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实验三 电流检测与电流闭环控制特性实验341 实验目的1掌握电流检测系数的测定方法;2了解电流闭环系统的组成、原理及各单元的工作原理;3掌握电流闭环的调试步骤及参数整定方法;4测定电流闭环系统的静动态性能指标。342 系统组成与电路原理电流闭环部分的系统框图如图 3-39 所示。图 3-39 电流闭环部分系统框图在图 3-39 中 UPE 为可控电源主要由开关电源芯片 SG3525A,IGBT/ 功率场效应管驱动芯片 IR2132 和功率场效应管 IRF3710 组成。PWM 信号由 SG3525A产生,由于 SG3525A 9 脚的输入端电压 Uc 只能在 0.9V 到 3.3V 之间变化。特别当 Uc 低于 0.9V 后,没有 PWM 信号产生,H 桥输出为 0V,电机不转。当Uc 略高于 0.9V 后,又能产生 PWM 信号,这时 PWM 信号为占空比接近100%,电机上平均电压为电源电压,这时电源全压加在电机上会产生很大的冲击。当 SG3525A 9 脚的输入端电压 Uc 高于 5.5V 时,PWM 信号的占空比会发生大幅度变化(突变) ,同样也会造成对电机、电源系统很大的冲击。所以电流调节器输出与 PWM 发生器 SG3525A 输入端之间应插入电平偏移电路,将电流调节器输出10.5V 电压范围转换为开关电源芯片 SG3525A 所需的0.9V3.1V 之间输入电压范围,电平偏移电路见图 3-40 所示。具体电路参数的设计过程见实验步骤 1。电流检测电路有二个电路,应用时只用其中之一,两个电路下面分别介绍,本次实验使用后者作为电流检测装置。(1)采用差动放大器构成的电流检测电路:电流检测电路由 3 块 OP07 组成典型的三运放仪用放大器检测串联在电机电枢回路 0.1 欧采样电阻(应采用10W 左右的大功率电阻)上的压降,这种电路能够反映电机正反转动时电流的极性,但在采样电阻上有很强的共模干扰,而仪用放大电路有很高的共模抑制比,能在强共模干扰下工作,电路如图 3-41 所示。图中 R1 为电流采样电阻,R2、R3、R8、R9 组成分压电路,因为在采样电阻 R1 上的共模电压高达 30V,超过运放 OP07 所能承受的 15V,所以通过分压电路使共模电压降到 15V 以下,才能保证仪用放大器能够正常工作。图 3-41 采用差动电路的电流检测电路电流反馈系数 值的求取。当 Ia=10A 时,0.1 欧电阻上的压降为 1V,降压1/3 后为 0.333V。仪用放大倍数应为 13V/0.3333V=39 倍,式中 13V 为电流环给定值,即速度调节器输出饱和值。根据图 3-41,求仪用放大器的放大系数的公式为:K= (1+ 2R10/W) =1+100/2.631=39 倍,所以当 Ia=10A 时,电流检测电路输出 If=13V。 (注意这里用电压来表示电流)故 =13/10=1.3。即每安 1.3V。(2)采用霍尔器件的电流检测电路:检测电流原理是当有 Ia 流入模块时,铁心中有磁通,霍尔器件有电压输出,经运放放大后产电流 Im,Im 产生的磁通与Ia 产生的磁通相反,与之相抵消,Im 的大小与 Ia 成正比。Im 在 200 欧姆电阻上的电压经动放反相放大后输出电压 Ui,为电流反馈电压。图中虚线框内为宇波电流检测模块型号为 CHB-25NP 峰值电流为 12A 时,Im 为 24mA。200 欧姆电阻上电压为 4.8V,放大 2.6 倍后为 12.5V 的 Ui 反馈到电流调节器。这样电流检测系数理论计算值为 =Ui/Ia=12.5/12=1.04167。具体 值由实验实际测定,见实验步骤 2。343 实验步骤与方法1电平偏移电路的设计与整定在图 3-40 中输入端开路或短路,调节电位器 W1,使输出端电压 UO 为2.0V;W1 的值可通过如下计算得到,流过 R2 的电流为 0.2mA,则W1=15V/0.2mA=75K,所以 W1 可用 68K 的电阻与 10K 的电位器串联而成。PI 调节器采用内饱和电路,饱和电压约为10.5V,所以电平偏移电路的放大系数 K=1.1/10.5=0.10476,式中 1.1V 为 Uc 的最大增量。从图 3-40 中可以看到,当 Ui 为 10.5V 时,U i 为 1.1V,则可解出 R=45.9K。所以可iiKRU)5(用 42K 电阻与 5K 的可调电阻串联而成。整定(校准):当输入接 10.5V 电压,调节 W2 使输出电压为 0.9V(增量 1.1V) ,同样接入 -10.5V 电压时输出电压应为 3.1V(增量 1.1V) , 。表 1 电流检测系数 测定2电流检测系数 的整定PWM 电路采用开环控制,H 桥输出接电机端串入电流表,与电机同轴的发电机带上负载,PWM 电路采用开环控制,改变 Uc 的大小,使电流 Ia 的读数为 1A,测量电流检测电路的输出电压 Ui,则可计算出 =Ui/Ia。调节图3-42 的 W2,使 为设计值。改变 Uc 的值,多取几点的电流 Ia 值,察看电流检测电路的线性度。同样,改变电流的方向重复上述步骤,察看电流检测电路的对称性。将具体的实验数据录入表 1。3电流环参数整定断开速度调节输出,U i*接信号发生器,频率为 50Hz200Hz 之内。ACR(s)为比例积分调节器,其参数用计算值代入,输入信号 Ui*幅度为 2V,用双踪示波器观察 Ui*与 Ui的波形,计算调节时间 ts 和上升时间 tr。改用仿真参数重复上述步骤。4反馈调节加速输出响应的物理意义的观察用双踪示波器比较 Ui与 Uc(Ud)的波形,理解反馈调节加速输出响应的物理意义。5闭环特性测定根据示波器上观察到的图形,描绘 Ui*、U i、Uc 的响应曲线,计算各种状态下的上升时间 tr、调节时间 ts、超调量 等动态性能指标。354 实验思考1对称性:电枢电流上升与下降曲线是否一致Ia(A) Ui(v) 2快速性:与电机电枢回路的时间常数比较,观察调节器、Uc 等的波形,思考电流环对快速性改善的物理意义。
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