實驗三十三雙閉環(huán)控制的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)(H橋)

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1、 實驗三十三 雙閉環(huán)控制的直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)（ H橋） 一、實驗目的 (1) 了解 PWM全橋直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理。 (2) 分析電流環(huán)與速度環(huán)在直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用。 二、實驗所需掛件及附件 序號 編號 備注 1. DJK01 電源控制屏 該掛件包含“三相電源輸出” ， “勵磁電源”等幾個模塊。 2. DJK08可調(diào)電阻、電容箱 3. DJK09 單相調(diào)壓與可調(diào)負載 4. DJK17 雙閉環(huán) H橋 DC/DC變換直流

2、 調(diào)速系統(tǒng) 5. DD03-2 電機導軌﹑測速發(fā)電機及轉(zhuǎn) 或 DD03-2電機導軌、光碼盤測 速表 速系統(tǒng)及數(shù)顯轉(zhuǎn)速表 6. DJ13-1 直流發(fā)電機 7. DJ15 直流并勵電動機 8. D42 三相可調(diào)電阻 9. 慢掃描示波器 自備 10. 萬用表 自備 三、實驗線路及原理 252 本實驗系統(tǒng)原理框圖如圖 5-12 所示：

3、 圖 5-12 雙閉環(huán) H 橋 DC/DC變換直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖 (1) 系統(tǒng)組成 給定值 Ug 與速度反饋量 Ufn 疊加后經(jīng)速度調(diào)節(jié)器 ASR的 PI 調(diào)節(jié)作為電流環(huán)的給定輸入，它與電流反饋量 Ufi 疊加后經(jīng)電流調(diào)節(jié)器 ACR的 PI 調(diào)節(jié)向 PWM 調(diào)節(jié)器輸出一控制電平 Uc ，PWM調(diào)制器產(chǎn)生一頻率不變的矩形脈沖波，其脈 沖寬度即占空比將隨 Uc 值的變化而改變，其占空比可調(diào)范圍 0 1。此 PWM 脈沖經(jīng)邏輯延時，功放、隔離等處理后，送到開關器件（ IGBT 管）的柵極。 外加直流電源 Us 經(jīng) H 全

4、橋逆變電路輸出一與占空比 相對應的調(diào)制電壓，經(jīng) 平波電抗器 Ld 驅(qū)動直流電機 M，發(fā)電機 G則作為電動機的負載，由同軸上的 測速發(fā)電機取得速度反饋信號。電流反饋信號取自主電路的取樣電阻 Rs 兩 端。 (2)PWM的生成原理 在圖 5-12 中，PWM調(diào)制器用于產(chǎn)生一路 PWM脈沖波 , 它是由專用芯片 TL494 產(chǎn)生，其內(nèi)部原理圖如圖 5-13 所示： 253

5、 圖 5-13 TL494 的內(nèi)部原理圖 在本實驗中，把 PWM調(diào)制器接成圖 5-14 所示： 圖 5-14 PWM 波形發(fā)生器外圍接線圖 254 上圖中只利用了 TL494的一組輸出脈沖。 只要控制 TL494 的輸入端即 “ 1”腳輸入一電平 , 即可以在輸出端“ 8”腳相應地得到占空比可調(diào)節(jié)的 PWM脈沖 , 其中 PWM脈沖的

6、頻率為 5.7KHz。 (3)H 橋逆變電路結(jié)構(gòu)原理 H橋 DC/DC逆變電路的結(jié)構(gòu)圖如圖 5-15 所示。 圖 5-15 雙閉環(huán) H 橋 DC/DC變換直流調(diào)速系統(tǒng)功能原理框圖 本實驗系統(tǒng)的主電路采用單極性 PWM控制方式，其中主電路由四個 IGBT 管構(gòu)成 H橋，G1～ G4分別由 PWM產(chǎn)生電路產(chǎn)生后經(jīng)過驅(qū)動電路放大，再送到 IGBT 相應的柵極，用以

