电子电路]基于plc的直流电机调速系统设计

电子电路]基于plc的直流电机调速系统设计内容摘要：

[2][12]，其中 GM为三角波振荡器， UPW 为脉宽调制器， GD为基极驱动器 , PWM为脉宽调制变换器， FA为瞬时动作的限流保护环节。 电动机 M的转速 n由测速发电机 TG测量，速度反馈信号Un 与速度给定电压 Um* 同时加在速度调节器 ASR的输入端，构成调速系统的速度外环。 电动机的电枢电流 Ia 由电流传感器 TA检测，其输出电压 Ui 与速度调节器输出电压 Ui*同时加到电流调节 器 ACR 的输入端，构成调速系统的电流内环。 M_ _ T G_ _ F AP W MG DD L DU P WG MA C RA S RUsUdT AUcUiUi*__UnUn*+ + 图 24 双闭环控制的脉宽调速系统原理框图 （一） 锯齿波发生器，如图 25，它是由两个运算放大器组成，它们形成自激震荡， A1输出正负对称的方波脉冲， A2输出锯齿波。 这种锯齿波发生器线性度好，调整简便，在工程中应用广泛，其震荡频率为 [4] )2(4 )( 5414 542 RRCRR RRRf X  (21) 式中， X 为电位器 RP的分压系数。 ++A1++A2Rb a l 4Rb a l 3R1R2R3R4R5CV Z1V Z2RPαXUo 2 图 25 锯齿波发生器 （二）脉宽调制器 [4] 这是最关键的部件，它是将输入直流控制信号转换成为与之成比例的方波电压信号，以便对电力晶体管进行控制，从而得到希望的方波输出电压。 实现上述电压 — 脉宽变换功能的环节称为脉冲宽度调制器，简称脉宽调制器。 +A3UP W MR0R0R0RbUsaUbUc 图 26 脉宽调制器 图 26 为脉宽调制器的原理图，它是一个电压 脉宽变换电路，由 ACR 输出的控制电压 Uc进行控制，其输出电压的脉冲宽度与 Uc成正比。 运算放大器 A3工作在开环状态，它能输出正、负的饱和电压。 它的输入端有三个信号，除 Uc外，还有调制信号 Ua（也就是图 25 的 Uo2）和偏移电压 Ub。 控制电压 Uc的极性与幅值随时可变，与 Uo2相减，从而在运算放大器 A3的输出端得到周期不变、脉冲宽度可变的调制输出电压 Upwm。 为了在 Uc=0 时电压比较器的输出端得到正、负半周期脉冲宽度相等的调制 输出电压 Upwm；另一个输入信号端是加一负的偏移电压 Ub，其值为 max21 sab UU  这时 Upwm如图 27a 所示。 当 Uc0 时，使输入端合成电压为正的宽度增大，即锯齿波过零的时间提前，经比较器倒相后，在输出端得到正半波比负半波窄的调制输出电压（图 27b）。 当 Uc0时，输入端合成电压被降低，正的宽度减小，锯齿波过零时间后移， 17 经倒相，得到正半波比负半波宽的输出信号（图 27c）。 us aup w mc ) uc 0tttttttttus aus aooo oooooous a+ uc+ ubus a+ uc+ uba ) uc= 0b ） uc 0us a+ uc+ ubup w mup w m 图 27 锯齿波脉宽调制波形图 （二）基极驱动电路 [4][2][11] 脉宽调制器输出的脉冲信号经过信号分配和逻辑延时后，送给基极驱动电路作功率放大，以驱动主电路的电力晶体管，每个晶体管应有独立的基极驱动电路。 为了确保晶体管在开通时能迅速达到饱和导通，关断时能迅速截止，正确设计基极驱动电路时非常重要的。 基极驱动电路有多种，下面介绍一种集成电路，它可以使电力晶体管具有多种自保护功能，且保证电力晶体管运行于参数最优的条件下。 大规模集成电路 UAA4002是为一塑封 16引线双列直插式集成电路，是由法国汤姆森半导体公司研制和生产。 其端子排列与原理图如图 28所示。 RTIN H123456781 61 51 41 31 21 11 09UAA 4002IB 1UUC CUC EICRS DRDG N DIB 2ECTRUS H程 序 流 程 图P L C 的 型 号 选 择P L C 模 块 选 择I / O 分 配 ， 设 置 和 安 装系 统 联 机 调 试系 统 投 入 运 行软 件 设 置编 辑 应 用 程 序程 序 的 修 改 和 调 试确 定 控 制 对 象 及 控 制 范 围软件设计硬件设计 图 28 UAA4002模块 14脚：接正电源； 2脚：接负电源； 9脚：接零，提供参考的电位； 5脚：输入端； 3脚：封锁端，高电位时完全封锁输出信号，零电位时选择电位输入； 16脚：经一小电阻 RB接被驱动功率晶体管基极，输出正向驱动电流 IB1； 1脚：经一小电感 L接驱动功率晶体管基极，输出反向基极关断 电流 IB2。 15脚（ V+）：是 UAA4002输出级电源输入端，经一外接电阻接到正电源 VCC； 7脚：最小导通时间整定值。 它经一电阻 RT接零，从而整定 tonmin，在 1~12181。 s间调节。 为了使开关辅助网络中的电容充分放电，逻辑处理器的输出脉冲有一最小的宽度，这个最小导通时间必须至少是 RCD网络时间常数的四倍。 tonmin保护是最高优先保护，在 tonmin内无任何其它保护能中止导通 tonmin保护功能不能舍弃不用。 8脚 :最大导通时间整定端。 它经一电容 CT接地。 tonmax保是一重要保护。 11脚 :退饱和保护 阐值整定端。 它经一电阻 RSD接零，从而整定退饱和保护阂值； 12脚 :功率晶体管集电极电流限制端。 