电拖课程设计运用脉冲宽度调制设计直流电机PWM控制调速系统

1、前言在当今的社会生活中，电子科学技术的运用越来越深入到了各行各业之中，并得到了长足的发展和进步，自动化控制系统更是得到了广泛的应用，其中一项重要的应用就是自动调速系统。相较于交流电动机，直流电动机结构复杂、价格昂贵、制造困难且不容易维护，但由于直流电动机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力强，适宜在广泛的范围内平滑调速，所以直流调速系统至今仍是自调速系统中的重要形式。而伴随着电力电子技术的不断发展，开关速度更快、控制更容易的全控性功率器件MOSFET和IGBT成为主流，PWM表现出了越大的优越性：主电路线路简单，需用的功率器件少；开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1:10000左右；若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。本设计采用PWM技术来对直流电机进行调速，与一般直流调速相比，既减少了对电源的污染，而且使控制过程更简单方便，减少了对人力资源的使用，又因为线路的简单化、功率器件需用的减少，使系统的维护、维修变得更加简单了，但动、静态性能却提高了。1.1 设计内容本次课程设计是运用脉冲宽度调制设计直流电机PWM控制调速系统。1.2 任务要求设计要求：介绍直流电机PWM控制调速基本原理。设计出主电路、转速调节电路、PWM驱动装置控制电路、基极驱动电路，并进行系统调试。2 脉宽调制PWM2.1脉宽调制PWM简介脉宽调制的全称为：Pulse Width Modulator，简称PWM，由于它的特殊性能常被用于直流负载回路中。灯具调光或直流电动机调速、HW-1020型调速器、就是利用脉宽调制(PWM)原理制作的马达调速器。PWM调速器已经在工业直流电机调速、工业传送带调速、灯光照明调解、计算机电源散热、直流电扇等、得到广泛应用。脉宽调制（PWM）技术用于直流电机调速，可简化电路结构，减小设备体积，减轻设备重量，并且控制方便，性能稳定。2.2 PWM基本原理脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。简而言之，就是用改变电机电枢(定子)电压的接通和断开的时间比(占空比)来控制马达的速度，在脉宽调速系统中，当电机通电时，其速度增加；电机断电时，其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持一稳定值。2.3 PWM控制调速优点PWM控制调速系统的优点有：（1）简化了主电路和控制电路的结构，使装置的体积变小，重量减轻，造价下降，所用功率元件少，且工作于开关状态，因此电路的导通损耗小，工作效率比较高。（2）开关频率高，可避开机床的共振区，工作平稳。（3）采用功率较小的低惯量电机时，具有高的定位速度和精度。（4）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽。（5）改善了系统的动态性能和电机的运行性能，提高了调节速度，使调节过程中电压与频率配合较好，动态响应好，抗干扰能力强，可靠性能高。3直流电机PWM控制调速系统设计3.1直流电机PWM控制调速系统基本原理PWM方式是在大功率开关晶体管的基极上，加上脉冲宽度可调的方波电压，控制开关管的导通时间t，改变占空比，达到控制目的。直流电机PWM控制调速系统原理框图如图3.1所示。本系统主要有信号发生电路、PWM速度控制电路、电机驱动电路等几部分组成。整个系统上采用了转速、电流双闭环控制结构。在此系统中有两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出作速度调节器 调节器 驱动电路直流斩波器电流调节器电动机速度传感器速度反馈UCMD+_Ugi+ _Ufi 电流反馈U0b1b2b3b4PWM 图3.1 直流电动机PWM系统原理图为PWM的控制电压。核心部分是脉冲功率放大器和脉宽调制器。控制部分采用SG1525（脉宽调制芯片SG1525具有欠压锁定、故障关闭和软起动等功能,因而在中小功率电源和电机调速等方面应用较广泛。