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1、天津工程师范学院成人教育专科毕业设计普通车床的主轴调速作者：摘 要：随着科学技术的不断发展，机床的电气控制装置亦不断更新。在控制方法上，其发展过程主要是从手动到自动；在控制功能上，是从简单到复杂；而在操作上，是由笨重到轻巧。生产工艺上不断提出新要求，是促使电气控制技术发展的动力，而新型电器、电子器件的出现，又为电气控制技术的发展开拓了新的途径。本设计的框图，是PWM逆变器转差频率控制系统。此系统主要使用双闭环系统进行控制，电流环和转速环，主电路采用的是 交直交变频器电压源型。本论文详细的讲述了主电路每个环节，整流部分是第一个环节，在整流环节用的是可控整流还是不可控整流，以及它们各自的优点和不足
2、，其中可控整流重点讲述，并对晶闸管的关断及导通条件进行了讲解，逆变部分是第二个环节，在逆变环节中主要讲解了逆变的分类，以及IGBT的工作原理、基本特性和用EXB841的优化版来驱动IGBT。并对调速系统的实施方案进行了论证。在此基础上，调速系统主电路采用了交直交变频器调压调速的形式，用的是电容进行滤波及用的是电压源型逆变器。关键词：双闭环、整流、逆变、IGBTAbstract: With the continuous development of science and technology, machine tools, electrical control devices are also
3、 constantly updated. Control methods, the process of its development, mainly from manual to automatic; in the control of functions, from simple to complex; while in operation, is heavy to light. Production technology have made new demands, is to promote the development of electric power control tech
4、nology, and new electrical appliances, the emergence of electronic devices, electrical control technology for the development of new avenues opened up. Diagram of this design is the PWM inverter slip frequency control system. This system is mainly carried out using a dual closed-loop system control,
5、 current loop and speed loop, the main circuit is used to pay - directly - cycloconverter voltage source. This paper describes in detail every aspect of the main circuit, rectifier part is the first link, link in the rectifier is controlled by non-controlled rectifier or rectifier, as well as their
6、respective strengths and weaknesses, which focus on the controlled rectifier, and and the turn-off thyristor turn-on conditions, the inverter is the second link in part, the main link in the inverter on the classification of the Inverter, as well as the working principle of IGBT, the basic character