电流信号输入为负，绝对值 0. 2V时，过流保护动作。 若封锁该功能， 12脚直接接地； 13脚 :通过抗饱和二极管接被驱动晶体管的集电极。 起到抗饱和作用。 （三）脉宽调制变换器 [1][3][4][5][10] 可逆 PWM变换器主电路的结构有 H型， T型等类型，本论文主要讨论的是常用的H型变换器，它是由 4个电力晶体管和 4个续流二极管组成的桥式电路。 H型变频器在控制方式上分双极式、单极式和受限单级式三种。 这里着重分析双极 式 H型 PWM变换器。 19 ub 3U sub 1V T 1V T 2V D 1V D 2M_ _A Bub 2ub 4V T 4V T 3V D 3 V D 4ia12 43 图 29 H 型双极性可逆 PWM变换器 H 型 PWM 变换器的开关器件分为 VT1， VT4 和 VT2， VT3 两组进行通、断控制。 组内两器件 VTl， VT4 同时导通或关断，两组间的器件 VTI， VT4 和VT2， VT3 则是交替的导通和关断，其栅极驱动信号规律为 ub1 =ub4， ub2=ub3=ub1。 工作状态与波形如下： (a) 正向运行，如图 210 所示 第 1 阶段，当电机工作在轻载情况下，在 0≤ tton期间， ubl ， ub4为正， VT1 和 VT4 导通； ub2 、 ub3为负， VT2 和 VT3 截止。 电枢电流 ia沿回路 1(经 VTl 和 VT4)流通，电动机两端电压 UAB=+US。 第 2 阶段，在 ton≤ t T 期间， ubl 、 ub4为负， VTI 和 VT4 截止； ub2 、 ub3为正，在电枢电感 La的作用下，电枢电流沿回路 2(经 VD2 和 VD3 )流通，电动 机两端电压 UAB= US。 (b) 反向运行，如图 211 所示 第 1 阶段，在 0≤ tton期间， ub2 、 ub3为负， VT2 和 VT3 截止， VD1， VD4 续流，并钳位使 VT1 和 VT4 截止。 电枢电流 id沿回路 4(经 VD4 和 VD1)流 通，电动机两端电压 UAB = +US。 第 2 阶段，在 ton≤ t T 期间， ub2 、 ub3为正， VT2 和 VT3 导通， ubl 、ub4为负，使 VTl 和 VT4 保持截止。 电枢电流 id沿回路 3(经 VT2 和 VT3)流通，电动机两端电压 UAB = +US t USUdEidTto n+ USoUS/ i 图 210 正向电动运行时电压、电流波形 US/i+tonTotidEUdUS 图 211 反向电动运行时电压、电流波形 双极式控制方式是指在一个 PWM 周期里，电机电枢的电压极性呈正负变化。 因此其平均电压 Ud 计算公式为： ssonsonond UUTtUT tTTtU )12()12()(   式中 a 一 ton/T 为 PWM 波形的占空比； 由上式可知，电枢绕组所受的平均电压取决于占空 比 α 的大小，当 α =0 时，Ud=Us，电动机反行，且速度最大；当 α =1 时， Ud=Us，电动机正行，且速度最 21 大。 当 a=1/2 时， Ud = 0，电动机不动。 但电枢两端的瞬时电压和流过电枢的瞬时电流都不为零，而是交变的。 这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增加了电动机的损耗，当然是不利的。 但是这个交变电流使电动机产生高频微振，可以消除电动机正、反向切换时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用，有利于快速切换。 双极式可逆 PWM 变换器的优点是 :电流一定连续，可以使电动机实现四 象限动行。 电动机停止 时的微振交变电流可以消除静摩擦死区。 低速时由于每个电力电子器件的驱动脉冲仍较宽而有利于保证器件的可靠导通。 低速平稳性好，可达到很宽的调速范围。 双极式可逆 PWM 变换器存在如下缺点 :在工作过程中，四个电力电子器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且容易发生上、下两只电力电子器件直通的事故，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。 PWM 调速系统的主要参数 采用电力晶体管的 PWM 调速系统不同于其它直流调速系统的特殊问题主要有： ； 和 PWM 变换器 的传递函数； 管的安全区与缓冲电路； ，开关损耗及最佳开关频率；。 针对上面的问题就涉及到以下的参数 [2]。 PWM调速系统在电流连续情况下的电流脉动与转速脉动进行分析，得到 sld ITTi )1(   (22) oslm TT T  812）（  （ 23） 当ρ =，脉动量达最大 sld ITTi 4max  (24) lmosTTT322max   (25) 对双极式可逆 PWM调速系统在电流连续情况下的电流脉动与转速脉动进行分析，得到 sld IT Ti 2 )1(2 (26) lmos TTT16 2max   (27) sld ITTi 2max  (28) PWM变换器合起来可以看成是一个滞后环节，其传递函数在满足 Tc 31时，可近似为 1)(  TsKsW PW MPW M (29) 求出脉宽调制变换器的传递函数后 ，便可画出双闭环脉。