馈系数。

*Unm转速反馈系数：α= /nmax;

*Uim电流反馈系数：β= /Idm;

两个给定电压的最大值 、 由设计者给定，受运算放大器允许输入电压和稳压电源的限制。

**UimUnm-11

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双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析

双闭环直流调速系统的数学模型的建立

双闭环直流调速系统数学模型的建立涉及到可控硅触发器和整流器的相关内容，这里仅作简单介绍，具体的内容将在第三章内加以说明。全控式整流在稳态下，触发器控制电压Uct与整流输出电压Ua0的关系为：

Ua0AU2cosAU2cos(KUct)(2-3-1)

U其中：a0/UctA---整流器系数；U2 ---整流器输入交流电压； ---整流器触发角；

Uct ---触发器移项控制电压；K---触发器移项控制斜率；

整流与触发关系为余弦，工程中近似用线性环节代替触发与放大环节，放大系数为：K= 。

绘制双闭环直流调速系统的动态结构框图如下：

图2—7 双闭环直流调速系统的动态结构框图

起动过程分析

双闭环直流调速系统突加给定电压Ugn由静止状态起动时，转速调节器输出电压Ugi、电流调节器输出电压Uk、可控整流器输出电压Ud、电动机电枢电流Ia和转速n的动态响应波形过程如图2—8所示。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个阶段。

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第一阶段是电流上升阶段。当突加给定电压Ugn时，由于电动机的机电惯性较大，电动机还来不及转动（n=0），转速负反馈电压 ，这时， 很大，使ASR的输出突增为Ugio，ACR的输出为Uk0，可控整流器的输出为Ud0，使电枢电流Ia迅速增加。当增加到 （负载电流）时，电动机开始转动，以后转速调节器ASR

UdIamRCen的输出很快达到限幅值，从而使电枢电流达到所对应的最大值（在这过程的下降是由于

电流负反馈所引起的），到这时电流负反馈电压与ACR的给定电压基本上是相等的，即

式中，β——电流反馈系数。

速度调节器ASR的输出限幅值正是按这个要求来整定的。

UgimUfiIam

Un第二阶段是恒流升速阶段。从电流升到最大值Iam开始，到转速升到给定值为止，

Ufn0,Un0这是启动过程的主要阶段，在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速负反馈不起调节作U与U用，转速环相当于开环状态，系统表现为恒流调节。由于电流Ia保持恒定值Iam，即系IaIL统的加速度dn/dt为恒值，所以转速n按线性规律上升，由 知，Ud也线性增加，这就要求Uk也要线性增加，故在启动过程中电流调节器是不应该饱和的，晶闸管可控整流环节也不应该饱和。

第三阶段是转速调节阶段。转速调节器在这个阶段中起作用。开始时转速已经上升到给定值，ASR的给定电压Ugn与转速负反馈电压Ufn相平衡，输入偏差 等于零。但其输出却由于积分作用还维持在限幅值Ugim，所以电动机仍在以最大电流Iam下加速，使转速超调。超调后， ，使ASR退出饱和，其输出电压（也就是ACR的给定电压）Ugi才从限幅值降下来， 也随之降了下来，但是，由于Ia仍大于负载电流IL，在开始一段时间内转速仍继续上升。到 时，电动机才开始在负载的阻力下减速，知道稳定（如果系统的动态品质不够好，可能振荡几次以后才稳定）。在这个阶段中ASR与ACR同时发挥作用，由于转速调节器在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则力图使Ia尽快地跟随ASR输出Ugi的变化。

n稳态时，转速等于给定值g，电枢电流Ia等于负载电流IL，ASR和ACR的输入偏差电压都为零，但由于积分作用，它们都有恒定的输出电压。ASR的输出电压为

ACR的输出电压为

kdUgiUfiILUfn0 (2-3-2) UnUgnUfnCengILRKs (2-3-3)

IaIL

Uk由上述可知，双闭环调速系统，在启动过程的大部分时间内，ASR处于饱和限幅状态，转速环相当于开路，系统表现为恒电流调节，从而可基本上实现理想过程。双闭环调速系统的转速响应一定有超调，只有在超调后，转速调节器才能退出饱和，使在稳定