7、istics and the optimal use of EXB841 version to drive the IGBT. Speed control system and the implementation of the demonstration program. On this basis, the main circuit of speed control system used to pay - directly - Cycloconverter form of speed regulator, the capacitor used to filter and using a
8、voltage source inverter. Key words: double-loop, rectifier, inverter, IGBT下图是本设计的主要框图图11 设计主框图 以上图（11）是本设计的框图，是PWM逆变器转差频率控制系统。此系统主要使用双闭环系统进行控制，电流环和转速环，主电路采用的是 交直交变频器。交直交变频器又可以分为电压源变频器和电流源变频器两大类。电压源变频器：对于交直交变频器，当中间直流环节主要采用的是电容来进行滤波时，直流电压波形比较平直，在理想情况下是一中内阻抗为零的恒压源，输出交流电压是矩形波或阶梯波，这就叫电压源变频器。电流源变频器：对于交直交变
9、频器，当中间直流环节主要采用的是电感来进行滤波时，直流回路中电流波形比较平直，对负载来说基本上是一个恒流源，输出交流电流是矩形波或阶梯波，这就叫电流源变频器。一、双闭环调速系统的性能（一）、动态数学模型根据双闭环控制的结构（图12），即可绘出双闭环调速系统的动态结构图，如图12所示。图中和分别表示转速和电流调节器的传递函数。为了引出电流反馈，电动机的动态结构图中必须把电枢电流显露出来。图12 双闭环调速系统的动态结构图1、起动过程分析前面已经指出，设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近于理想的起动过程（图13），因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要首先探讨它的起动过程。双闭环图13
10、理想快速启动过程调速系统突加给定电压由静止状态启动时，转速和电流的过渡过程示于图14。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三个阶段，整个过渡过程也就分成三段在图中分别标以、和。第1阶段是电流上升的阶段。突加给定电压后，通过两个调节器的控制作用，使、都上升，当后，电动机开始转动。由于电机惯性的作用，转速的增长不会很快，因而转速调节器ASR的输入偏差电压 图14 双闭环调速系统空载起动的断续电流波形数值较大，其输出很快达到限幅值，强迫电流迅速上升。当时，电流调节器的作用使不再迅猛增长，标志着这一阶段的结束。在这一阶段中，ASR由不饱和很快达到饱和，而ACR一般应该不饱和，以保
11、证电流环的调节作用。第阶段是恒流升速阶段。从电流升到最大值开始，到转速升到给定。(即静特性上的)为止，属于恒流升速阶段，是起动过程中的主要阶段。在这个阶段中，ASR一直是饱和的，转速环相当于开环状态，系统表现为在恒值电流给定作用下的电流调节系统，基本上保持电流恒定(电流可能超调，也可能不超调，取决于电流调节器的结构和参数)，因而拖动系统的加速度恒定，转速呈线性增长与此同时，电动机的反电动势E也按线性增长。对电流调节系统来说，这个反电动势是一个线性渐增的扰动量，为了克服这个扰动，和也必须基本上按线性增长，才能保持恒定。由于电流调节器ACR是PI调节器，要使它的输出量按线性增长，其输入偏差电压必须
12、维持一定的恒值，也就是说，应略低于。此外还应指出，为了保证电流环的这种调节作用，在起动过程中电流调节器是不能饱和的，同时整流装置的最大电压也须留有余地，即晶闸管装置也不应饱和，这些都是在设计中必须注意的。 第阶段以后是转速调节阶段。在这阶段开始时，转速已经达到给定值，转速调节器的给定与反馈电压相平衡，输入偏差为零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值，所以电动机仍在最大电流下加速，必然使转速超调。转速超调以后，ASR输入端出现负的偏差电压，使它退出饱和状态，其输出电压即ACR的给定电压立即从限幅值降下来，主电流也因而下降。但是，由于仍大于负载电流，在一段时间内，转速仍继续上升。到时，转矩，则，
