電拖課程設計運用脈沖寬度調制設計直流電機PWM控制調速系統(tǒng)

1、前言在當今的社會生活中，電子科學技術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速系統(tǒng)。相較于交流電動機，直流電動機結構復雜、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速性能、較大的啟動轉矩和過載能力強，適宜在廣泛的范圍內平滑調速，所以直流調速系統(tǒng)至今仍是自調速系統(tǒng)中的重要形式。而伴隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，開關速度更快、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；開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較?。坏退傩阅芎茫€(wěn)速精度高，調速范圍寬，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)抗擾能力強；功率開關器件工作在開關狀態(tài)，導通損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，因而裝置效率較高；直流電源采用不控整流時，電網功率因數比相控整流器高。本設計采用PWM技術來對直流電機進行調速，與一般直流調速相比，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。1.1 設計內容本次課程設計是運用脈沖寬度調制設計直流電機PWM控制調速系統(tǒng)。1.2 任務要求設計要求：介紹直流電機PWM控制調速基本原理。設計出主電路、轉速調節(jié)電路、PWM驅動裝置控制電路、基極驅動電路，并進行系統(tǒng)調試。2 脈寬調制PWM2.1脈寬調制PWM簡介脈寬調制的全稱為：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。燈具調光或直流電動機調速、HW-1020型調速器、就是利用脈寬調制(PWM)原理制作的馬達調速器。PWM調速器已經在工業(yè)直流電機調速、工業(yè)傳送帶調速、燈光照明調解、計算機電源散熱、直流電扇等、得到廣泛應用。脈寬調制（PWM）技術用于直流電機調速，可簡化電路結構，減小設備體積，減輕設備重量，并且控制方便，性能穩(wěn)定。2.2 PWM基本原理脈沖寬度調制（PWM）是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法。通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數字的，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，在脈寬調速系統(tǒng)中，當電機通電時，其速度增加；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。2.3 PWM控制調速優(yōu)點PWM控制調速系統(tǒng)的優(yōu)點有：（1）簡化了主電路和控制電路的結構，使裝置的體積變小，重量減輕，造價下降，所用功率元件少，且工作于開關狀態(tài)，因此電路的導通損耗小，工作效率比較高。（2）開關頻率高，可避開機床的共振區(qū)，工作平穩(wěn)。（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。（4）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調速范圍寬。（5）改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能和電機的運行性能，提高了調節(jié)速度，使調節(jié)過程中電壓與頻率配合較好，動態(tài)響應好，抗干擾能力強，可靠性能高。3直流電機PWM控制調速系統(tǒng)設計3.1直流電機PWM控制調速系統(tǒng)基本原理PWM方式是在大功率開關晶體管的基極上，加上脈沖寬度可調的方波電壓，控制開關管的導通時間t，改變占空比，達到控制目的。直流電機PWM控制調速系統(tǒng)原理框圖如圖3.1所示。本系統(tǒng)主要有信號發(fā)生電路、PWM速度控制電路、電機驅動電路等幾部分組成。整個系統(tǒng)上采用了轉速、電流雙閉環(huán)控制結構。在此系統(tǒng)中有兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級連接，即以轉速調節(jié)器的輸出作為電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出作速度調節(jié)器 調節(jié)器 驅動電路直流斬波器電流調節(jié)器電動機速度傳感器速度反饋UCMD+_Ugi+ _Ufi 電流反饋U0b1b2b3b4PWM 圖3.1 直流電動機PWM系統(tǒng)原理圖為PWM的控制電壓。核心部分是脈沖功率放大器和脈寬調制器?？刂撇糠植捎肧G1525（脈寬調制芯片SG1525具有欠壓鎖定、故障關閉和軟起動等功能,因而在中小功率電源和電機調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,簡化了補償網絡的設計。）集成控制器產生兩路互補的PWM脈沖波形，通過調節(jié)這兩路波形的寬度來控制H電路中的GTR通斷時間，便能夠實現對電機速度的控制。為了獲得良好的動、靜態(tài)品質，調節(jié)器采用PI調節(jié)器并對系統(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。3.2 PWM驅動裝置 PWM驅動裝置是利用大功率晶體管的開關特性來調制固定電壓的直流電源，按一個固定的頻率來接通和斷開，并根據需要改變一個周期內“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”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉速。