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电机调速设备的元件选择与结果测试
编辑:娱乐吧亚洲第一品牌 发布日期:2018-08-30

  直流电动机由于有着广泛(extensive)的起制动性能(xìng néng),宜于在广泛范围(fàn wéi)内平滑调速,且直流拖动系统在理论上和实践上都比较成熟,因而目前应用(application)广泛。微型电动机是指直径小于160mm或额定功率小于750W的电机,微型电动机常用于控制系统或传动机械负载中,用于实现机电信号或能量的检测、解析运算、放大、实行或转换等功能。娱乐吧亚洲第一品牌由于临界转差率反比于电源频率,可以在临界转差率接近1时直接启动,因此,过载能力和启动性能不再需要过多地考虑,而要解决的关键问题是如何改善电动机对非正弦波电源的适应能力,及确保电机的使用寿命。电动机按使用电源不同分为直流电动机和交流电动机,电力系统中的电动机大部分是交流电机,可以是同步电机或者是异步电机(电机定子磁场转速与转子旋转转速不保持同步速)。直流马达在一定范围内无极平滑调速系统来说,以调节电枢电压的方式最好。
  脉冲宽度调速实质上是调压调速方式中的一种。随着电力电子技术(Technology)的发展,采用全控型电力电子器件组成的直流脉冲调制型的调速系统已发展成熟,用途越来越广,与传统(chuán tǒng)的V-M系统相比,在很多方面有很大的优越性。因而本文探讨基于SG3525控制的脉宽调速装置的原理(Maxim)及电路构成。
  2脉宽调速主电路脉宽调速主电路按电路能否始终保持电流(Electron flow)连续分为受限式和非受限式两种,而按输出电压极性是否单一又分为单极性和双极性两种类型。本文中装置系统结构(Structure)图采用的是H型变换器。采用恰当的控制方式可让其工作于双极性非受限式的状态下。功率开关管VT1和VT4同时导通和关断,其驱动(Driver)电压U g1=U g4;VT2和VT3同时动作,其驱动电压U g2=U g3=-U g1。经分析易知,不论电流路径如何,只要VT1和VT4上加的是正向的控制信号,电机电枢两端电压U AB=U s(U s指电容两端电压),只要VT2和VT3两端加的是正向的控制信号,电机电枢两端电压U AB=-U s。设VT1开关周期为T,一个周期内VT1上所加正向控制信号的时间是t on,则电机电枢的平均电压为:U d=(t on/T)×U s-(T-t on)/T×U s={(2t on/T)-1}U s令ρ=(2t on/T)-1.当ρ为正值时电机正转,当ρ为负值时电机反转。ρ为零为电枢两端平均电压为零,电机不转。虽然电机不动,电枢两端的瞬时电压和瞬时电流都不是零,而是交变的。这个交变电流平均值(The average value)为零,不产生平均转矩,徒然增大电机的损耗。但它的好处是使电机带有高频的微振,起着所谓“动力润滑”的作用(role),消除正、负反向时的静磨擦死区,使电机低速时有较好的动静态特性。
  电枢电压极性在每个周期内都是变化的,但是开关管的频率做得很高,电机运行时由于惯性其转速瞬间不会变化,再加上电枢电感对电流有滤波作用,所以电机转速可以认为是稳定(说明:稳固安定;没有变动)的。但是这里的稳态,指的是电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态,电枢电流实际上是周期变化的,只能算是准稳态。脉宽调速系统在准稳态下的机械(machinery)特性是其平均转速与平均转矩(电流)的关系。
  3SG3525A构成的脉宽调制器控制电路3.1芯片(又称微电路)的内部结构及工作原理采用集成芯片产生PWM信号进行控制具有线路较为简单,易于控制,无需编程等特点,是目前PWM常用的方法(method)。美国硅(silicon)通企业(Company)的SG3525A是性能优良,功能齐全,通用性强的单片集成PWM控制器。其内部结构如所示。基准电压部分对内部供电,对外作为基准参考电压;振荡器产生近似的锯齿波,锯齿波的频率由和振荡器相连接的外接的电阻电容决定,同时对应于锯齿波的下降沿产生一时钟脉冲CP;在时钟脉冲CP的作用下,分相器(T触发器)的两输出端产生两相位相反的方波信号,其频率是锯齿波频率的一半;误差放大器是差动输入放大器,同相输入端端2接给定电压,闭环控制制时反向输入端1接反馈电压,端9和端1之间接入适当的反馈网络(Network)构成调节器可满足系统动静特性的要求;外加于端9的信号和误差放大器的输出叠加于比较器的一反向输入端,比较器的同相输入端加振荡器产生的锯波信号,这样比较器的输出端产生PWM信号,改变外加于端9的信号或来自于端2的反馈信号或端1的给定信号均可改变PWM信号的占空比;内部PWM锁存器可以使关闭更可靠;两个输出级结构是一样的,门电路输出上侧为或非门,下侧为或门,门电路的输入A端,C端和D端所加的信号是一样的,分别是欠压锁定输出,时钟脉冲CP和来自锁存器的PWM信号,分相器的两输出端分别加到两输出级的门电路B端,由于分相器输出两相位相反的方波,所以芯片两对外输出端输出的是两波形一样而相位相差180°的PWM信号,而且频率是比较器产生的PWM信号的一半。另外此芯片还带有闭锁控制,软起动,欠压锁定功能。