13、转速达到峰值()。此后，电动机才开始在负载的阻力下减速，与此相应，电流也出现一段小于的过程，直到稳定(设调节器参数已调整好)。在这最后的转速调节阶段内ASR与ACR都不饱和，同时起调节作用。由于转速调节在外环，ASR处于主导地位，而ACR的作用则是力图使尽快地跟随ASR的输出量，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。练上所述，双闭环调速系统的起动过程有三个特点：(1)、饱和非线性控制 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。当ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当ASR不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环则表现为电流随动系统
14、。在不同情况下表现为不同结构的线性系统，这就是饱和非线性控制的特征。决不能简单地应用线性控制理论来分析和设计这样的系统，可以采用分段线性化的方法来处理。分析过渡过程时，还必须注意初始状态，前一阶段的终了状态就是后一阶段的初始状态。如果初始状态不同，即使控制系统的结构和参数都不变过渡过程还是不一样的。(2)、准时间最优控制 起动过程中主要的阶段是第阶段，即恒流升速阶段，它的特征是电流保持恒定，一般选择为允许的最大值，以便充分发挥电机的过载能力，使起动过程尽可能最快。这个阶段属于电流受限制条件下的最短时间控制，或称“时间最优控制”。但整个起动过程与理想快速起动过程相比还有一些差距，主要表现在第1、
15、两段电流不是突变。不过这两段的时间只占全部起动时间中很小的成份，已五伤大局，所以双闭环调速系统的起动过程可以称为“准时间最优控制”过程。如果一定要追求严格最优控制，控制结构要复杂得多，所取得的效果则有限，并不值得。 采用饱和非线性控制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，在各种多环控制系统中普遍地得到应用。(3)、转速超调 由于采用了饱和非线性控制，起动过程结束进人第段即转速调节阶段后，必须使转速调节器退出饱和状态。按照PI调节器的特性，只有使转速超调，ASR的输入偏差电压为负值，才能使ASR退出饱和。这就是说，采用PI调节器的双闭环调速系统的转速动态响应必然有超调。在一般情况下
16、，转速略有超调对实际运行影响不大。如果工艺上不允许超调就必须采取另外的控制措施。 最后，应该指出，晶闸管整流器的输出电流是单方向的，不可能在制动时产生负的回馈制动转矩。因此，不可逆的双闭环调速系统虽然有很快的起动过程，但在制动时，当电流下降到零以后，就只好自由停车。如果必须加快制动，只能采用电阻能耗制动或电磁抱闸。同样，减速时也有这种情况。类似的问题还可能在空载起动时出现。这时，在起动的第阶段内，电流很快下降到零而不可能变负，于是造成断续的动态电流，从而加剧了转速的振荡，使过渡过程拖长，这是又一种非线性因素造成的。2、动态性能一般来说双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。如上所述，双闭环调速系
17、统在起动和升速过程中，能够在电流受电机过载能力约束的条件下，表现出很快的动态跟随性能。在减速过程中，由于主电路的电流的不可逆性，跟随性能变差。对于电流内环来说，在设计调节器时应强调有良好的跟随性能。（二）、双闭环系统的抗扰动性能1、抗负载扰动由动态结构图中可以看出，负载扰动作用在电流环之后，只能靠转速调节器来产生抗扰作用。因此，在突加（减）负载时，必然会引起动态速降（升）。为了减少动态速降（升），必须在设计ASR时，要求系统具有较好抗扰性能指标。对于ACR的设计的设计来说，只要电流环具有良好的跟随性能就可以了。2、抗电网电压扰动电网电压扰动和负载扰动在系统动态结构图中作用的位置不动，系统对它们
18、的动态抗扰效果也不一样。例如图15a的单闭环调速系统中，电网电压扰动和负载电流扰动 都作用在被负反馈环包围的前向通道上，仅就静特性而言，系统对它们的抗扰效果是一样 的。但是从动态性能上看，由于扰动作用的位置不同，还存在着及时调节上的差别。负载扰动作用在被调量的前面，它的变化经过积分后就可被转速检测出来，从而在调节器ASR上得到反映。电网电压扰动的作用点则离被调量更远。图15 调速系统的动态扰动作用a）单闭环调速系统 b）双闭环调速系统电网电压波动在整流电压上的反映它的波动先要受到电磁惯性的阻挠后影响到电枢电流，再经过电机惯性的滞后才能反映到转速上来，等到转速反馈产生调节作用，已经嫌晚。在双闭环
