直流電機(jī)PWM控制調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)(共9頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上直流電機(jī)PWM控制調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)一、 摘要 脈沖寬度調(diào)制PWM(Pulse Width Modulation),就是指保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間t對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。PWM控制技術(shù)以其控制簡單,靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)等領(lǐng)域最廣泛應(yīng)用的控制方式。本文利用SG1525集成PWM控制器設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PWM控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用了電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制，并且設(shè)計(jì)了完善的保護(hù)措施，既保障了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，又使系統(tǒng)具有較高的動、靜態(tài)性能。二、 設(shè)計(jì)目的和意義 在當(dāng)今的社會生活中，電子科學(xué)技術(shù)的運(yùn)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

2、和進(jìn)步，自動化控制系統(tǒng)更是的到了廣泛的應(yīng)用，其中一項(xiàng)重要的應(yīng)用就是自動調(diào)速系統(tǒng)。相較于交流電動機(jī)，直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、制造困難且不容易維護(hù)，但由于直流電動機(jī)具有良好的調(diào)速性能、較大的啟動轉(zhuǎn)矩和過載能力強(qiáng)，適宜在廣泛的范圍內(nèi)平滑調(diào)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。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(jī)損耗及發(fā)熱都較?。坏退傩阅芎?，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:10000左右；若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系

3、統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強(qiáng)；功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，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(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。本設(shè)計(jì)采用PWM技術(shù)來對直流電機(jī)進(jìn)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?yàn)榫€路的簡單化、功率器件需用的減少，使系統(tǒng)的維護(hù)、維修變得更加簡單了，但動、靜態(tài)性能卻提高了。 三、 設(shè)計(jì)原理 1.PWM基本原理 脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個(gè)具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。PW

4、M信號仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)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(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。簡而言之，就是用改變電機(jī)電樞(定子)電壓的接通和斷開的時(shí)間比(占空比)來控制馬達(dá)的速度，在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，其速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，即可使電機(jī)的速度達(dá)到并保持一穩(wěn)定值。 2.直流電機(jī)PWM調(diào)速基本原理 PWM方式是在大功率開關(guān)晶體管的基極

5、上，加上脈沖寬度可調(diào)的方波電壓，控制開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間t，改變占空比，達(dá)到控制目的。圖1是直流PWM系統(tǒng)原理框圖。這是一個(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng)，有電流環(huán)和速度環(huán)。在此系統(tǒng)中有兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)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?？刂撇糠植捎肧G1525（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(jī)調(diào)速等方面應(yīng)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(gè)電路成為雙極點(diǎn)系統(tǒng)的控制問題,簡化了補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。

6、）集成控制器產(chǎn)生兩路互補(bǔ)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(shí)間，便能夠?qū)崿F(xiàn)對電機(jī)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)器并對系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行檢測，轉(zhuǎn)速還則是采用了測速電機(jī)進(jìn)行檢測，能達(dá)到比較理想的檢測效果。 圖1、直流電動機(jī)PWM系統(tǒng)原理圖 圖2、控制電路的原理圖 圖2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SG1525定頻

7、調(diào)寬法，即T1+T2=T保持一定，使T1在0T范圍內(nèi)變化來調(diào)節(jié)。 Ua=Ud 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(dāng)被流電機(jī)的額定功率較小時(shí)，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 再經(jīng) LC濾波得到直流電機(jī)兩端的平直直流電壓Va 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(gè)固定的頻率來接通和斷開，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”與“斷開”時(shí)間的長短，通過改變直流伺服電動機(jī)電樞上電壓的“占比空”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機(jī)的

8、轉(zhuǎn)速。因此，這種裝置又稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。 PWM控制的示意圖如圖3所示，可控開關(guān)S以一定的時(shí)間間隔重復(fù)地接通和斷開，當(dāng)S接通時(shí)，供電電源US通過開關(guān)S施加到電動機(jī)兩端，電源向電機(jī)提供能量，電動機(jī)儲能；當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)，中斷了供電電源US向電動機(jī)電流繼續(xù)流通。 圖3、PWM控制示意圖 這樣，電動機(jī)得到的電壓平均值Uas為： Uas= tonUs/T=Us （1） 式中，ton為開關(guān)每次接通的時(shí)間，T為開關(guān)通斷的工作周期，（即開關(guān)接通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff之和），為占空比，= ton/T。 由式（1）可見，改變開關(guān)接通時(shí)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(jī)兩端電壓的平均值

