課程設計-運用脈沖寬度調(diào)制設計直流電機pwm控制調(diào)速系統(tǒng)

1、<p><b>　　1、前言</b></p><p>　　在當今的社會生活中，電子科學技術(shù)的運用越來越深入到了各行各業(yè)之中，并得到了長足的發(fā)展和進步，自動化控制系統(tǒng)更是得到了廣泛的應用，其中一項重要的應用就是——自動調(diào)速系統(tǒng)。相較于交流電動機，直流電動機結(jié)構(gòu)復雜、價格昂貴、制造困難且不容易維護，但由于直流電動機具有良好的調(diào)速性能、較大的啟動轉(zhuǎn)矩和過載能力強，適宜在廣泛的范圍內(nèi)平滑調(diào)

2、速，所以直流調(diào)速系統(tǒng)至今仍是自調(diào)速系統(tǒng)中的重要形式。</p><p>　　而伴隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，開關(guān)速度更快、控制更容易的全控性功率器件MOSFET和IGBT成為主流，PWM表現(xiàn)出了越大的優(yōu)越性：主電路線路簡單，需用的功率器件少；開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較??；低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達1:10000左右；若與快速響應的電機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗擾能

3、力強；功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導通損耗小，當開關(guān)頻率適當時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。本設計采用PWM技術(shù)來對直流電機進行調(diào)速，與一般直流調(diào)速相比，既減少了對電源的污染，而且使控制過程更簡單方便，減少了對人力資源的使用，又因為線路的簡單化、功率器件需用的減少，使系統(tǒng)的維護、維修變得更加簡單了，但動、靜態(tài)性能卻提高了。</p><p><b>

4、;　　1.1 設計內(nèi)容</b></p><p>　　本次課程設計是運用脈沖寬度調(diào)制設計直流電機PWM控制調(diào)速系統(tǒng)。</p><p><b>　　1.2 任務要求</b></p><p>　　設計要求：介紹直流電機PWM控制調(diào)速基本原理。設計出主電路、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電路、PWM驅(qū)動裝置控制電路、基極驅(qū)動電路，并進行系統(tǒng)調(diào)試。</p&g

5、t;<p><b>　　2 脈寬調(diào)制PWM</b></p><p>　　2.1脈寬調(diào)制PWM簡介</p><p>　　脈寬調(diào)制的全稱為：Pulse Width Modulator，簡稱PWM，由于它的特殊性能常被用于直流負載回路中。燈具調(diào)光或直流電動機調(diào)速、HW-1020型調(diào)速器、就是利用脈寬調(diào)制(PWM)原理制作的馬達調(diào)速器。PWM調(diào)速器已經(jīng)在工業(yè)直流

6、電機調(diào)速、工業(yè)傳送帶調(diào)速、燈光照明調(diào)解、計算機電源散熱、直流電扇等、得到廣泛應用。脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)用于直流電機調(diào)速，可簡化電路結(jié)構(gòu)，減小設備體積，減輕設備重量，并且控制方便，性能穩(wěn)定。</p><p>　　2.2 PWM基本原理</p><p>　　脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進

7、行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。簡而言之，就是用改變電機電樞(定子)電壓的接通和斷開的時間比(占空比)來控制馬達的速度，在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當電機通電時，其速度增

8、加；電機斷電時，其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間，即可使電機的速度達到并保持一穩(wěn)定值。</p><p>　　2.3 PWM控制調(diào)速優(yōu)點</p><p>　　PWM控制調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點有：</p><p>　?。?）簡化了主電路和控制電路的結(jié)構(gòu)，使裝置的體積變小，重量減輕，造價下降，所用功率元件少，且工作于開關(guān)狀態(tài)，因此電路的導通損耗小，工作效率比較高。

9、</p><p>　?。?）開關(guān)頻率高，可避開機床的共振區(qū)，工作平穩(wěn)。</p><p>　　（3）采用功率較小的低慣量電機時，具有高的定位速度和精度。</p><p>　?。?）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬。</p><p>　?。?）改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能和電機的運行性能，提高了調(diào)節(jié)速度，使調(diào)節(jié)過程中電壓與頻率配合較好，動態(tài)響應好，抗干