19、调速系统中，由于增设了电流内环（图15b），这个问题便大有好转。由于电网电压扰动被包围在电流环之内，当电压波动时，可以通过电流反馈得到及时的调节，不必等到影响到转速后才在系统中有所反应。因此，在双闭环调速系统中，由电网电压波动引起的动态速降会比单闭环系统中小得多。二、主电路分析本设计所用的电压是380V的交流电压，此三相电源首先通过一些保护电路，然后所经过的第一个环节是整流环节。 主电路原理图（一）、整流部分所谓整流就是将交流电能(AC)转换为直流电能(DC).完成整流过程的电力电子变换电路称之为整流电路，它占有技术应用的重要领域。整流电路可以分为：可控整流电路，不可控整流电路。1、 可控整流
20、电路是利用晶闸管的导通性质来实现的。2、 晶闸管的导通条件有一下两点。(1)、晶闸管的阳极电压高于阴极电压是及(UAK0)。(2)、晶闸管的门极必须还要给一个触发电压及(UGK0)。以上两个条件缺一不可以，必须同时满足。晶闸管的关断的条件为：UAK=0或UAK0或降低电流到IAIH,这三个条件只需要其中一个条件就可以关断晶闸管。3、不可控整流电路是利用二极管的单向导通性质将交流电转换为直流电电路的结构形式有单相、三相等等。不同类型晶闸管可控整流电路的性能表相数单项三相电路形式半波全控桥半控桥半波全控桥双反星形输出电压00.45U200.9 U201.17U202.34 U201.17 U2脉冲
21、频率a=0f2f2f3f6f脉动情况脉冲大脉冲小UTM2 U22U22U26U26U2SCR最大导通角2/32/32/3应用场合用于波形要求不高的场合用于整流或逆变小功率场合仅用于小功率不可逆场合整流变压器中有直流分量，用于小功率场合指标好，控制复杂，可用于要求高的可逆系统应用于低电压大电流的大功率场合本设计第一环节主要采用的是由六个晶闸管组成的可控整流电路，这六个晶闸管将由六路脉冲触发装置对它们进行触发。此环节主要起的是调压作用。通过整流环节后，在通过电容，由电容来进行滤波，滤波后通过的第二个环节是逆变环节。（二）、逆变部分所谓逆变就是将直流电能(DC)转换为交流电能(AC). 完成逆变过程
22、的电力电子变换电路称之为逆变电路，它也占有技术应用的相当重要地位。逆变电路可以分为：无源逆变电路，有源逆变电路。1、所谓无源逆变：将直流电逆变为某一频率或可调频率的交流电直接供给负载。 无源逆变的应用：逆变电路的应用非常广泛。蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路完成。另外，交流电机调速用变频器、不间断电源、感应电源加热等电力电子装置的核心部分都是逆变电路。2、无源逆变电路的分类逆变器的分类方法有很多，常用的有一下几中分类：(1)、按照换流方式分类。分为器件换流、电网换流、负载换流和强迫换流。（2）、按照直流电源性质分类。分为电压型和电源型两大
23、类。（3）、按照输出相数分类。分为单相、三相、多相。（4）、按照电路的特点分类。分为半桥式、全桥式、推挽式等。3、所谓有源逆变：电路的交流侧与电网直接相连，直流电逆变成与电网同频率的交流电反送回电网，这种逆变就称为有源逆变。有源逆变的应用：在实际应用中，有源逆变主要用于直流电动机的可逆调速、绕线转子感应电动机的串级调速、高压直流输出等场所。4、有源逆变产生的条件为：（1）、外部条件。直流侧必须外接直流电动势，其极性与晶闸管的导通方向一致，其数值应稍大于变流电路直流侧的平均电压，以能提供逆变能量。（2）、内部条件。晶闸管的控制角a必须大于/2，使Ud为负值，才能吧直流功率逆变为交流功率返回电网。
24、 这两个条件缺一不可，两者必须同时具备才能实现有源逆变。能实现有源逆变的电路有单相全控、单相全控桥、三相半波、三相全控桥电路。5、有源逆变失败的原因主要有： （1）、触发电路工作不可靠 。 （2）、晶闸管本身发生故障。 （3）、交流电异常。（4）、换相裕量角不足，引起换相失败。为了防止逆变失败，要求有可靠的触发电路，选择可靠的晶闸元件，设立快速的电流保护环节外，同时应对逆变角进行严格的限制。6、最小逆变角min的确定要考虑一下因素：（1）、换相重叠角。的值随电路形式、工作电流的大小而变化，一般为15度25度电角度。（2）、晶闸管关断时间t所对应的电角度。一般t大约需要200300us，对应的电