SG1525是电压型控制芯片,利用电压反馈的方法控制PWM信号的占空比,整个电路成为双极点系统的控制问题,简化了补偿网络的设计。）集成控制器产生两路互补的PWM脉冲波形，通过调节这两路波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，便能够实现对电机速度的控制。为了获得良好的动、静态品质，调节器采用PI调节器并对系统进行了校正。检测部分中，采用了霍尔片式电流检测装置对电流环进行检测，转速还则是采用了测速电机进行检测，能达到比较理想的检测效果。3.2 PWM驱动装置 PWM驱动装置是利用大功率晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电源，按一个固定的频率来接通和断开，并根据需要改变一个周期内“接通”与“断开”时间的长短，通过改变直流伺服电动机电枢上电压的“占比空”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，这种装置又称为“开关驱动装置”。图3.2为PWM驱动装置控制电路框图。该控制电路包括恒频波形发生器、脉宽调制器、脉冲分配电路等脉宽调速系统所特有的电路。恒频波形发生器脉宽调制电路脉冲分配电路基极驱动电路L1L2L3MUC UD功率转换电路US+图3.2 PWM驱动装置控制电路框图（1）恒频波形发生器它的作用是产生频率恒定的振荡信号作为时间比较的基准，其波形可以是三角形波或锯齿波。PWM波由具有输出的PWM控制器产生。（2）脉宽调制器它的作用是实现电压、脉宽的转换（V/M），即形成PWM信号。（3）脉冲分配电路在可逆PWM变换器中，上、下两个晶体管经常交替工作。由于晶体管存在关断时间，因此有可能能造成在一个晶体管未完全关断时，另一个晶体管已导通，从而使电源短路。为了避免这种情况发生，根据功率转换电路的工作要求，设置了大功率晶体管的导通次序，即脉冲分配电路，使大功率晶体管能按照指定的顺序导通。脉冲分配电路如图3.3所示。在图3.3中，晶体管V1、V4是同时关断的，V2、V3也是同时导通同时关断的，但V1与V2、V3与V4都不允许同时导通，否则电源Ud直通短路。设V1、V4先同时导通T1秒后同时关断，间隔一定时间之后，再使V2、V3同时导通T2秒后同时关断。电动机电枢端电压的平均值为： （3.1）由于，Ua值的范围是-Ud+Ud，因而电动机可以在正反两个方向调速运转。MV1 UaV3V2Ud/2Ud/2V4图3.3 脉冲分配电路3.3 控制电路 PWM控制的示意图如图3.4所示，可控开关S以一定的时间间隔重复地接通和断开，当S接通时，供电电源Us通过开关S施加到电动机两端，电源向电机提供能量，电动机储能；当开关S断开时，中断了供电电源Us向电动机电流继续流通。这样，电动机得到的电压平均值Uas为： （3.2）式中，ton为开关每次接通的时间，T为开关通断的工作周期（即开关接通时间ton和关断时间toff之和），为占空比，= ton/T 。 M+USVDiaS图3.4 PWM控制示意图由式（3.2）可见，改变开关接通时间ton和开关周期T的比例也即改变脉冲的占空比，电动机两端电压的平均值也随之改变，因而电动机转速得到了控制。图3.5为控制电路的原理图。图中V为大功率晶体管，C1、R1、VD1为过电压吸收电路。由SG1525集成PWM控制器产生的PWM信号，经驱动电路隔离放大后，驱动晶体管。输出的PWM电压平均值按下式变化，其中的值由SG1525定频调宽法，即T1+T2=T保持一定，使T1在0T范围内变化来调节。 （3.3）系统的直流主回路电源VD，经三相桥式不可控整流滤波电路供电。当被流电机的额定功率较小时，VD也可由单相桥式不可控整流滤波电路供电。系统由主开关器件V的PWM斩波渡控制，在电感L左端形成主控回路的PWM脉宽可调控电压Ua，Ua再经LC滤波得到直流电机两端的平直直流电压Va。 图3.5 控制电路的原理图3.4转速、电流双闭环调节电路在双闭环直流调速系统中设置了两个调节器，转速调节器的输出当作电流调节器的输入，电流调节器的输出控制晶闸管整流器的触发装置。转速、电流调节电路原理图如图3.6所示，检测部分中，采用了霍尔片式电流检测装置对电流环进行检测，转速则是采用了测速电机进行检测。