9、也隨之改變，因而電動機(jī)轉(zhuǎn)速得到了控制。四、 詳細(xì)設(shè)計(jì)步驟 本系統(tǒng)主要有信號發(fā)生電路、PWM速度控制電路、電機(jī)驅(qū)動電路等幾部分組成。整個(gè)系統(tǒng)上采用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，如上圖1所示。 1.主電路 在系統(tǒng)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4所示。圖中，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(shí)導(dǎo)通，同時(shí)關(guān)斷，且兩組晶體管之間可以是交替的導(dǎo)通和關(guān)斷。欲使電動機(jī)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所示。欲使電動機(jī)反轉(zhuǎn)，則使控制電壓Uk為負(fù)即可。 圖4、H橋式可逆P

10、WM變換器 正向運(yùn)行（如圖a)所示）：第1階段，在 0 t ton 期間， Ub1 、 Ub4為正，VT1 、VT4導(dǎo)通， Ub2 、Ub3為負(fù)，VT2 、 VT3截止，電流 id 沿回路1流通，電動機(jī)M兩端電壓UAB = +Us ；第2階段，在ton t T期間， Ub1、U4為負(fù)， 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(jī)M兩端電壓UAB = Us ； 反向運(yùn)行（如圖b)所示）：第1階段，在 0 t ton 期間， Ub2 、Ub3為負(fù)，VT2 、VT3截止， VD1 、VD4 續(xù)流，并鉗位使 VT1 、 VT4截止，

11、電流 id 沿回路4流通，電動機(jī)M兩端電壓UAB = +Us ；第2階段，在ton t T 期間， Ub2 、Ub3 為正， VT2 、VT3導(dǎo)通， Ub1 、Ub4為負(fù)，使VT1 、VT4保持截止，電流 id 沿回路3流通，電動機(jī)M兩端電壓UAB = Us 。 雙極式控制的橋式可逆PWM變換器的優(yōu)點(diǎn)：（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電機(jī)在四象限運(yùn)行；（3）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；（4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)1:20000左右；（5）低速時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。 a).正向電動運(yùn)行波形 b).反向電動運(yùn)行波形 2.轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)

12、電路 在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)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。系統(tǒng)原理圖如圖6所示，檢測部分中，采用了霍爾片式電流檢測裝置對電流環(huán)進(jìn)行檢測，轉(zhuǎn)速則是采用了測速電機(jī)進(jìn)行檢測。 為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)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。把比例運(yùn)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5所示，可知:UO=-I1R1-Uidt I1=I0=Ui/R0 U0=-R1Ui/R0- R0C1/1Uidt當(dāng)突加輸入信號Ui時(shí)，開始瞬間電容C1相當(dāng)于短路

13、，反饋回路中只有電阻R1，此時(shí)相當(dāng)于比例調(diào)節(jié)器，它可以毫無延遲地起調(diào)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)。 圖5、PI調(diào)節(jié)器電路 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速跟隨其給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，對負(fù)載變化起抗擾作用，其輸出限幅值決定電機(jī)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(shí)抗擾作用，在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中能夠獲得電動機(jī)允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程， 當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復(fù)正常。 圖6、轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)電路圖 ASR 轉(zhuǎn)速調(diào)

14、節(jié)器 ACR 電流調(diào)節(jié)器 GT 觸發(fā)裝置 M 直流電動機(jī) TG 測速發(fā)電機(jī) TA 電流互感器 UPE-電力電子變換器Un*-轉(zhuǎn)速給定電壓 Un-轉(zhuǎn)速反饋電壓Ui*-電流給定電壓Ui-電流反饋電壓圖中，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，整流器為電動機(jī)提供直流電壓Ud.。 3.PWM驅(qū)動裝置控制電路 圖7為PWM驅(qū)動裝置控制電路

15、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。 圖7、PWM驅(qū)動裝置控制電路框圖 1).恒頻波形發(fā)生器 它的作用是產(chǎn)生頻率恒定的振蕩信號作為時(shí)間比較的基準(zhǔn)，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。 2).脈寬調(diào)制器 它的作用是實(shí)現(xiàn)電壓、脈寬的轉(zhuǎn)換（V/M），即形成PWM信號。 3).脈沖分配電路 在可逆PWM變換器中，上、下兩個(gè)晶體管經(jīng)常交替工作。由于晶體管存在關(guān)斷時(shí)間，因此有可能能造成在一個(gè)晶體管未完全關(guān)斷時(shí)，另一個(gè)晶體管已導(dǎo)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(shè)置了大功率晶體管的導(dǎo)通次序