25、角度大约为5度左右。（3）、安全裕量角。考虑到脉冲调整时不对称、电网波动、畸变与温度等影响，还必须留一个安全裕量角，一般去10度左右。7、逆变电路根据直流侧电源性质的不同可以分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路（Voltage Source Type InverterVSTI）;直流侧是电流源的称为电流源逆变电路（Current Source Type InverterCSTI）。电流源逆变器有以下特点：（1）、直流侧接有大电感，相当于电流源，直流电流基本无脉动，直流回路显现高阻抗。（2）、电路中的开关器件主要起改变直流电流流通路径的作用，所以交流侧电流为矩形波，与负载性质无关，而交流
26、侧电压波形和相位因负载阻抗角的不同而不同。（3）、直流侧电感起缓冲无功能量的作用，因电流不能反向，所以可控器件不必反并联二极管。（4）、当用于交直交变频器中且负载为电动机时，若交直交换为可控整流侧可以很方便的实现再生制动。电压型逆变器有以下特点：（1）、直流侧为电压源，或并有大电容，相当于电压源。直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。（2）、由于直流电压源的钳位作用，交流侧电压波形为矩形波，于负载阻抗角无关；而家刘侧电流波形和相位因负载阻抗角的不同而异，其波形接近三角波或接近正弦波。（3）、当交流侧为电感性负载是需要提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用。为了给交流侧向直流侧反馈能量
27、提供通道，各臂都并联了反馈二极管。（4）、逆变电路从直流侧向交流侧传送的功率是脉动的，因直流电压无脉动，所以功率的脉动式由直流电流的脉动来体现的。（5）、当用于交直交变频器中且负载为电动机时，如果电动机工作再生制动状态，就必须相交流电源反馈能量。因直流侧电压方向不能改变，所以只能靠改变直流电源的方向来实现，这就需要给交直整流桥再反并联一套逆变桥。本设计的逆变部分主要是由六个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)起主要作用。8、IGBT的介绍绝缘栅双极晶体管，也称绝缘门极晶体管。由于IGBT内具有寄生晶闸管，所以也可称绝缘门极晶闸管。由于它将MOSFET和GTR的优点集于一身，既具有输入阻抗高、速度快、
28、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又有通态电压低、耐压高的优点，因此发展快，倍受欢迎，在电机驱动、中频和开关电源以及要求快速、低损耗的领域，IGBT有着主导地位，并有取代GTR的趋势，所以本设计选它。9、IGBT的工作原理和工作特性 IGBT的开关作用式通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，式IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT关断，IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需要控制输入极N-沟道MOSFET,所以具有高输入阻抗特性。当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N-层的空穴（少子），对N-层进行电导调制，减小N-层的电阻，使
29、IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。IGBT的工作特性包括静态和动态两类：（1）、静态特性 IGBT的静态特性主要有伏安特性，转移特性和开关特性。IGBT的伏安特性是指以栅源电压UGS为参变量时，漏极电流与栅极电压之间关系曲线。输出漏极电流ID受栅源电压UGS的控制，UGS越高，ID越大。它与GTR的输出特性相似，也可以为饱和区、放大区和击穿特性部分。在截止状态下的IGBT，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样的水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT的某些应用范围。IGBT的转移特性是指输出漏极电流I