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运行时ASR发挥调节作用，从而使在稳态和接近稳态运行中表现为无静差调速。故双闭环调速系统具有良好的静态和动态品质。

图2—8 双闭环直流调速系统起动过程的电压、电流、转速波形

综上所述，双闭环调速系统的起动过程有以下三个特点：

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（1）饱和非线形控制：随着ASR的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态，在不同情况下表现为不同结构的线形系统，只能采用分段线形化的方法来分析，不能简单的用线形控制理论来笼统的设计这样的控制系统。

（2）转速超调：当转速调节器ASR采用PI调节器时，转速必然有超调。转速略有超调一般是容许的，对于完全不允许超调的情况，应采用其他控制方法来抑制超调。

（3）准时间最优控制：在设备允许条件下实现最短时间的控制称作“时间最优控制”,对于电力拖动系统，在电动机允许过载能力限制下的恒流起动，就是时间最优控制。但由于在起动过程Ⅰ、Ⅱ两个阶段中电流不能突变，实际起动过程与理想启动过程相比还有一些差距，不过这两段时间只占全部起动时间中很小的成分，无伤大局，可称作“准时间最优控制”。采用饱和非线性控制的方法实现准时间最优控制是一种很有实用价值的控制策略，在各种多环控制中得到普遍应用。

动态抗干扰性分析

一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能，对于调速系统，最重要的动态性能是抗扰性能。主要是抗负载扰动和抗电网电压扰动。 1． 抗负载扰动

由双闭环直流调速系统的动态结构图上可以看出，负载扰动作用在电流环之后，因此，只能靠转速调节器ASR来产生抗负载扰动的作用。在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。 2． 抗电网电压扰动

电网电压变化对调速系统也产生扰动作用。在图2—7所示的双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。因此，在双闭环系统中，由电网电压波动引起的转速动态变化会小得多。

调节器的工程设计方法

PI调节器

PI调节器的结构如下图所式[1、2、3]：

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图2.. PI调节器的结构图

Uex由图可得：

R111UinUdtKUUindtinpiinR0R0C1 (2-4-1)

Kpi：PI调节器比例部分的放大系数

1s (2-4-2)

：PI调节器积分时间常数

PI调节器的传递函数为：

wKpi 调节器的设计方法

为了保证转速发生器的高精度和高可靠性，系统采用转速变化率反馈和电流反馈的双闭环电路主要考虑以下问题：

1. 保证转速在设定后尽快达到稳速状态； 2. 保证最优的稳定时间； 3. 减小转速超调量。

为了解决上述问题，就必须对转速、电流两个调节器的进行优化设计，以满足系统的需要。

建立调节器工程设计方法所遵循的原则是：

1. 概念清楚、易懂； 2. 计算公式简明、好记；

3. 不仅给出参数计算的公式，而且指明参数调整的方向； 4. 能考虑饱和非线性控制的情况，同样给出简明的计算公式； 5. 适用于各种可以简化成典型系统的反馈控制系统。

直流调速系统调节器参数的工程设计包括确定典型系统、选择调节器类型、计算调节器参数、计算调节器电路参数、校验等内容。

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在选择调节器结构时，只采用少量的典型系统，它的参数与系统性能指标的关系都已事先找到，具体选择参数时只须按现成的公式和表格中的数据计算一下就可以了，这样就使设计方法规范化，大大减少了设计工作量。

Ⅰ型系统与Ⅱ型系统的性能比较

许多控制系统的开环传递函数可表示为

Ws

Kjs1j1nmsrTs1ji1 (2-4-3)

根据W(s)中积分环节个数的不同,将该控制系统称为0型、Ⅰ型、Ⅱ型……系统。自动控制理论证明,0型系统在稳态时是有差的,而Ⅲ型及Ⅲ型以上的系统很难稳定。因此,通常为了保证稳定性和一定的稳态精度,多用Ⅰ型、Ⅱ型系统,典型的Ⅰ型、Ⅱ型系统其开环传递函数为

W(s)K （2）

s(Ts1)K(s1) （3） 2s(Ts1)W(s)典型Ⅰ型系统在动态跟随性能上可做到超调小,但抗扰性能差;而典型Ⅱ型系统的超调量相对要大一些,抗扰性能却比较好。接下来可用一个实例来说明这个问题。设被控对象的传递函数如式(4):