10、擾能力強，可靠性能高。</p><p>　　3直流電機PWM控制調(diào)速系統(tǒng)設計</p><p>　　3.1直流電機PWM控制調(diào)速系統(tǒng)基本原理</p><p>　　PWM方式是在大功率開關(guān)晶體管的基極上，加上脈沖寬度可調(diào)的方波電壓，控制開關(guān)管的導通時間t，改變占空比，達到控制目的。</p><p>　　直流電機PWM控制調(diào)速系統(tǒng)原理框圖如圖3.1

11、所示。本系統(tǒng)主要有信號發(fā)生電路、PWM速度控制電路、電機驅(qū)動電路等幾部分組成。整個系統(tǒng)上采用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。在此系統(tǒng)中有兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級連接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出作</p><p>　　圖3.1 直流電動機PWM系統(tǒng)原理圖</p><p>　　為PWM的控制電壓。核心部分是脈沖功率放大器和脈寬調(diào)制器?？?/p>

12、制部分采用SG1525（脈寬調(diào)制芯片SG1525具有欠壓鎖定、故障關(guān)閉和軟起動等功能,因而在中小功率電源和電機調(diào)速等方面應用較廣泛。SG1525是電壓型控制芯片,利用電壓反饋的方法控制PWM信號的占空比,整個電路成為雙極點系統(tǒng)的控制問題,簡化了補償網(wǎng)絡的設計。）集成控制器產(chǎn)生兩路互補的PWM脈沖波形，通過調(diào)節(jié)這兩路波形的寬度來控制H電路中的GTR通斷時間，便能夠?qū)崿F(xiàn)對電機速度的控制。為了獲得良好的動、靜態(tài)品質(zhì)，調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器并對系

13、統(tǒng)進行了校正。檢測部分中，采用了霍爾片式電流檢測裝置對電流環(huán)進行檢測，轉(zhuǎn)速還則是采用了測速電機進行檢測，能達到比較理想的檢測效果。</p><p>　　3.2 PWM驅(qū)動裝置</p><p>　　PWM驅(qū)動裝置是利用大功率晶體管的開關(guān)特性來調(diào)制固定電壓的直流電源，按一個固定的頻率來接通和斷開，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”與“斷開”時間的長短，通過改變直流伺服電動機電樞上電壓的“占比空

14、”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。因此，這種裝置又稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。</p><p>　　圖3.2為PWM驅(qū)動裝置控制電路框圖。該控制電路包括恒頻波形發(fā)生器、脈寬調(diào)制器、脈沖分配電路等脈寬調(diào)速系統(tǒng)所特有的電路。</p><p>　　圖3.2 PWM驅(qū)動裝置控制電路框圖</p><p>　　（1）恒頻波形發(fā)生器</p><p>

15、　　它的作用是產(chǎn)生頻率恒定的振蕩信號作為時間比較的基準，其波形可以是三角形波或鋸齒波。PWM波由具有輸出的PWM控制器產(chǎn)生。</p><p><b>　　（2）脈寬調(diào)制器</b></p><p>　　它的作用是實現(xiàn)電壓、脈寬的轉(zhuǎn)換（V/M），即形成PWM信號。</p><p><b>　?。?）脈沖分配電路</b><

16、/p><p>　　在可逆PWM變換器中，上、下兩個晶體管經(jīng)常交替工作。由于晶體管存在關(guān)斷時間，因此有可能能造成在一個晶體管未完全關(guān)斷時，另一個晶體管已導通，從而使電源短路。為了避免這種情況發(fā)生，根據(jù)功率轉(zhuǎn)換電路的工作要求，設置了大功率晶體管的導通次序，即脈沖分配電路，使大功率晶體管能按照指定的順序?qū)ā?lt;/p><p>　　脈沖分配電路如圖3.3所示。在圖3.3中，晶體管V1、V4是同時關(guān)斷的

17、，V2、V3也是同時導通同時關(guān)斷的，但V1與V2、V3與V4都不允許同時導通，否則電源Ud直通短路。設V1、V4先同時導通T1秒后同時關(guān)斷，間隔一定時間之后，再使V2、V3同時導通T2秒后同時關(guān)斷。</p><p>　　電動機電樞端電壓的平均值為：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　由于，Ua值的范圍是-Ud～

18、+Ud，因而電動機可以在正反兩個方向調(diào)速運轉(zhuǎn)。</p><p>　　圖3.3 脈沖分配電路</p><p><b>　　3.3 控制電路</b></p><p>　　PWM控制的示意圖如圖3.4所示，可控開關(guān)S以一定的時間間隔重復地接通和斷開，當S接通時，供電電源Us通過開關(guān)S施加到電動機兩端，電源向電機提供能量，電動機儲能；當開關(guān)S斷開時，中