30、D与栅源电压UGS之间的关系曲线。它与MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压UGS(th)时，IGBT处于关断状态。在IBGT导通后的大部分漏极电流范围类，ID与UGS呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。IGBT的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT处于导通状态时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET的电流称为IGBT总电流的主要部分。此时通态电压UDS(ON)可以用下式表示UDS(ON)=Uj1+Udr+IdRoh式中 Uj1J1结的正向电压，其值为0.71V；Udr扩展电
31、阻Rdr的压降；Roh沟道电阻。通态电流IDS可以用下式表示：IDS =(1+PNP)IMOS式中IMOS流过MOSFET的电流。 由于N-区存在电导调制效应，所以IGBT的通态压降小，耐压1000V的IGBT通态压降为23V。IGBT处于断开状态时，只有很小的泄露电流存在。（2）、动态特性 IGBT在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的，只是在漏源电压UDS下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和，又增加了 一段延迟时间。td(ON)为开通延迟时间，tri为电流上升时间，实际应用中常给出的漏极电流开通时间tON即为td(ON)与tri之和。漏源电压的下降时间有tfe1和tfe2组
32、成，如图16所示图16 关断时IGBT的电流电、压波形IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td(OFF)为关断延迟时间，trv为电压UDS(t)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间tf有图17中的tf1和tf2两段组成，而漏极电流的关断时间tOFF= td(OFF)+ trv+tf式中，td(OFF)与trv之和又称为存储时间。 图17 开通时IGBT的电流电、压波形IGBT是一种安全工作区宽、使用简单的器件，但开关速度高，容易产生浪涌电压，利用缓冲电路吸收浪涌电压的接线方式如18图
33、所示，其中图A只在直流端子间接入小容量电容，适用于50A以下的小容量IGBT；图B是用RCD电路吸收较大的浪涌电压能量，用电容吸收高频率浪涌电压，适用于200A以下中等容量的IGBT；图C是在各臂上接有RCD电路，采用高速且有软恢复特性二极管，另外还可以在二极管两端并联陶瓷电容以减小浪涌电压，适用于200A以上的大容量的IGBT。图18 IGBT的缓冲电路由于本设计的需要所以选择(B)图所用的缓冲电路本设计中的六个绝缘栅双极型晶体管将由 EXB841的优化电路对它进行驱动。然后在由IGBT管子对电机进行控制，此环节主要起的是调频的作用。10、静止式变频装置可以分为间接变频和直接变频两大类。间接
34、变频装置就是先将工频交流电源通过整流器变成直流，然后在经过逆变器将直流变换为可频率的交流，因此又称有中间直流环节的变频装置。直接变频装置则将工频交流一次变换成可控频率的交流，没有中间直流环节。本设计用的就是间接变频装置，而且它的应用也比较广泛。（1）、间接变频装置（交直交变频装置）下图绘出了间接变频装置的主要构成环节。按照不同的方式，它可以分成A，B，C三种：a、用可控整流器变压、用逆变器变频的交直交变频装置（A图） 调压和调频分别在两个环节上进行，两者要在控制电路上协调配合。这种装置结构简单、控制方便，但是，由于输入环节采用的可控整流器，当电压和频率调的较低时，电网端的功率因素较小；输出环节
