1、畢業論文畢業設計論文設計（論文）題目： 直流電動機PWM控制系統設計 下達日期： 2013年 12月9日開 始 日 期：2013年12月9 日完 成 日 期：2013年 1 月日指 導 教 師：學 生 專業： 電氣自動化 班 級：學 生 姓 名：教研室主任：學 院： 電氣工程 摘 要直流電機由于具有速度控制容易，啟、制動性能良好，且在寬范圍內平滑調速等特點而在冶金、機械制造、輕工等工業部門中得到廣泛應用。直流電動機轉速的控制方法可分為兩類，即勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時受到磁飽和的限制，高速時受到換向火花和換向器結構強度的限制;而且由于勵磁線圈電感

2、較大，動態響應較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調速的電樞電壓控制法。調節電阻R即可改變端電壓，達到調速目的。但這種傳統的調壓調速方法效率低。隨著電力電子技術的進步，發展了許多新的電樞電壓控制方法，其中PWM(脈寬調制)是常用的一種調速方法。其基本原理是用改變電機電樞(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，在脈寬調速系統中，當電機通電時，其速度增加；電機斷電時，其速度減低。脈沖寬度調制PWM(Pulse Width Modulation),就是指保持開關周期T不變，調節開關導通時間t對脈沖的寬度進行調制的技術。PWM控制技術以其控制簡單,靈活和動態響應好的優點而成為電

3、力電子技術等領域最廣泛應用的控制方式。本文利用SG3524集成PWM控制器設計了一個基于PWM控制的直流調速系統，本系統采用了電流轉速雙閉環控制，并且設計了完善的保護措施，既保障了系統的可靠運行，又使系統具有較高的動、靜態性能。只要按照一定的規律改變通、斷電的時間，即可使電機的速度達到并保持以穩定值。最近幾年來，隨著微電子技術和計算機技術的發展及單片機的廣泛應用，使調速裝置向集成化、小型化和智能化方向發展。本電機調速系統采用脈寬調制方式，與晶閘管調速相比技術先進可減少對電源的污染。為使整個系統能正常安全地運行, 過流、過載、過壓、欠壓保護電路, 另外還有過壓吸收電路。確保了系統可靠運行。關鍵詞

4、：脈沖寬度調制,開關 ,直流調速系統 ,雙閉環控制目錄直流電動機PWM控制系統設計·········································11第一章、設計分析

5、83;·················································

6、83;111雙閉環調速系統的結構圖·········································112調速系統起動過程的電流和轉速波形···

7、····························113 H橋雙極式逆變器的工作原理···················&

8、#183;··················114 PWM調速系統的靜特性····························

9、3;···············13第二章、電路設計·································

10、··················161給定基準電源······························

11、83;····················142雙閉環調節器電路設計···························&#

12、183;···············15 （1）電流調節器································

13、83;················15 （2）轉速調節器·······························

14、3;················15 3SG3524信號產生電路·······························

15、··············164 IGBT基極驅動電路原理·································&#

16、183;········185 基于EXB841驅動電路設計······································&#

17、183;186 鋸齒波信號發生電路·············································197轉速及電流檢測電路&

18、#183;············································20 （1） 轉速檢測電路···

19、············································20 （2） 電流檢測電路····

20、;···········································20第三章、參數整定·····&

21、#183;·············································211CT,RT，RD的選取··

22、;···············································212R2和 RP1 的選取

23、83;···············································21 3其它引腳器件的確定&#

24、183;············································21第四章、電路圖總體設計···&

25、#183;·········································23第五章、結束語······

26、3;··············································24第六章、參考文獻··

27、················································25第一章、設計分析1雙

28、閉環調速系統的結構圖直流雙閉環調速系統的結構圖如圖1所示，轉速調節器與電流調節器串極聯結，轉速調節器的輸出作為電流調節器的輸入，再用電流調節器的輸出去控制PWM裝置。其中脈寬調制變換器的作用是：用脈沖寬度調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調節電機轉速，達到設計要求。圖1-1 雙閉環調速系統的結構圖2 調速系統起動過程的電流和轉速波形如圖1-2所示，這時，啟動電流成方波形，而轉速是線性增長的。這是在最大電流（轉矩）受限的條件下調速系統所能得到的最快的起動過程。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b