19、斷了供電電源Us向電動機電流繼續(xù)流通。這樣，電動機得到的電壓平均值Uas為：</p><p><b>　　（3.2）</b></p><p>　　式中，ton為開關(guān)每次接通的時間，T為開關(guān)通斷的工作周期（即開關(guān)接通時間ton和關(guān)斷時間toff之和），α為占空比，α= ton/T 。</p><p>　　圖3.4 PWM控制示意圖</p&

20、gt;<p>　　由式（3.2）可見，改變開關(guān)接通時間ton和開關(guān)周期T的比例也即改變脈沖的占空比，電動機兩端電壓的平均值也隨之改變，因而電動機轉(zhuǎn)速得到了控制。</p><p>　　圖3.5為控制電路的原理圖。圖中V為大功率晶體管，C1、R1、VD1為過電壓吸收電路。由SG1525集成PWM控制器產(chǎn)生的PWM信號，經(jīng)驅(qū)動電路隔離放大后，驅(qū)動晶體管。輸出的PWM電壓平均值按下式變化，其中的值由SG15

21、25定頻調(diào)寬法，即T1+T2=T保持一定，使T1在0～T范圍內(nèi)變化來調(diào)節(jié)。</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　系統(tǒng)的直流主回路電源VD，經(jīng)三相橋式不可控整流濾波電路供電。當被流電機的額定功率較小時，VD也可由單相橋式不可控整流濾波電路供電。系統(tǒng)由主開關(guān)器件V的PWM斬波渡控制，在電感L左端形成主控回路的PWM脈寬可調(diào)控電壓Ua，Ua再

22、經(jīng)LC濾波得到直流電機兩端的平直直流電壓Va。</p><p>　　圖3.5 控制電路的原理圖</p><p>　　3.4轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)電路</p><p>　　在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中設置了兩個調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，電流調(diào)節(jié)器的輸出控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)電路原理圖如圖3.6所示，檢測部分中，采用了霍爾片式電流檢測裝置

23、對電流環(huán)進行檢測，轉(zhuǎn)速則是采用了測速電機進行檢測。為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器都采用 PI 調(diào)節(jié)器。PI調(diào)節(jié)器的輸出由兩部分組成，第一部分是比例部分，第二部分是積分部分。</p><p>　　圖3.6 轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)電路原理圖</p><p>　　在圖3.6中，ASR為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器，ACR為電流調(diào)節(jié)器，GT為觸發(fā)裝置，M為直流電動機，TG為測速發(fā)電機，TA為電流互感器，U

24、PE為電力電子變換器，Un*為轉(zhuǎn)速給定電壓，Un為轉(zhuǎn)速反饋電壓，Ui*為電流給定電壓，Ui為電流反饋電壓。</p><p>　　把比例運算電路和積分電路組合起來就構(gòu)成了比例積分調(diào)節(jié)器，如圖3.7所示，</p><p>　　圖3.7 PI調(diào)節(jié)器電路</p><p><b>　　由此可知：</b></p><p><

25、b>　?。?.4）</b></p><p><b>　?。?.5）</b></p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　當突加輸入信號Ui時，開始瞬間電容C1相當于短路，反饋回路中只有電阻R1，</p><p>　　此時相當于比例調(diào)節(jié)器，它可以毫無延遲地起調(diào)

26、節(jié)作用，故調(diào)節(jié)速度快；而后隨著電容C1被充電而開始積分，U0線性增長，直到穩(wěn)態(tài)。</p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速跟隨其給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，對負載變化起抗擾作用，其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。電流調(diào)節(jié)器使電流緊緊跟隨其給定電壓變化，對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾作用，在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中能夠獲得電動機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程，當電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的

27、最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復正常。</p><p>　　圖3.6中，來自速度給定電位器給定的信號Un*與速度反饋信號Un比較后，偏差為△Un= Un*-Un，送到速度調(diào)節(jié)器ASR的輸入端。速度調(diào)節(jié)器的輸出Ui*作為電流調(diào)節(jié)器ACR的給定信號，與電流反饋信號Ui比較后，偏差為△Un= Ui*-Ui，送到電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入端，電流調(diào)節(jié)器的輸出Uct送到觸發(fā)器，以控制可控整流器，整流