35、多用晶闸管组成的三相六拍逆变器，输出的谐波较大。这就是它的不好。b、用不可控整流器整流、斩波器变压、逆变器变频的交直交变频装置（B图） 整流环节采用二极管不可控整流器，在增设斩波器，用脉宽调压。这样虽然多了一个环节，但输入功率因素高，克服了（图A)装置的第一个缺点。输出逆变器环节不变，仍有谐波较大的问题。c、用不可控整流器整流、PWM逆变器同时变压变频的交直交变频器装置（图C）用不可控整流，则功率因素高；用PWM逆变，则谐波可以减小。这样(图A)装置的不好都解决了。谐波能够减少的程序取决于开关频率，而开关频率则受器件开关时间的限制。如果仍采用不同晶闸管，开关频率比六拍逆变器也高不了多少，只有采
36、用可控关断的全控式器件以后，开关频率才得以大大提高，输出波形几乎可以得到非常逼真的正弦波，因而又称正弦波脉宽调制逆变器。（2）、直接变频装置（交交变频装置） 直接变频装置的结构如下图，它只用一个变换环节就可以把恒压恒频的交流电源变换成VVVF电源，因此又称为交交变频装置或周波变换器。11、由于本设计的主电路第一环节整流部分是用晶闸管来调压，第二环节逆变部分是用IGBT来调频，中间环节主要采用的是电容来进行滤波，所以它是一个交直交电压源变频器。也就是上(图A)。三、控制电路分析本设计的控制电路主要由：给定积分器、绝对值运算器、压频变换器、转速调节器、函数发生器、相序检测器、PWM切换器、电流反馈
37、、脉冲形成分配器、电流调节器、测速发电机、驱动器、触发器。这十三个部分组成。 (一)、给定积分设置给定积分器，时为了将阶跃给定信号转变为斜坡信号，作用于整流和逆变回路，以消除阶跃给定予系统过大的冲击，使系统的电压，电流，逆变器输出频率及电动机的转速都稳步上升，提高系统的可靠性，也满足一些生产机械的工艺要求。系统要求给定积分器工作稳定可靠，斜坡的线性度好，能调节积分的上升和下降斜率。根据这些要求，由高放大倍数的比例器和线性度很好的积分器，组成如19图所示的给定积分器。图1-9 给定积分器原理图当给定一个正信号时，经电阻R8输入到比例器的同相端，因为比例器的放大倍数很大，所以其输出电压立即上升到正
38、饱和电压。经限幅分压后，加在积分器的反相输入端，经电阻R13向电容器C15充电，积分器输出负向线性增长的斜坡电压，同时这个斜坡信号经电阻R12反馈给比例器的同时输入端，并与给定信号进行比较，在反馈信号的绝对值小于给定信号时，比例器的输出电压总是处于饱和状态，迫使积分器继续积分，直到反馈量等于给定信号时，比例器的输入电压为零（反馈量略大于给定信号），比例器的输出退出饱和状态，并回到零点电位。积分器由于输入为零，而停止积分，只有积分保持。各点电压变化情况如图1-10 所示，t1和t2时刻分别为给定信号减小和为零的情况。对于积分器，积分时间常数T=R13C15，当R13和C15一定时，调节电位器RP
39、2即可调节积分斜率，从而调节系统中电动机的加，减速度。一般系统要求积分时间常数T在150S范围内可调。图1-10 给定积器分各点电压（二）、绝对值运算器 绝对值运算器是将正，负极性的输入信号变为单一极性的输出信号，但大小一般不变。其原理图如图1-11所示，取R31=R33即将运算放大器接成1:1的反相比例器。当输入信号为正时，经VD16直接输出正信号，此时VD17关断；当输出信号为负时，VD16关断，经VD17输出正信号。在忽略二极管的正向管压降时，其输入-输出特性如图1-11b所示。 在该系统中，电流反馈和电压反馈都是反映反馈量的大小而不反映它的极性，而给定信号在正，反转时，由正，负极性变化
40、。为使两个信号在正，反转时均为相减的关系，而必须设置绝对值运算器。压频变换器需要极性不变的输入信号，所以也取自绝对值运算器的输出端。图1-11 绝对值运算器A)原理图 B)输入-输出特性（三）、压频变换器压频变换器是把电压信号转换为相应频率的脉冲信号。系统对压频变换器的要求是：在频率控制范围内，有良好的线性度；有较好的频率稳定性；能方便地通过调节电路的某些参数来改变频率范围。图 112a 压频变换器原理图另外，更重要的是，当逆变器输出的最高频率为fmax时，要求它输出的最高频率为6fmax。压频变换的原理图如图1-12a所示。这是一种在比较宽的范围内，具有较高线性度的压频变换器。第一级运算放大
41、器接成反相积分器；第二级运算放大器接成同相电压比较器。当输入一个负电压信号时，经输入信号分压后，加在第一级运算放大器的反相输入端。由于第一级运算放大器的开环放大倍数很大，其反相输入端在工作过程中一直虚地。 图1-12b 压频变换器各点的电压好波形又因为第一级运算放大器的输入阻抗较高，输入电流很小，可以忽略不计，这样电阻R56上的电流就等于积分电容器C21的充电电流，当输入信号不变时，充电电流不变随着C21的充电，第一级运算放大器的输出电压将线性增加。如果没有后面的运算放大器第二级运算放大器，第一级运算放大器的输出将增加到正饱和电压。实际上由于第二级运算放大器存在，使第一级运算放大器的输出只增加