29、)(a)帶電流截止負反饋的單閉環調速系統起動過程 (b)理想快速起動過程圖1-2 調速系統起動過程的電流和轉速波形3 H橋雙極式逆變器的工作原理脈寬調制器的作用是：用脈沖寬度調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定寬度可變的脈沖電壓序列，從而平均輸出電壓的大小，以調節電機轉速。H形雙極式逆變器電路如圖1-3所示。這時電動機M兩端電壓的極性隨開關器件驅動電壓的極性變化而變化。圖1-3 H形雙極式逆變器電路雙極式逆變器的四個驅動電壓波形如圖4所示。圖1-4 H形雙極式逆變器的驅動電壓波形他們的關系是：。在一個開關周期內，當時，晶體管、飽和導通而、截止，這時。當時，、截止，但、不能立即導通，電

30、樞電流經、續流，這時。在一個周期內正負相間，這是雙極式PWM變換器的特征，其電壓、電流波形如圖2所示。電動機的正反轉體現在驅動電壓正、負脈沖的寬窄上。當正脈沖較寬時，則的平均值為正，電動機正轉，當正脈沖較窄時，則反轉；如果正負脈沖相等，平均輸出電壓為零，則電動機停止。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為（1-1）如果定義占空比，電壓系數則在雙極式可逆變換器中（1-2）調速時，的可調范圍為01相應的。當時，為正，電動機正轉；當時，為負，電動機反轉；當時，電動機停止。但電動機停止時電樞電壓并不等于零，而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個交變電流的平均值等于零，不產生平均轉

31、矩，徒然增大電動機的損耗這是雙極式控制的缺點。但它也有好處，在電動機停止時仍然有高頻微震電流，從而消除了正、反向時靜摩擦死區。雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有以下優點：1）電流一定連續。2）可使電動機在四象限運行。3）電動機停止時有微震電流，能消除靜摩擦死區。4）低速平穩性好，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 PWM調速系統的靜特性由于采用了脈寬調制，電流波形都是連續的，因而機械特性關系式比較簡單，電壓平衡方程如下（1-3）（1-4）按電壓平衡方程求一個周期內的平均值，即可導出機械特性方程式，電樞兩端在一個周期內的電壓都是，平均電流用表示，平均轉速，而電樞電感壓降的

32、平均值在穩態時應為零。于是其平均值方程可以寫成（1-5）則機械特性方程式（1-6）第二章、電路設計H橋式可逆直流脈寬調速系統主電路的如圖2-1所示。PWM逆變器的直流電源由交流電網經不控的二極管整流器產生，并采用大電容濾波，以獲得恒定的直流電壓。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電動機制動時只好對濾波電容充電，這時電容器兩端電壓升高稱作“泵升電壓”。為了限制泵升電壓，用鎮流電阻Rz消耗掉這些能量，在泵升電壓達到允許值時接通VTz。圖2-1 H橋式直流脈寬調速系統主電路四單元IGBT模塊型號：20MT120UF 主要參數如下：=1200V =16A =1001給定基準電源此電路用于

33、產生±15V電壓作為轉速給定電壓以及基準電壓，如圖2-2所示：圖2-2 給定基準電源電路2 雙閉環調節器電路設計為了實現閉環控制，必須對被控量進行采樣，然后與給定值比較，決定調節器的輸出，反饋的關鍵是對被控量進行采樣與測量。（1）電流調節器由于電流檢測中常常含有交流分量，為使其不影響調節器的輸入，需加低通濾波。此濾波環節傳遞函數可用一階慣性環節表示，由初始條件知濾波時間常數，以濾平電流檢測信號為準。為了平衡反饋信號的延遲，在給定通道上加入同樣的給定濾波環節，使二者在時間上配合恰當。圖2-3 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調節器（2） 轉速調節器轉速反饋電路如圖2-4所示，由測速發電

34、機得到的轉速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，由初始條件知濾波時間常數。根據和電流環一樣的原理，在轉速給定通道上也加入相同時間常數的給定濾波環節。圖2-4 含給定濾波與反饋濾波的PI型電轉速調節器3 信號產生電路本設計采用集成脈寬調制器SG3524作為脈沖信號發生的核心元件。根據主電路中IGBT的開關頻率，選擇適當的、值即可確定振蕩頻率。電路中的PWM信號由集成芯片SG3524產生，SG3524采用是定頻PWM電路,DIP-16型封裝。由SG3524構成的基本電路如圖2-5所示，由15腳輸入+15V電壓，用于產生+5V基準電壓。在6、7引腳之間接入外部阻容元件構成PI調節器，可提高穩態精度