为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器都采用 PI 调节器。PI调节器的输出由两部分组成，第一部分是比例部分，第二部分是积分部分。图3.6 转速、电流调节电路原理图在图3.6中，ASR为转速调节器，ACR为电流调节器，GT为触发装置，M为直流电动机，TG为测速发电机，TA为电流互感器，UPE为电力电子变换器，Un*为转速给定电压，Un为转速反馈电压，Ui*为电流给定电压，Ui为电流反馈电压。把比例运算电路和积分电路组合起来就构成了比例积分调节器，如图3.7所示，图3.7 PI调节器电路由此可知： （3.4） （3.5） （3.6）当突加输入信号Ui时，开始瞬间电容C1相当于短路，反馈回路中只有电阻R1，此时相当于比例调节器，它可以毫无延迟地起调节作用，故调节速度快；而后随着电容C1被充电而开始积分，U0线性增长，直到稳态。转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速跟随其给定电压变化，稳态时实现转速无静差，对负载变化起抗扰作用，其输出限幅值决定电机允许的最大电流。电流调节器使电流紧紧跟随其给定电压变化，对电网电压的波动起及时抗扰作用，在转速动态过程中能够获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程，当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。图3.6中，来自速度给定电位器给定的信号Un*与速度反馈信号Un比较后，偏差为Un= Un*-Un，送到速度调节器ASR的输入端。速度调节器的输出Ui*作为电流调节器ACR的给定信号，与电流反馈信号Ui比较后，偏差为Un= Ui*-Ui，送到电流调节器ACR的输入端，电流调节器的输出Uct送到触发器，以控制可控整流器，整流器为电动机提供直流电压Ud。3.5基极驱动电路系统采用的功率驱动电路取决于主开关管V的器件类别。用不同类别的主开关其功率驱动电路也不同。本系统采用BJT功率晶体管的驱动电路。图3.8是驱动BJT功率晶体管的一种用的双电源光电耦合驱动电路。其工作原理如下：V01 +V02为逻辑低电平时，T4晶体管止。集电极输出高电平至T3基极，稳压管W与T3均导通，使集电极为低电平。一般可设计T3集电极低电平为负值。例如，设计Vca=Vw+VCESa-VCC=-2.6V，受VC3负位制约；BJT基极电位(A点)为VC3+VEB2=-2V(此时T1管VBE1-VEB2=0.6V反偏电压截止)。BJT发射极连于电容 C的联交点 B，可获得直流悬浮零电位VB (VCC-Vc)=0。VC=2VCC(C+C)/C该直流悬浮零电位使 BJT基极发射极间有2V的反向偏置电压，以保证 BJT的可靠关断。因BJT发极与电感 L相连，电容C还有效隔断驱动路和L强电电路的直流电联系。V01 +V02为高电平时，T4导通，T3和稳压管关断，Vcc经R3和T1管基极、发射极向BJT提供基极开通电流，T2管承受VBE1=-VEB2反压截止。R1限制 BJT导通基流的大小。图3.8 基极驱动电路R2在BJT关断瞬间，限制电容C经BJT发射极、基极，T2发射极、集电极，负电源回路的反向恢复电流峰值。调试图3.5中的R5，可改变V01 +V02脉冲的幅值，以适应输入光电耦合电路的参敬定额要求。图3.8电路的适应性较强，也可用于IGBT绝缘栅双极晶体管的功率驱动电路。3.6主电路的设计在系统主电路部分，采用的是以大功率GTR为开关元件、H桥电路为功率放大电路所构成的电路结构，如图3.9所示。 在图3.9中，四只GTR分为两组，VT1和VT4为一组，VT2和VT3为另一组。同一组中的两只GTR同时导通，同时关断，且两组晶体管之间可以是交替的导通和关断。欲使电动机M向正方向转动，则要求控制电压Uk为正，各三极管基极电压波形如图3.10和图3.11所示。欲使电动机反转，则使控制电压Uk为负即可。SMMVT1 Ub1 VT2 Ub2 VD1 VD2 VD3VD4 VT3 Ub3 VT4 Ub4 A B 1 4 2 3 图3.9 H桥式可逆PWM变换器正向运行波形图如图3.10所示。