Wobj(s)1 （4）

s(2s1)若欲将系统校正成Ⅰ型系统,则调节器仅仅是一个比例环节,若欲将系统校正成Ⅱ型系统,则调节器必须含有一个积分环节,并带有一个比例微分环节,以便消除被控对象的一个惯性环节,故调节器采用如式(5)的PI调节器。仿真结果如图3所示。从图中可以清楚地看到Ⅰ型系统、Ⅱ型系统的差别。这种差别可以作为调节器选择的原则。

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图 I型系统、II型系统性能比较

转速-电流调节器结构的确定

一般说来典型Ⅰ型系统在动态跟随性能上可以做到超调小,但抗忧性能差;而典型Ⅱ型系统的超调量相对要大一些而抗扰性能却比较好。图3很好地说明了这一点。基于此,在转速-电流双闭环调速系统中,电流环的一个重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值,即能否抑制超调是设计电流环首先要考虑的问题,所以一般电流环多设计为Ⅰ型系统,电流调节的设计应以此为限定条件。至于转速环,稳态无静差是最根本的要求,所以转速环通常设计为Ⅱ型系统。在双闭环调速系统中,整流装置滞后时间常数Ts和电流滤波时间常数Toi一般都比电枢回路电磁Tl小很多,可将前两者近似为一个惯性环节,取T∑i=Ts+Toi。这样,经过小惯性环节的近似处理后,电流环的控制对象是一个双惯性环节,要将其设计成典型Ⅰ型系统,同理,经过小惯性环节的近似处理后,转速环的被控对象形如式(2)。如前所述,转速环应设计成Ⅱ型系统,所以转速调节器也就设计成PI型调节器,如下式所示:

W(s)K(s1) （5） s 调节器仿真

图 系统仿真结构图

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图 转速调节器仿真图

图 电流调节器仿真图

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第三章 PWM脉宽调制

PWM基本介绍

自从全控型整流电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器—直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统。PWM系统在很多方面有较大的优越性： 1.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，调速范围宽，可达1：10000左右；

4.若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强； 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；直流电源采用不控整流时，电网效率因数比相控整流器高。

由于上述优点，在中、小容量的高动态性能系统中，直流PWM调速系统的应用日益广泛[4]。

脉宽调制变换器

在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市电车和地铁电机车等电力牵引设备上，常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电。过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速，在电阻中耗电很大。为了节能，并实行无触电控制，现在多改用电力电子开关器件，如快速晶闸管，GTO，IGBT等。采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，统称为脉宽调制变换器。

直流斩波器-电动机系统的原理如图3—1a所示，其中VT用开关符号表示任何一种电力电子器件，VD表示续流二极管。当VT导通时，直流电源电压Us加到电动机上；当VT关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经VD续流，两端电压接近于零。如此反复，得到电枢端电压波形u=f(t),如图3—1b所示，好象是电源电压Us在ton时间内被接上，又在（T-ton）内被斩断，故称为“斩波”。这样，电动机得到的平均电压为

Ud=(ton/T)*Us=ρ*Us

式中 T---功率开关器件的开关周期 ton---开通时间

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ρ---占空比，ρ= ton/T= ton*f，其中f为开关频率。

图3—1脉宽调制变换器-电动机系统的原理图和电压波形图 a）原理图 b)电压波形图

如图3—2 a)所示，给出了一种可逆脉宽调速系统的基本原理图，由VT1—VT2共4个电力电子开关器件构成桥式（或称H形）可逆脉冲宽度调制（PULSE WIDTH MODULATION，简称PWM）变换器。VT1和VT4同时导通和关断，VT2和VT3同时通断，使电动机M的电枢两端承受电压+ Us或- Us。改变两组开关器件导通的时间，也就改变了电压脉冲的宽度，得到电动机两端电压波形如图3—2 b)所示

图3—2 桥失可逆脉宽调速系统基本原理图和电压波形

a)基本原理图 b)电压波形

如果用ton表示VT1和VT4导通的时间，开关周期T和占空比ρ的定义和上面相同，则电动机电枢端电压平均值为：

Ud=(ton/T)*Us- [（T-ton）/ T]* Us=（2*ton/ T-1）* Us=（2ρ-1）*Us

脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。

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桥式可逆PWM变换器

可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H型）电路，如图3—5所示。

图3—5 桥式可逆PWM变换器

双极式控制可逆PWM变换器的4个驱动电压波形如图3—6所示。

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图3—6 双极式控制可逆PWM变换器的驱动电压、输出电压和电流波形