7、控制 IGBT 管的通斷。單極性的控制方式是這樣進行 控制的：在圖 5-15 中，左邊兩個管子的驅(qū)動脈沖 UG1=-UG2，使 VT1和 VT2交 替導通；而右邊兩管 VT3、VT4因電機的轉(zhuǎn)向施加不同的直流控制信號。 在電 機正轉(zhuǎn)時， VG4 恒為正， VG3恒為負，使 VT4常通， VT3截止。在電機反轉(zhuǎn)時， VT4 截止而 VT3常通。四個快恢復二極管 VD1～VD4用于逆變電路的續(xù)流。 255 其中電流調(diào)節(jié)器的電流反饋量是由主回路中的取樣電阻 Rs 進行取樣的。 速度反饋量取自測速發(fā)電機輸出的電壓值。 本實驗系統(tǒng)可設定不

8、同的給定量、 速度反饋量及電流反饋量， 以完成開環(huán)、電流單閉環(huán)、速度單閉環(huán)及雙閉環(huán)的調(diào)速實驗。 由于給定量 Ug 恒為正，因此速度反饋量必須為負值，在需用到速度閉環(huán) 時必須檢測測速發(fā)電機提供的輸出電壓的極性，將正端連接到面板 T1 端，負值端連接到面板的 T2 端( 面板上左邊的接線柱為 T1, 右邊的接線柱為 T2 端) 。面板上的轉(zhuǎn)向選擇開關改變，速度信號與 T1、 T2 端的連線也相應改變。 四、實驗內(nèi)容 (1) 觀測并記錄在電機正、 反轉(zhuǎn)時，H橋四個臂開關器件的不同控制邏輯。 (2) 觀測并記錄電樞回路電流 I d 隨給定電壓 Ug、負載電阻 Rg 改變

9、的波形。 (3) 電機的正、反轉(zhuǎn)機械特性 n=f （I d）的測定。 (4) 電機的正、反轉(zhuǎn)控制特性 n=f （Ug）的測定。 五、預習題 (1) 在驅(qū)動脈沖形成過程中，為什么要加邏輯延時（死區(qū)） ，延時過長會影響那些指標？ (2)H 橋變換器的單極式工作模式與雙極式工作模式相比有哪些特點？ (3) 加大轉(zhuǎn)速反饋深度會對調(diào)速系統(tǒng)哪些指標產(chǎn)生影響？六、實驗方法 (1) 電機在正、反轉(zhuǎn)時 H橋開關器件控制波形的觀測： 按系統(tǒng)原理圖 1-1 連接線路。此時測速發(fā)電機輸出暫不接入控制系統(tǒng)中。 電流反饋量電位器調(diào)至零，使系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)。閉合

10、本調(diào)速系統(tǒng)的控制電 源，再閉合提供的直流電源 Us。 用示波器觀測 TL494 輸出的 PWM脈沖，通過調(diào)節(jié)給定電壓量調(diào)節(jié)電位器 使輸出脈沖占空比為 =100%，用萬用表測量此時的 Uc=U ，并記錄之。 cmax 調(diào)節(jié) Ug至占空比約 50%，用雙蹤示波器同時觀測面板上驅(qū)動正脈沖 G1-E1 256 與負脈沖 G2-E2 的輸出信號，適當調(diào)節(jié)示波器掃描時間使脈沖上升、下降沿 關系清晰，并記錄之。 給定電壓 Ug 由最小值 0 逐漸上調(diào)使 Uc 逐漸上升至 Ucmax，將此過程中 G1-E1、G2-E2、G3-E3、G4

11、-E4 的占空比變化過程填入下表： 為了在實驗中用雙蹤示波器測量 G1～G4的波形而不造成短路現(xiàn)象， 因此G1～G4的波形是在光耦隔離器的輸入端取出的， 它只反映波形的占空比隨輸 入控制電平及正反轉(zhuǎn)控制的變化，并不能代表送到 IGBT 管的柵極的實際波形。本實驗中， G1，G2的波形是通過射極跟隨輸出的，它的峰值約為 4.4V ，而送到 IGBT管的實際驅(qū)動波形的峰值為 15V。在實驗中對這個現(xiàn)象能加以分析。 (2) 電樞回路電流波形的觀測：重復步驟 1。 為了觀測電樞回路的電流