35、。12、13引腳通過電阻與+15V電壓源相連，供內部晶體管工作，由電流調節器輸出的控制電壓作為2引腳輸入，通過其電壓大小調節12、13引腳的輸出脈沖寬度，實現脈寬調制變換器的功能實現。圖2-5 SG3524管腳圖圖2-6 SG3524引腳接線圖圖2-7 SG3524內部框圖主要參數：輸入電壓Uimax：40V 輸出電流：500mA 好散功率：1W4 IGBT基極驅動電路原理工作原理如圖2-8所示圖2-8 EXB841內部結構圖EXB841 系列驅動器的各引腳功能如下：腳1 ：連接用于反向偏置電源的濾波電容器；腳2 ：電源（ 20V ）；腳3 ：驅動輸出；腳4 ：用于連接外部電容器，以防止過流保

36、護電路誤動作（大多數場合不需要該電容器）；腳5 ：過流保護輸出；腳6 ：集電極電壓監視；腳7 、8 ：不接；腳9 ：電源；腳10 、11 ：不接；腳14 、15 ：驅動信號輸入（-，）；5 基于EXB841驅動電路設計驅動電路中V5起保護作用，避免EXB841的6腳承受過電壓，通過VD1檢測是否過電流，接VZ3的目的是為了改變EXB模塊過流保護起控點，以降低過高的保護閥值從而解決過流保護閥值太高的問題。R1和C1及VZ4接在+20V電源上保證穩定的電壓。VZ1和VZ2避免柵極和射極出現過電壓，Rge是防止IGBT誤導通。針對EXB841存在保護盲區的問題，可如圖12所示將EXB841的6腳的超

37、快速恢復二極管VDI換為導通壓降大一點的超快速恢復二極管或反向串聯一個穩壓二極管，也可采取對每個脈沖限制最小脈寬使其大于盲區時間，避免IGBT過窄脈寬下的低輸出大功耗狀態。針對EXB841軟關斷保護不可靠的問題，可以在EXB841的5腳和4腳間接一個可變電阻，4腳和地之間接一個電容，都是用來調節關斷時間，保證軟關斷的可靠性。針對負偏壓不足的問題，可以考慮提高負偏壓。一般采用的負偏壓是-5V，可以采用-8V的負偏壓(當然負偏壓的選擇受到IGBT柵射極之間反向最大耐壓的限制)，輸人信號被接到15腳，EXB841正常工作驅動IGBT.圖2-9 EXB841驅動IGBT設計圖主要參數：電源電壓：20V

38、 最大輸出功率：47mA 最高工作頻率：10kHz6 鋸齒波信號發生電路鋸齒波信號發生器SG的輸出信號Us與控制信號在PWM轉換器（SG3524）中進行比較，PWM輸出幅度恒定、寬度變化的方波脈沖序列，即PWM波。SG電路可有UJT或者PUT構成。UJT鋸齒波信號發生器基本電路如圖2-10所示圖2-10 鋸齒波信號發生電路7轉速及電流檢測電路（1） 轉速檢測電路轉速檢測電路如圖2-11所示。與電動機同軸安裝一臺測速發電機，從而引出與被調量轉速成正比的負反饋電壓，與給定電壓相比較后，得到轉速偏差電壓輸送給轉速調節器。測速發電機的輸出電壓不僅表示轉速的大小，還包含轉速的方向，測速電路如圖15所示，

39、通過調節電位器即可改變轉速反饋系數。圖2-11 轉速檢測電路（2） 電流檢測電路通過霍爾傳感器測量電流的電流檢測電路原理如圖2-12所示。圖2-12  閉環霍爾電流傳感器的工作原理霍爾電流傳感器的結構如圖13所示。用一環形導磁材料作成磁芯，套在被測電流流過的導線上，將導線中電流感生的磁場聚集起來，在磁芯上開一氣隙，內置一個霍爾線性器件，器件通電后，便可由它的霍爾輸出電壓得到導線中流通的電流。閉環霍爾電流傳感器主要有以下特點：1）可以同時測量任意波形電流，如：直流、交流、脈沖電流；2）副邊測量電流與原邊被測電流之間完全電氣隔離，絕緣電壓一般為2kV12kV；3）電流測量范圍寬，可測量額

40、定1mA50kA電流；4）跟蹤速度di/dt>50A/s；5）線性度優于0.1IN；6）響應時間<1s；7）頻率響應0100kHz。第三章、參數整定(1)CT,RT，RD的選取 SG1525集成控制器可輸出01400kHz的脈沖頻率 ，對應 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的關系用下式確定f=l(t1+ t2 )=1(067R1CTR1+1.3RDCT ) 例如f= lkHz，T= 0001s，取 定t1= 002s，t2=016s，可算得Ce=0.122V·min/r時的 RT與RD分別