28、器為電動機提供直流電壓Ud。</p><p><b>　　3.5基極驅(qū)動電路</b></p><p>　　系統(tǒng)采用的功率驅(qū)動電路取決于主開關(guān)管V的器件類別。用不同類別的主開關(guān)其功率驅(qū)動電路也不同。本系統(tǒng)采用BJT功率晶體管的驅(qū)動電路。圖3.8是驅(qū)動BJT功率晶體管的一種用的雙電源光電耦合驅(qū)動電路。其工作原理如下：V01 +V02為邏輯低電平時，T4晶體管止。集電極輸出

29、高電平至T3基極，穩(wěn)壓管W與T3均導通，使集電極為低電平。一般可設計T3集電極低電平為負值。</p><p>　　例如，設計Vca=Vw+VCESa-VCC=-2.6V，受VC3負位制約；BJT基極電位(A點)為VC3+VEB2=-2V(此時T1管VBE1-VEB2=0.6V反偏電壓截止)。BJT發(fā)射極連于電容 C的聯(lián)交點 B，可獲得直流懸浮零電位VB (VCC-Vc)=0。VC=2VCC(C+C)/C該直流懸

30、浮零電位使 BJT基極發(fā)射極間有2V的反向偏置電壓，以保證 BJT的可靠關(guān)斷。因BJT發(fā)極與電感 L相連，電容C還有效隔斷驅(qū)動路和L強電電路的直流電聯(lián)系。V01 +V02為高電平時，T4導通，T3和穩(wěn)壓管關(guān)斷，Vcc經(jīng)R3和T1管基極、發(fā)射極向BJT提供基極開通電流，T2管承受VBE1=-VEB2反壓截止。R1限制 BJT導通基流的大小。</p><p>　　圖3.8 基極驅(qū)動電路</p><

31、p>　　R2在BJT關(guān)斷瞬間，限制電容C經(jīng)BJT發(fā)射極、基極，T2發(fā)射極、集電極，負電源回路的反向恢復電流峰值。調(diào)試圖3.5中的R5，可改變V01 +V02脈沖的幅值，以適應輸入光電耦合電路的參敬定額要求。圖3.8電路的適應性較強，也可用于IGBT絕緣柵雙極晶體管的功率驅(qū)動電路。</p><p><b>　　3.6主電路的設計</b></p><p>　　在系統(tǒng)

32、主電路部分，采用的是以大功率GTR為開關(guān)元件、H橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)，如圖3.9所示。 </p><p>　　在圖3.9中，四只GTR分為兩組，VT1和VT4為一組，VT2和VT3為另一組。同一組中的兩只GTR同時導通，同時關(guān)斷，且兩組晶體管之間可以是交替的導通和關(guān)斷。欲使電動機M向正方向轉(zhuǎn)動，則要求控制電壓Uk為正，各三極管基極電壓波形如圖3.10和圖3.11所示。欲使電動機反轉(zhuǎn)，則使控制電壓U

33、k為負即可。</p><p>　　圖3.9 H橋式可逆PWM變換器</p><p>　　正向運行波形圖如圖3.10所示。</p><p>　　第1階段，在0 ≤ t ≤ ton期間，Ub1、Ub4為正，VT1、VT4導通，Ub2、Ub3為負，VT2、VT3截止，電流id沿回路1流通，電動機M兩端電壓UAB = +Us 。</p><p>　　

34、第2階段，在ton ≤ t ≤ T期間，Ub1、Ub4為負，VT1、VT4截止，VD2、VD3續(xù)流，并鉗位使VT2、VT3保持截止，電流id沿回路2流通，電動機M兩端電壓UAB = –Us 。</p><p>　　如圖3.10 正向電動運行波形圖</p><p>　　反向運行波形圖如圖3.11所示。</p><p>　　第1階段，在0 ≤ t ≤ ton期間，Ub2

35、、Ub3為負，VT2、VT3截止，VD1、VD4續(xù)流，并鉗位使VT1、 VT4截止，電流–id沿回路4流通，電動機M兩端電壓UAB = +Us 。</p><p>　　第2階段，在ton ≤ t ≤ T 期間，Ub2、Ub3為正，VT2、VT3導通，Ub1、Ub4為負，使VT1、VT4保持截止，電流–id沿回路3流通，電動機M兩端電壓UAB = –Us 。</p><p>　　雙極式控制的