12、波形，將圖 5-12 電樞回路中 A 點處連線斷開， 串入 1 /10W 固定電阻 R，將面板上的轉(zhuǎn)向選擇開關撥到“正轉(zhuǎn)” ，示波器探頭接 R兩端，閉合直流電源。 將 Ug 逐漸調(diào)至 Uc=Ucmax，調(diào)節(jié)發(fā)電機的負載電阻 RG 使 I d=I ed，慢慢減少 Ug 的值 , 觀測電動機電樞回路電流 I d 的變化，選典型波形記錄之。 調(diào)節(jié)給定電位器 Ug 使 Uc 由高電平快速下降 , 觀測 I d 的穩(wěn)定過程。 (3) 系統(tǒng)開環(huán)機械特性的測定重復步驟（一）中的 1。 257 逐漸增加給定電壓 Ug 使電機啟動，升速；調(diào)節(jié)

13、給定 Ug 與負載電阻 RG使 電動機 I d=I ed，n=1200rpm。其中 I ed 指電機的額定電流。 Ug 不變，改變 RG使 I d 逐漸下降，測出相應的轉(zhuǎn)速 n 及電流平均值 I d， 記錄于下表： n(rpm) I d(A) (4) 系統(tǒng)閉環(huán)特性的測定 將電流反饋量調(diào)節(jié)電位器調(diào)到最高端。 轉(zhuǎn)向選擇開關撥至“正向” ， Ug 0，電動機啟動后，測量測速發(fā)電機輸 出電壓，將高電位端接入速度反饋的 T1 端，低電位端接入 T2，以保證速度 反饋為負值。 閉環(huán)機械特性的測定 ①調(diào)節(jié)

14、給定 Ug、轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋調(diào)節(jié)電位器使電機轉(zhuǎn)速 n=1200rpm，這時 Un=-0.9V，Ui=0.4V ， Ug=1.89V。改變負載電阻 RG，將平均電流 I d 及轉(zhuǎn)速 n 記錄于下表。 ②調(diào)節(jié)給定 Ug、轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋調(diào)節(jié)電位器使電機轉(zhuǎn)速 n=1000rpm，這時 Un=-0.76V，Ui=0.33V ，Ug=1.58V，改變負載電阻 RG，將相關 I d 與 n 記錄于下表。 轉(zhuǎn)速： 電流： n（rpm） 1200 Id （A） n（rpm） 1000 Id （A） ③將轉(zhuǎn)向選擇開關為“反向”重復確定測速發(fā)電機電壓的接入

15、極性；再 258 測定其閉環(huán)機械特性，如實驗方法中的 4，并記錄于上表。 閉環(huán)控制特性的測定 調(diào)節(jié)給定 Ug 及負載電阻 RG，使系統(tǒng)穩(wěn)定在 I d=I ed， n=1200rpm，逐漸降低 Ug，記錄相關的 Ug 與 n 于下表。 正轉(zhuǎn) n（ rpm） Ug（V） 反轉(zhuǎn) n（ rpm） Ug（V） 動態(tài)波形的觀測 ①使電機穩(wěn)定于 n=1200rpm，Ug 不變；突加、突減負載（60%Id～ 100 I d） 時的 i d、 n 波形。 ②改變電流反饋量及轉(zhuǎn)速反饋量，重復上述（ 1）的步驟。 七、實驗報告 (1) 按照實驗方法 3 記錄的波形描述導通臂與關斷臂切斷狀態(tài)時的控制邏輯原則。 (2) 畫出上述實驗中記錄的各工作特性曲線n=f （zd），并比較它們的靜 差率。 (3) 畫出閉環(huán)控制特性曲線 n=f （ Ug）。 八、注意事項 (1) 為保證系統(tǒng)在負反饋狀態(tài)下運行， 測速發(fā)電機輸出電壓極性與控制系統(tǒng)的連接必須正確。 (2) 在測量電樞電流時，應將轉(zhuǎn)速開關撥到“正向” ，以保證示波器“地”為低電位。 (3) 在 Ug 下調(diào)，使電機減速時，應緩慢調(diào)節(jié)。 259