它们之间的关系是：Ug1=Ug4=-Ug2=-Ug3。在一个开关周期内，当0≤t图3—6也绘出了双极式控制时的输出电压和电流波形。Id1相当于一般负载的情况，脉动电流的方向始终为正；Id2相当于轻载情况，电流可在正负方向之间脉动，但平均值仍为正，等于负载电流。电动机的正反转则体现在驱动电压正、负脉冲的宽度上。当正脉冲较宽时，ton>T/2,则Uab的平均值为正，电动机正转，反之，则反转；如果正、负脉冲相等，t=T/2,平均输出电压为零，则电动机停止。图3—6所示的波形是电动机正转时的情况。

双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为：

tTt2tonononUUU(1)UdsssTTT

若占空比ρ和电压系数γ的定义与不可逆变换器相同，则在双极式是可逆变换器中：γ=2ρ-1就和不可逆变换器中的关系不一样了。调速时，ρ的可调范围为0~1，相应的，γ=（-1）~（+1）。当ρ>1/2时，γ为正，电动机正转；当ρ<1/2时，γ为负，电动机反转；当ρ=1/2时，γ=0，电动机停止。但电动机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而，电流也是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电动机的损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电动机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。

双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点： 1) 电流一定连续；

2) 可使电动机在四象限运行；

3) 电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区； 4) 低速平稳性好，系统的调速范围可达1：20000左右；

双极式控制方式的不足之处是：在工作过程中，4个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。为了克服上述缺点，可采用单极式控制，使部分器件处于常通或常断状态，以减少开关次数和开关损耗，提高可靠性，但系统的静、动态性能会略有降低[4、8]。

5) 低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。

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第四章 基于SG3525的直流脉宽调速的实验系统

系统硬件构成

直流脉宽调速系统的组成如图1所示，由主电路、控制及保护电路、信号检测电路三大部分组成[1、10]。

图1 直流脉宽调速电路

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主电路

二级管整流桥把输入的交流电变为直流电，电阻R为起动限流电阻，C1为滤波电容。可逆PWM变换器主电路系采用MOSFET所构成的H 型结构形式，它是由四个功率MOSFET管(VT1、vT2、VT3、VT4)和四个续流二极管(VD1、VD2、VD3、VD4)组成的双极式PWM可逆变换器，根据脉冲占空比的不同，在直流电机M 上可得到正或负的直流电压。如图2所示：

图2 主电路

控制及保护电路

SG3525为脉宽调制器。由R4、C4、VD5，R5、C5、VD6构成逻辑延时环节。由非门1、2及与门电路3、4构成保护环节。此外，还有隔离及驱动电路。图中的G为电压给定器，ASR为转速调节器，ACR为电流调节器。如图3所示：

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图3 控制及保护电路

检测回路

在VT2和VT4的源极回路中，串接两个取样电阻，其上的电压分别反映流过VT2、VT4的电流，经过差分放大输出一反映电流大小的电压Un ，可作为双闭环系统的电流反馈信号。速度由与电动机同轴连接的永磁发电机TG测量，再经过速度变换器FBS变换为转速反馈信号Ufmc。主回路中的电阻R2有两个作用。第一，可以用来观察波形，R2的阻值取1Ω，其上的电压波形反映了主回路的电流波形。第二，作为过流保护用。当R2的电压超过整定值后，过流保护电路动作，关闭脉冲，从而保护功率MOSFET管。如图3所示：

图3 检测回路

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脉宽调制器SG3525的应用特点及控制功能分析

器件内部结构

SG3525的内部结构主要由基准电压调整器、振荡器、误差放大器、比较器、锁存器、欠压锁定电路、闭锁控制电路、软启动电路、输出电路构成。SG3525是定频PWM电路，采用原理16引脚标准DIP封装。其各引脚功能如图1所示，内部原理框图如图2所示。