16、，即脈沖分配電路，使大；功率晶體管能按照指定的順序?qū)ā?在圖9中，晶體管V1、V4是同時(shí)關(guān)斷的，V2、V3也是同時(shí)導(dǎo)通同時(shí)關(guān)斷的，但V1與V2、V3與V4都不允許同時(shí)導(dǎo)通，否則電源Ud直通短路。設(shè)V1、V4先同時(shí)導(dǎo)通T1秒后同時(shí)關(guān)斷，間隔一定時(shí)間之后，再使V2、V3同時(shí)導(dǎo)通T2秒后同時(shí)關(guān)斷。 圖8.脈沖分配電路 電動機(jī)電樞端電壓的平均值為： Ua= =（2-1）Ud 由于01，Ua值的范圍是-UdUd，因而電動機(jī)可以在正反兩個(gè)方向調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)。 4).基極驅(qū)動電路 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

17、10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:Vo1 +Vo2為邏輯低電平時(shí)，T4晶體管止集電極輸出高電平至T3基極，穩(wěn)壓管W與T3均導(dǎo)通 ，使集電極為低電平。一般可設(shè)計(jì)T3集電極低電平為負(fù)值，例如，設(shè)計(jì)Vca=Vw+VCESa-VCC=2.6V，受VC3負(fù)位制約；BJT基極 電位(A點(diǎn))為 VC3+VEB2=-2V(此時(shí)T1管VBE1-VEB2=O6V反偏電壓截止)。BJT發(fā)射極連于電容 C的聯(lián)交點(diǎn) B，可獲得直流懸浮零電位VB (VCCVc)=0( Vc=2Vcc)。該直流懸浮零電位使 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BJ

18、T發(fā)極與電感 L相連，電容C還有效隔斷驅(qū)動路和L強(qiáng)電電路的直流電聯(lián)系。Vo1 +Vo2為高電平時(shí)，T4導(dǎo)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(dǎo)通基流的大小。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(fù)電源回路的反向恢復(fù)電流峰值。調(diào)試圖2中的 R5，可改變Vo1 +Vo2脈沖的幅值 ，以適應(yīng)輸入光電耦合電路的參 敬定額要求 。圖10電路的適應(yīng)性較強(qiáng) 也可用于IGBT絕緣柵雙極晶體管的功率驅(qū)動電路 。 圖9. 基極驅(qū)動電路5、 設(shè)計(jì)結(jié)果及分析 (1)CT,RT，R

19、D的選取 SG1525集成控制器可輸出01400kHz的脈沖頻率 ，對應(yīng) CT= 00010.1 F，RT=2 150k取值 。一般對于 BJT和 GTo器件可取 f=1kHz以下，IGBT器件取 f= 10kHz左右 。f與CT,RT，RD的關(guān)系用下式確定： f=l(t1+ t2 )=1(067R1CTR1+1.3RDCT ) 例如f= lkHz，T= 0O01s，取 定t1= 00009s，t2=00001s，可算得 CT=0OlF時(shí)的 RT與RD分別為 ： RT = t1067Ct0.0009067 001 = 134k RD= t213CT= 0000113001 =77k t2一般應(yīng)

20、取遠(yuǎn)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 00009(00001+00009)=0.9。 (2)R2和 RP1 的選取 VREF輸出的最大電流為 50mA， 一般在 40mA 以下取值 。若取定IREF=1 5mA變化 ，RP1設(shè)為零值時(shí)可算得 R2為： R2= VREFIREF=51V5mA=lk RP1設(shè)置為最大值時(shí)可算得 ： RP1+ R2= VREFIREF= 51VlmA =5.1k RP1 = 41k (3)其它引腳器件的確定 R5電阻的選取要用調(diào)試方法確定，一般選取一個(gè)可調(diào)電位器 Rw和一個(gè)固定的R串聯(lián)組成 Rs=Rw+R 的結(jié)構(gòu)。當(dāng) Rw調(diào)為零時(shí)，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Vo1 +Vo2=3V驅(qū)動輸入電流最大允許