第1阶段，在0 t ton期间，Ub1、Ub4为正，VT1、VT4导通，Ub2、Ub3为负，VT2、VT3截止，电流id沿回路1流通，电动机M两端电压UAB = +Us 。第2阶段，在ton t T期间，Ub1、Ub4为负，VT1、VT4截止，VD2、VD3续流，并钳位使VT2、VT3保持截止，电流id沿回路2流通，电动机M两端电压UAB = Us 。ton TUdEidtUi+Us-Us0如图3.10 正向电动运行波形图反向运行波形图如图3.11所示。第1阶段，在0 t ton期间，Ub2、Ub3为负，VT2、VT3截止，VD1、VD4续流，并钳位使VT1、 VT4截止，电流id沿回路4流通，电动机M两端电压UAB = +Us 。第2阶段，在ton t T 期间，Ub2、Ub3为正，VT2、VT3导通，Ub1、Ub4为负，使VT1、VT4保持截止，电流id沿回路3流通，电动机M两端电压UAB = Us 。tldEUd-Uston T Ui+Us图3.11 反向电动运行波形图双极式控制的桥式可逆PWM变换器的优点：（1）电流一定连续；（2）可使电机在四象限运行；（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）低速平稳性好，系统的调速范围可达1:20000左右；（5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。4设计结果及分析(1)CT，RT，RD的选取SG1525集成控制器可输出0.1400kHz的脉冲频率，对应 CT= 0.0010.1 F，RT=2150 k取值。一般对于BJT和GT0器件可取 f=1kHz以下，IGBT器件取f= 10kHz左右。f与CT，RT，RD的关系用下式确定： (4.1)例如若f= lkHz，T= 0.001s，取 定t1=0.0009s，t2=0.0001s，可算得CT=0.0lF时的 RT与RD分别为： (4.2) (4.3)t2一般应取远小于t1的值,否则影响脉冲占空比(t1/(t1 + t2)和斩波效率。此处的占空比最大值为0.0009/(0.0001+0.0009)=0.9。(2)R2和RP1的选取 VREF输出的最大电流为 50mA，一般在 40mA 以下取值。若取定IREF=15mA变化，RP1设为零值时可算得 R2为： (4.4)RP1设置为最大值时可算得： (4.5) RP1 = 4.1 k (4.6)(3)其它引脚器件的确定 R5电阻的选取要用调试方法确定，一般选取一个可调电位器 Rw和一个固定的R串联组成 Rs=Rw+R 的结构。当 Rw调为零时，R的大小要足以限制功率驱动电路的输入电流不超过允许值。例如，功率驱动电路要求V01 +V02=3V。驱动输入电流最大允许值为50mA，忽略图2中 Tt或T2导通压降最小值(sat)，可算得R5电阻应为： (4.7)可选取R5=300，略大于计算值的电阻。由于R5上有较大的电流，还要注意其瓦数的选择,此处可选。总结通过这次电力拖动基础课程设计后，对电力拖动基础，尤其是直流电机PWM控制调速系统有了很深刻的认识与理解，进一步掌握了电力拖动基础课程所学的理论知识。熟悉PWM控制系统的工作原理。本次设计的直流电机PWM控制调速系统控制原理成熟可靠，运行稳定。该系统是基于现代电力技术，采用PWM控制技术构成的闭环调速系统，启停时对直流系统无冲击。工作安全可靠、维护量小，从而确保了系统的安全运行。通过此次学以致用，更加掌握了电力拖动在实际中的运用。此外，通过本次课程设计，我学会了查阅资料、方案比较、计算、制作、调试等技能，增强了自己的分析、解决实际问题的能力。培养认真严谨的工作作风和实事求是的工作态度。在老师极力帮助下终于完成了本次设计。在此，感谢老师的大力指导。在今后的学习中，一定会更加深入的学习电力拖动技术，为以后工作打下坚实基础。参考文献1顾绳谷主编.电机及拖动基础M.机械工业出版社出版.第4版.2007年.2陈伯时主编.电力拖动自动控制系统M.机械工业出版社出版. 1992年.3辜承林,陈乔夫,熊永前主编.电机学M.华中科技大学出版社出版.第二版.2005年.4高美霞,吴振奎,魏毅力,王小芹直流PWM调速系统研究A包头钢铁学院.2000年.5邱丹,王东,高振东.直流电机PWM 闭环调速系统A青岛大学机电工程学院.1999年 .15