图1 SG3525的引脚功能

图2 SG3525内部原理框图

电压调节芯片SG3525 具体的内部结构如图1 所示。其中，脚16为SG3525 的基准

电压源输出，精度可以达到（±1％）V，采用了温度补偿，而且设有过流保护电路。脚

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5，脚6，脚7 内有一个双门限比较器，内电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525 的振荡器。振荡器还设有外同步输入端(脚3)。脚1及脚2分别为芯片内误差放大器的反相输入端、同相输入端。该放大器是一个两级差分放大器，直流开环增益为70dB左右。根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9 和脚1 之间一般要添加适当的反馈补偿网络。

欠压锁定功能

基准电压调整器受15脚的外加直流电压Vc的影响，当Vc低于7V时，基准电压调整器的精度值就得不到保证，由于设置了欠压锁定电路，当出现欠电压时，欠电压锁定功能使A端线由低电压上升为逻辑高电平经过或非门输出转化为P1=P2=A+B+C+D=0，SG3525的13脚输出为高电平，功率驱动电路输出至功率场效应管的控制脉冲消失，逆变器无电压输出。

系统的故障关闭功能

集成控制器内部T3晶体管基极经一电阻连接10引脚。过流保护环节检测到的故障信号使10脚为高电平，由于T3基极与A端线相连，故障信号产生的关闭过程与欠电压锁定过程类似。在本电路中，过流保护环节还输出一个信号到与门的输入端，当出现过流信号时，检测环节输出一低电平信号到与门的输入端，使脉冲消失，与SG3525的故障关闭功能一起构成双重保护。

软起动功能

软起动功能的实现主要由晶体管T3和外接电容C3及锁存器来实现的。当出现欠压或者有过流故障时，A端线高电平传到T3晶体管基极，T3导通为8引脚外接电容C3提供放电的途径，C3经T3放电到零电压后，限制了比较器的PWM’脉冲电压输出，该电压上升为恒定的逻辑高电平，PWM’高电平经PWM锁存器输出至D端线仍为恒定的逻辑高电平，C3电容重新充电之前，D端线的高电平不会发生变化，封锁输出。当故障消除后，A端线恢复为低电压正常值，T3截止，C3电容由50μA电流源缓慢充电，C3充电对PWM’和D端线脉冲宽度产生影响，同时对P1和P2输出脉冲产生影响，其结果是使P1和P2脉冲由窄缓慢变宽，只有C3充电结束后，P1和P2的脉冲宽度才不受C3充电的影响。这种软启动方式，可使系统主回路电机及功率场效应管避免承受过大的冲击浪涌电流。

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其余各部分功能

a.基准电压源: 基准电压源是一个三端稳压电路，其输入电压VCC 可在（8～35）V 内变化，通常采用+15V，其输出电压VST＝，精度±1%，采用温度补偿，作为芯片内部电路的电源，也可为芯片外围电路提供标准电源，向外输出电流可达400mA，没有过流保护电路。

b.振荡电路： 由一个双门限电压均从基准电源取得，其高门限电压VH= V，低门限电压VL=,内部横流源向CT 充电，其端压VC线性上升，构成锯齿波的上升沿，当VC=VH时比较器动作，充电过程结束，上升时间t1为：t1=

比较器动作时使放电电路接通，CT放电，VC下降并形成锯齿波的下降沿，当VC=VL时比较器动作，放电过程结束，完成一个工作循环，下降时间间t2为：

t2= (4-2-5)

注意：此时间即为死区时间

锯齿波的基本周期T 为BR>T=t1+t2 =+CT 因为RD《RT => t2《 t1

由上可见锯齿波的上升沿远长于下降沿，因此上升沿作为工作沿，下降沿作为回扫沿。 c.误差放大器：由两级差分放大器构成，其直流开环放大倍数为80dB 左右，电压反馈信号uf 从端子1 接至放大器反相输入端，放大器同相输入端接基准电压。该误差放大器共模输入电压范围是。