  本装置结构图中SG3525A的5、6、7管脚接上恰当的固定大小的电阻电容,以决定最终输出的PWM信号的频率。管脚9开环时加给定信号,闭环时加ACR(或ASR)的输出,9端所加电压的大小决定PWM的占空比。定频调宽控制方式。13端作为PWM信号的输出端。
  3.2逻辑延时环节主电路功率开关管的控制所需要信号是对角上两管控制信号相同,而同一桥臂上的控制信号相反。这样主电路需要两路互为反向的控制信号。SG3525A的13端的输出信号作为一路信号,其经过一反向器后作为另一路信号即可满足所需。
  虽然目前的工艺( technology)水平可以使电力电子半导体开关器件开关频率做得很高,但其导通和关断仍会占用一极短的时间,控制信号消失的瞬间并不意味着功率开关管就真正关断。假如一功率开关管的控制信号刚消失的同时给同一桥臂另一功率开关管加控制信号很可能造成同一桥臂的两管子同时导通而形成对电源(power supply)短路。为了避免这种情况发生,设置(set up)了逻辑延时环节。逻辑延时环节的晶体二极管使低电平信号或说负信号照样通过,R,C延迟高电平信号向后传送的时间。这样就可以保证一功率开关管可靠关断后再给与其同一桥臂上的功率开关管加高电平信号,避免其同时导通。
  在逻辑延时环节中还可以引入保护信号,例如瞬时动作的限流保护信号,一旦桥臂电流超过允许最大电流值时,使VT1、VT4(或VT2、VT3)两管同时封锁,以保护功率场效应管。
  3.3隔离与驱动环节先容本脉宽调速装置中主电路是强电,控制电路属弱电。控制电路对主电路进行控制时就需要隔离环节。这里隔离环节采用光耦隔离。SG3525A产生的PWM信号较小,不能直接驱动大功率的开关管。所以要加上驱动环节。本装置功率开关器件用的是MOSFET,可以选择(Select)用专用的集成驱动芯片。
  4系统结构图中电阻Rc主要是为了观测电机电流波:“TG”为测速发电机,将转速转化为电压信号。装置可工作于开环也可工作于闭环,闭环所用的转速调节器(ASR),电流调节器(ACR),N(r/min)14001245116611001037920 Id(A)0.050.250.500.620.821.1 n(r/min)500375322275195175 Id(A)0.040.250.50.681.0 1.1及电流检测(jiǎn cè)反馈均未给出。
  5主要元件的选择本装置的控制的直流电机参数(parameter):P n=185W,I n=1.1A,n=1500r/min;功率开关器件(场效应管)选择I RFP 450(VDDS=500V,RDS(on)=0.40Ω,ID=14A);VD1~VD4采用反向恢复时间较快的功率二极管54WF40F;驱动集成芯片用高压高速MOS功率器件栅极驱动集成芯片IR2110;光耦器件6N137(其响应频率高);反向器集成芯片CD4049;与门集成芯片CD4073.
  6测试结果PWM信号的频率为10kHz;逻辑延时时间为t d=3.1μs;稳定运行时的最低转速为:65r/min;最高转速为1701r/min;调速范围D≈26;开环时机械特性测试:空载时使电机转速为n=1400r/min,逐渐增加电机负载至额定,在此范围内取几个测试点,记录转速n,电枢电流i d和转矩。空载时n=500r/min同上测试。结果分别记录如下:表1空载n=1400r/min表2空载n=500r/min 7结束语采用直流PWM专用集成电路SG3525A进行设计(Design)可大大简化脉宽调制器的设计与调试,电路控制也非常方便。SG3525A控制的直流电机脉宽调速装置调速范围宽,低速性能好,整体性能优良,实用性强。只是受目前电力电子功率开关器件容量(Capacity)的限制,脉宽调速在大功率直流电机调速系统中还未得到应用。

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