36、橋式可逆PWM變換器的優(yōu)點：</p><p>　?。?）電流一定連續(xù)；</p><p>　?。?）可使電機在四象限運行；</p><p>　?。?）電機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；</p><p>　?。?）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達1:20000左右；</p><p>　　（5）低速時，每個開關(guān)器件的驅(qū)

37、動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。</p><p><b>　　4設計結(jié)果及分析</b></p><p>　　(1)CT，RT，RD的選取</p><p>　　SG1525集成控制器可輸出0.1～400kHz的脈沖頻率，對應 CT= 0.001～0.1μ F，RT=2~150 k取值。一般對于BJT和GT0器件可取 f=1kHz以下，IG

38、BT器件取f= 10kHz左右。f與CT，RT，RD的關(guān)系用下式確定：</p><p><b>　　(4.1)</b></p><p>　　例如若f= lkHz，T= 0.001s，取 定t1=0.0009s，t2=0.0001s，可算得CT=0.0lμF時的 RT與RD分別為：</p><p><b>　　(4.2)</b&g

39、t;</p><p><b>　　(4.3)</b></p><p>　　t2一般應取遠小于t1的值,否則影響脈沖占空比(t1/(t1 + t2))和斬波效率。此處的占空比最大值為0.0009/(0.0001+0.0009)=0.9。</p><p>　　(2)R2和RP1的選取 </p><p>　　VREF輸出的最大

40、電流為 50mA，一般在 40mA 以下取值。若取定IREF=1~5mA變化，RP1設為零值時可算得 R2為：</p><p><b>　　(4.4)</b></p><p>　　RP1設置為最大值時可算得：</p><p><b>　　(4.5)</b></p><p>　　RP1 = 4.1 k

41、 (4.6)</p><p>　　(3)其它引腳器件的確定 </p><p>　　R5電阻的選取要用調(diào)試方法確定，一般選取一個可調(diào)電位器 Rw和一個固定的R串聯(lián)組成 Rs=Rw+R 的結(jié)構(gòu)。當 Rw調(diào)為零時，R的大小要足以限制功率驅(qū)動電路的輸入電流不超過允許值。例如，功率驅(qū)動電路要求V01 +V02=3V。驅(qū)動輸入電流最大允許值為50

42、mA，忽略圖2中 Tt或T2導通壓降最小值(sat)，可算得R5電阻應為：</p><p><b>　　(4.7)</b></p><p>　　可選取R5=300，略大于計算值的電阻。由于R5上有較大的電流，還要注意其瓦數(shù)的選擇,此處可選。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>

43、　　通過這次電力拖動基礎課程設計后，對電力拖動基礎，尤其是直流電機PWM控制調(diào)速系統(tǒng)有了很深刻的認識與理解，進一步掌握了電力拖動基礎課程所學的理論知識。熟悉PWM控制系統(tǒng)的工作原理。本次設計的直流電機PWM控制調(diào)速系統(tǒng)控制原理成熟可靠，運行穩(wěn)定。該系統(tǒng)是基于現(xiàn)代電力技術(shù)，采用PWM控制技術(shù)構(gòu)成的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，啟停時對直流系統(tǒng)無沖擊。工作安全可靠、維護量小，從而確保了系統(tǒng)的安全運行。通過此次學以致用，更加掌握了電力拖動在實際中的運用。&l

44、t;/p><p>　　此外，通過本次課程設計，我學會了查閱資料、方案比較、計算、制作、調(diào)試等技能，增強了自己的分析、解決實際問題的能力。培養(yǎng)認真嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L和實事求是的工作態(tài)度。</p><p>　　在老師極力幫助下終于完成了本次設計。在此，感謝老師的大力指導。在今后的學習中，一定會更加深入的學習電力拖動技術(shù)，為以后工作打下堅實基礎。</p><p><b>

45、;　　參考文獻</b></p><p>　　[1]顧繩谷主編.電機及拖動基礎[M].機械工業(yè)出版社出版.第4版.2007年.</p><p>　　[2]陳伯時主編.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].機械工業(yè)出版社出版. 1992年.</p><p>　　[3]辜承林,陳喬夫,熊永前主編.電機學[M].華中科技大學出版社出版.第二版.2005年.</p&g