信号产生及分相电路：比较器的反相端接误差放大器的输出信号ue，而振荡器的输出信号uc 则加到比较器的同相输入端，比较器的输出信号为PWM 信号，该信号经锁存器锁存，分相电路由二进制计数器和两个或非门构成，其输入信号为振荡器的时钟信号，并用时钟信号的前沿触发，输出为频率减半的互补方波，这些方波和PWM 信号输入到或非门逻辑电路。其结果是，所有的输入为负时，输出为正。这样P1、P2的输出每半周期交替为正，其宽度和PWM 信号的负脉冲相等。脉冲很窄的时钟信号输入到逻辑或非门电路，可使两个门的输出同时有一段低电平，以产生死区时间。

e.脉冲输出级电路:输出末级采用推挽输出电路，驱动场效应功率管时关断速度更快。11 脚和14 脚相位相差180°，拉电流和灌电流峰值达200mA。由于存在开闭滞后，使输出和吸收间出现重迭导通。在重迭处有一个电流尖脉冲，起持续时间约为100ms。可以在13 脚处接一个约 的电容滤去电压尖峰。

波形的产生及控制方式分析

锯齿波作为载波信号Ur调制信号由9脚输入，此图中，调制信号由可调电位器RP

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上的电压信号Ur’和外加的给定信号Ug叠加而成，RP上的电压信号用于确定脉宽调制波的初始占空比，ug可正可负，用于控制逆变器输出电压的大小和极性，Ug也可以由模拟或数字调节器的输出来控制，构成闭环自动控制系统。集成控制器SG3525的输出侧采用推拉式电路，可使关断速度加快。l1脚、14脚与12脚连接。PWM脉冲由13脚输出，这样能够保证13脚的输出与锁存器的输出一致。有关的电压波形如图3所示。锯齿波与调制波的交点比较

功能由比较器完成，Ut>Ur时，比较器输出的PWM’波形由逻辑低电平变为高电平，Ut工作过程分析

图2为SG3525是各点工作波形

图2 SG3525 各点工作波形

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图3 工作过程分析框图

延时回路

在可逆变换器中，跨接在电源Us两端的上、下两个功率场效应管经常交替工作，由于功率场效应管的关断要有一定的时间。如果在此期间另一个功率场效应管已经导通，则将造成上下两管直通，从而使电源正负极短路。为了避免发生这种情况。设置了由R、C电路构成的逻辑延时环节。保证在对一个管子发出关闭脉冲后，延时2μs左右的时间后再发出对另一个管子的开通脉冲。

直流电动机转速控制及正反控制的实现

四个功率场效应管的基极驱动电路分为两组。VT1和VT4同时导通和关断，其驱动电压Ub1=Ub4；VT2和VT3同时动作，其驱动电压Ub2=Ub3 。调节正负脉冲的电压宽度可实现可逆运行，当正脉冲较宽时，ton >T／2时，则电枢两端的平均电压为正，电动机正转。如果正负脉冲的宽度相等，平均电压为零，则电动机停转。当正脉冲较窄时tonUd=ton/T·Us－（T－ton）/Us=（2ton/T－1）·Us=k·Us （4-3-1）

调整时,只要改变脉宽调制波的占空比就可很方便的改变平均电压的大小和极性。

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双闭环可逆自动调速的实现

如附录图3所示,由电流调节器和电流测量环节构成电流内环,由转速调节器和转速测量环节构成转速外环。两个调节器都是比例、积分调节器,因此,系统能够实现无静差调节。电动机的转速能自动维持在给定的转速下运行。电流环的接入可使闭环系统突加给定起动,此外,电流环还有抑制由电网电压的波动而产生的干扰的作用。要实现可逆运行,只需要改变给定电压的极性即可,不会产生短路现象。

主电路元件参数的选择

本电路所控制的对象为实验室所使用的电动机,功率为185W , Ie = 1A ,Ne = 1500rPmin ,功率场效应管的型号为IRF840 ,开关频率为30MHZ ,主电路二极管采用ZP6 ,反向峰值电压为800V ,电阻R1为RX21 - 8W、47Ω ,R2 的阻值为1Ω ,功率为2W ,滤波电容C1 为330μFP450V ,VD1～VD4 采用反向恢复时间较快的功率二极管50WF40F ,两个取样电阻的阻值为015Ω。

实验结果分析

图4 、图5 、图6 是本双闭环系统正向运行时的一组电流、转速动态波形图(反向运行时的情况与正向类似) ,可以看出,系统的突加给定起动、抗干扰性都优于双闭环晶闸管直流调速系统,而且运行稳定,可以很方便的实现可逆运行。