因此，這種裝置又稱為“開關驅動裝置”。圖3.2為PWM驅動裝置控制電路框圖。該控制電路包括恒頻波形發(fā)生器、脈寬調制器、脈沖分配電路等脈寬調速系統(tǒng)所特有的電路。恒頻波形發(fā)生器脈寬調制電路脈沖分配電路基極驅動電路L1L2L3MUC UD功率轉換電路US+圖3.2 PWM驅動裝置控制電路框圖（1）恒頻波形發(fā)生器它的作用是產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控制器產生。（2）脈寬調制器它的作用是實現電壓、脈寬的轉換（V/M），即形成PWM信號。（3）脈沖分配電路在可逆PWM變換器中，上、下兩個晶體管經常交替工作。由于晶體管存在關斷時間，因此有可能能造成在一個晶體管未完全關斷時，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，根據功率轉換電路的工作要求，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導通。脈沖分配電路如圖3.3所示。在圖3.3中，晶體管V1、V4是同時關斷的，V2、V3也是同時導通同時關斷的，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秒后同時關斷，間隔一定時間之后，再使V2、V3同時導通T2秒后同時關斷。電動機電樞端電壓的平均值為： （3.1）由于，Ua值的范圍是-Ud+Ud，因而電動機可以在正反兩個方向調速運轉。MV1 UaV3V2Ud/2Ud/2V4圖3.3 脈沖分配電路3.3 控制電路 PWM控制的示意圖如圖3.4所示，可控開關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S斷開時，中斷了供電電源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： （3.2）式中，ton為開關每次接通的時間，T為開關通斷的工作周期（即開關接通時間ton和關斷時間toff之和），為占空比，= ton/T 。 M+USVDiaS圖3.4 PWM控制示意圖由式（3.2）可見，改變開關接通時間ton和開關周期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，因而電動機轉速得到了控制。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控制器產生的PWM信號，經驅動電路隔離放大后，驅動晶體管。輸出的PWM電壓平均值按下式變化，其中的值由SG1525定頻調寬法，即T1+T2=T保持一定，使T1在0T范圍內變化來調節(jié)。 （3.3）系統(tǒng)的直流主回路電源VD，經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脈寬可調控電壓Ua，Ua再經LC濾波得到直流電機兩端的平直直流電壓Va。 圖3.5 控制電路的原理圖3.4轉速、電流雙閉環(huán)調節(jié)電路在雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)中設置了兩個調節(jié)器，轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，電流調節(jié)器的輸出控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。轉速、電流調節(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對電流環(huán)進行檢測，轉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，轉速和電流兩個調節(jié)器都采用 PI 調節(jié)器。PI調節(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。圖3.6 轉速、電流調節(jié)電路原理圖在圖3.6中，ASR為轉速調節(jié)器，ACR為電流調節(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，UPE為電力電子變換器，Un*為轉速給定電壓，Un為轉速反饋電壓，Ui*為電流給定電壓，Ui為電流反饋電壓。把比例運算電路和積分電路組合起來就構成了比例積分調節(jié)器，如圖3.7所示，圖3.7 PI調節(jié)器電路由此可知： （3.4） （3.5） （3.6）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，此時相當于比例調節(jié)器，它可以毫無延遲地起調節(jié)作用，故調節(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)。轉速調節(jié)器是調速系統(tǒng)的主導調節(jié)器，它使轉速跟隨其給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時實現轉速無靜差，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。電流調節(jié)器使電流緊緊跟隨其給定電壓變化，對電網電壓的波動起及時抗擾作用，在轉速動態(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時，限制電樞電流的最大值，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。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，送到速度調節(jié)器ASR的輸入端。