42、到某一个预定的电压就立即放电，然后重复下一个充，放电的周期。第二级运算放大器的反相端接在正电源经R59,R58的分压点上，其电压值为Um。第二级运算放大器的同相端接第一级运算放大器的输出。在第二级运算放大器同相端的输入电压低于分压电压时，其输出为负饱和值，晶体管VT10、VT9基极受负偏压而截止。当同相输入端电压增大到大于分压电压的瞬间，输出翻转为正饱和值，使VT9导通，VT9的发射极输出正极性的时钟脉冲。同时，由二极管VD22及R55给第一级运算放大器反相端一各正信号，由于然R55R56,而迫使电容器C21放电，第一级运算放大器输出电压反向下降。又由于第二级运算放大器的反相端钳位到接近零电压
43、时，第二级运算放大器的输出才重新变负，即使电容器C21能充分放电，并保证了电容器器C21充放电过程反复进行。第二级运算放大器输出变负后，VD22受反压而关断，第一级运算放大器不再受第二级运算放大器的影响，开始重复下一个充电过程。各点的电压波形如上图1-12b。（四）、转速调节器113 图的转速调节器含有给定滤波和反馈滤波的PI调节器原理图，转速调节器主要是进行接收电机的转速负反馈为主，当转速调节器通过由给定积分出来的一个转速信号，在通过一些环节造成给定出来的转速信号受到大量的干扰，在到主电路的时候使电机的转速不稳定的，它将由光电编码器反馈回来，和新给定的转速信号重新评比过后在送到主回路，这样一
44、直的下去。直到电机的转速稳定为止。图113 转速调节器原理图转速调节器的作用（1）、其输出限幅值决定允许的最大电流。（2）、使转速n跟随给定电压Um变化，稳态不静差。（3）、对负载变化起抗绕作用 。（五）、函数发生器在控制系统中设置函数发生器，是为了协调电压U1频率f1的关系，实现各种控制方式。对于要求端电压U1与频率f1比值不变的控制方式采用比例调节器即可。若考虑到电阻压降的影响，而采用E1/f1=常数的控制方式时，可采用如图1-14所示，加入补偿环节的函数发生器。图1-14a为原理图，设输入信号为正，输出信号为负，通过调节RP3和RP4可得图1-14b所示的输入-输出特性。当输入信号为零时
45、，只有负偏差信号加在运算放大器的反相输入端，输出为A点的值，使可控整流桥处于待逆变状态，没有电压输出，随后Uin增大，Uex变正，使整流桥进入整流状态。当Uin减小流过R21中的电流较小，使R21上的分压值小于0.7V时二极管VD14不导通运算放大器的放大倍数为（R21+RP4）/R24，输入输出特性是比较陡的AB段。在B点,R21上的压降刚好等于0.7V时，使VD14导通R21被短接，放大倍数减小为RP4/R24，随Uin的增加，得斜率较小的BC段特性。C点对应基频工作点。C点以后，用运算放大器的限幅电路，保证Uex不变，进入恒压调频的恒功率调速阶段。调节RP4，可以调节BC段的斜率；调节R
46、P3的输入信号可改变A点。B点为二极管VD14通断的分界点，这时函数发生器的输出电压Uex为Uex= （0.7RP4/R21+0.7）图1-14b中的虚线表示U1/f1=常数控制法式的函数发生器输入-输出特性。 图1-14a 函数发生器原理图图 图1-14b 输入-输出特性（六）、相序检测器 相序检测器电路图如图1-15所示，其中运算放大器构成小回环的过零检测器（回环宽度要小于异步电动机的转差频率）。当给定同步频率为正时，运算放大器输出为饱和值， VT8截止，输出高电位(+5);当给定同步频率为负时，运算放大器输出为正饱和值，VT8饱和导通，输出低电平（0）。图115 相序检测器原理图（七）、PWM切换电路 用PWM切换电路对压频变换器的输入电压进行检测，输出相应的数字信号，去控制脉冲形成分配器中EPROM的高位地址线。实现不同频段的脉宽调制切换。其中放大器1和放大器2分别构成两个带有回环的电平检测器。由于有一定的宽度，而且具有一定的抗干扰能力，避免在切换点出现多次反转的不稳定现象。四个与非门组成简单的译码电路。原理图如1-16。 图1-16 PWM切换电路原理图（八）、电流反馈电流反馈主要器的是一个保护作用，它可以反映出主电路的三相中的任何一相有问题的一种电路。当三相中任何一相的电流过大时它将限制它的过大电流。反馈给电流调节器