图5 突加给定起动时。电动机电枢电流、转速波形

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图6 突加额定负载时。电动机电枢电流、转速波形

图7 突减额定负载时，电动机电枢电流、转速波形

采用SG3525 集成脉宽调制器可大大简化脉宽调制电路的设计,调试非常方便,电路控制也很灵活,调速系统直流电压大小调节非常方便,而且能实现可逆运行,增加模拟或数字调节器就可以构成闭环自动控制系统。

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结 论

通过这次设计，我基本上掌握了直流双闭环调速系统的设计。具体的说，第一，了

解了调速的发展史的同时，进一步了解了交流调速系统所蕴涵的发展潜力，并了解了SG3525的功能及构成，掌握了这一方面未来的发展动态，；第二，双闭环直流调速系统的基本组成以及其静态、动态特性；第三，ASR、ACR（速度、电流调节器）为了满足系统的动态、静态指标在结构上的选取，包括其参数的计算；第四，PWM脉宽调制系统的基本原理，组成，并分析了桥式可逆PWM的工作状态及电压、电流的波形；第五，掌握了SG3525的直流脉宽调速的实验系统。

总之，在设计过程中，我不仅学到了以前从未接触过的新知识，而且学会了独立的去发现，面对，分析，解决新问题的能力，不仅学到了知识，又锻炼了自己的能力，使我受益非浅。

论文的主要工作如下。

掌握电机传动的工作原理及应用； 掌握基于SG3525的直流脉宽调速系统；

包括：可控硅整流电路，触发电路设计；电流调节器设计；转速调节器设计； 完成相关实验。

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致 谢

感谢我的毕业设计指导老师杨柏松老师以及在我做毕业设计过程中给予我较大帮助

的辅导老师，没有他们的帮助，我是无法顺利的完成这次设计的，再次向辅导老师表示感谢。

毕业设计是学生在校期间最后一个重要的综合性实践环节，是学生全面运用所学基础理论、专业知识基本技能，对实际问题进行设计和研究的综合训练。正是有了这次设计，让我在大学三年的最后一个学期过的丰富而又充实，我应该拿出作毕业设计的这份精神和态度去面对以后工作中所面临的难题，为以后的发展打下坚实的基础。

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参 考 文 献

[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统.机械工业出版社，2002 [2]邹伯敏.自动控制理论.机械工业出版社 2003

[3]章燕申,袁曾任.控制系统的设计与实践.清华大学出版社, [4]王兆安,黄俊.电力电子技术.机械工业出版社，2002

[5]张柳芳,王彦辉.速度和电流双闭环直流调速系统的设计. 新探平顶山师专, [6]周渊深.交直流调速系统与MATLAB仿真.中国电力出版社,2003.

[7]王果,朱大鹏.直流电机双闭环调速系统的工程设计方法仿真.兰州交通大学, [8]徐月华,汪仁煌.Matlab在直流调速设计中的应用.广东工业大学,

[9]麻鸿儒,刑大成,谭敦生,曾令全.电力传动控制实验指导书.东北电力大学电机实验室, [10]马葆庆,孙庆光.直流电动机的动态数学模型.电工技术,

[11]陈伯时.电力拖动自动控制系统—远动控制系统.机械工业出版社,2003 [12]廖晓钟.电气传动与调速系统.中国电力出版,1998

[13]顾德英，张海涛，王铁.神经元调节器在双闭环直流调速系统中的应用.辽宁：辽宁 工程技术大学学报，2002年2月19卷第一期

[14]WANG Wei-hong,ZHANG Jing-gan The Application of MATLAB Language in Teaching theDouble-closed-loop Timing System JOURNAL OF EEE 2003,25(3)

[15] control techniques for three-phase voltage-source PWM converters:A Survey,”IEEE Industrial Electronics, 1998，45（5）691-703

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附 录

表一 各种整流电路是失控时间（f=50HZ） 整流电路形式 最大失控时间Tsmax/ms 单相半波 20 平均失控时间Ts/ms 10 5 单相桥式（全波） 10 三相半波 三相桥式

表二 典型Ⅰ型系统动态抗扰性能指标与参数的关系（KT=）

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图3基于SG3525的双闭环直流脉宽调速系统电路

图3 基于SG3525的双闭环直流脉宽调速系统电路

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