速度調節(jié)器的輸出Ui*作為電流調節(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，送到電流調節(jié)器ACR的輸入端，電流調節(jié)器的輸出Uct送到觸發(fā)器，以控制可控整流器，整流器為電動機提供直流電壓Ud。3.5基極驅動電路系統(tǒng)采用的功率驅動電路取決于主開關管V的器件類別。用不同類別的主開關其功率驅動電路也不同。本系統(tǒng)采用BJT功率晶體管的驅動電路。圖3.8是驅動BJT功率晶體管的一種用的雙電源光電耦合驅動電路。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。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的可靠關斷。因BJT發(fā)極與電感 L相連，電容C還有效隔斷驅動路和L強電電路的直流電聯系。V01 +V02為高電平時，T4導通，T3和穩(wěn)壓管關斷，Vcc經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。圖3.8 基極驅動電路R2在BJT關斷瞬間，限制電容C經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動電路。3.6主電路的設計在系統(tǒng)主電路部分，采用的是以大功率GTR為開關元件、H橋電路為功率放大電路所構成的電路結構，如圖3.9所示。 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，同時關斷，且兩組晶體管之間可以是交替的導通和關斷。欲使電動機M向正方向轉動，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，則使控制電壓Uk為負即可。SMMVT1 Ub1 VT2 Ub2 VD1 VD2 VD3VD4 VT3 Ub3 VT4 Ub4 A B 1 4 2 3 圖3.9 H橋式可逆PWM變換器正向運行波形圖如圖3.10所示。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 。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 。ton TUdEidtUi+Us-Us0如圖3.10 正向電動運行波形圖反向運行波形圖如圖3.11所示。第1階段，在0 t ton期間，Ub2、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 。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 。tldEUd-Uston T Ui+Us圖3.11 反向電動運行波形圖雙極式控制的橋式可逆PWM變換器的優(yōu)點：（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電機在四象限運行；（3）電機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；（4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調速范圍可達1:20000左右；（5）低速時，每個開關器件的驅動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。4設計結果及分析(1)CT，RT，RD的選取SG1525集成控制器可輸出0.1400kHz的脈沖頻率，對應 CT= 0.0010.1 F，RT=2150 k取值。一般對于BJT和GT0器件可取 f=1kHz以下，IGBT器件取f= 10kHz左右。f與CT，RT，RD的關系用下式確定： (4.1)例如若f= lkHz，T= 0.001s，取 定t1=0.0009s，t2=0.0001s，可算得CT=0.0lF時的 RT與RD分別為： (4.2) (4.3)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。(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=15mA變化，RP1設為零值時可算得 R2為： (4.4)RP1設置為最大值時可算得： (4.5) RP1 = 4.1 k (4.6)(3)其它引腳器件的確定 R5電阻的選取要用調試方法確定，一般選取一個可調電位器 Rw和一個固定的R串聯組成 Rs=Rw+R 的結構。當 Rw調為零時，R的大小要足以限制功率驅動電路的輸入電流不超過允許值。例如，功率驅動電路要求V01 +V02=3V。驅動輸入電流最大允許值為50mA，忽略圖2中 Tt或T2導通壓降最小值(sat)，可算得R5電阻應為： (4.7)可選取R5=300，略大于計算值的電阻。由于R5上有較大的電流，還要注意其瓦數的選擇,此處可選?？偨Y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)是基于現代電力技術，采用PWM控制技術構成的閉環(huán)調速系統(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。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)認真嚴謹的工作作風和實事求是的工作態(tài)度。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，為以后工作打下堅實基礎。參考文獻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.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.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.4高美霞,吳振奎,魏毅力,王小芹直流PWM調速系統(tǒng)研究A包頭鋼鐵學院.2000年.5邱丹,王東,高振東.直流電機PWM 閉環(huán)調速系統(tǒng)A青島大學機電工程學院.1999年 .15