直流電動(dòng)機(jī)PWM 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

《直流電動(dòng)機(jī)PWM 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《直流電動(dòng)機(jī)PWM 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（31頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、直流電動(dòng)機(jī)PWM 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要 直流電機(jī)由于具有速度控制容易，啟、制動(dòng)性能良好，且在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點(diǎn)而在冶金、機(jī)械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類，即勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。勵(lì)磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時(shí)受到磁飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制;而且由于勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。調(diào)節(jié)電阻R即可改變端電壓，達(dá)到調(diào)速目的。但這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速方法效率低。隨著電

2、力電子技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展了許多新的電樞電壓控制方法，其中PWM(脈寬調(diào)制)是常用的一種調(diào)速方法。其基本原理是用改變電機(jī)電樞(定子)電壓的接通和斷開的時(shí)間比(占空比)來(lái)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。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(duì)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(jiǎn)單,靈活和動(dòng)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

3、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(dòng)、靜態(tài)性能。 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)到并保持以穩(wěn)定值。最近幾年來(lái)，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及單片機(jī)的廣泛應(yīng)用，使調(diào)速裝置向集成化、小型化和智能化方向發(fā)展。 本電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制方式，與晶閘管調(diào)速相比技術(shù)先進(jìn)可減少對(duì)電源的污染。為使整個(gè)系統(tǒng)能正常安全地運(yùn)行, 過(guò)流、過(guò)載、過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路, 另外還有過(guò)壓吸收電路。確保了系統(tǒng)可靠運(yùn)行。 關(guān)鍵詞：脈沖寬度調(diào)制,開關(guān),直流調(diào)速系統(tǒng),雙閉環(huán)控制 1．系統(tǒng)內(nèi)容簡(jiǎn)介 直流電機(jī)由于具有速度控制容易，啟、制

4、動(dòng)性能良好，且在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點(diǎn)而在冶金、機(jī)械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類，即勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。勵(lì)磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時(shí)受到磁飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制;而且由于勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。調(diào)節(jié)電阻R即可改變端電壓，達(dá)到調(diào)速目的。但這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速方法效率低。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展了許多新的電樞電壓控制方法，其中PWM(脈寬調(diào)制)是常用的一種調(diào)速方法。其基本原理是用改變電機(jī)電樞(定子)電壓的接通和斷開的時(shí)間比(占空比)來(lái)控

5、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。利用數(shù)字輸出對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種有效技術(shù)，尤其是在對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方面，可大大節(jié)省能量。 PWM 具有很強(qiáng)的抗噪性，且有節(jié)約空間、比較經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。模擬控制電路有以下缺陷:模擬電路容易隨時(shí)間漂移，會(huì)產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以及對(duì)噪聲敏感等。而在用了PWM技術(shù)后，避免了以上的缺陷，實(shí)現(xiàn)了用數(shù)字方式來(lái)控制模擬信號(hào)，可以大幅度降低成本和功耗。 1.1 PWM調(diào)速方案的優(yōu)越性 自從全控型電力電子器件問(wèn)世以后，就出

6、現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器—直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，PWM的H型屬于調(diào)壓調(diào)速，PWM的H橋能實(shí)現(xiàn)大功率調(diào)速；國(guó)內(nèi)的超大功率調(diào)速還要依靠可控硅實(shí)現(xiàn)可控整流來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。本設(shè)計(jì)采用直流極式控制的橋式PWM變換器。與V-M系統(tǒng)相比在很多方面有較大的優(yōu)越性： 1）主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少。 2）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電極損耗及發(fā)熱都較小。 3）低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:20000左右。 4）若是與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。 5）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通道損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率

7、適中時(shí)，關(guān)損耗也不大，因而裝置效率高。 6）直流電機(jī)采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因素比相控整流器高。由于由以上優(yōu)點(diǎn)直流PWM系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的高動(dòng)態(tài)性能中。已完全取代了V--M系統(tǒng)。為達(dá)到更好的機(jī)械特性要求，一般直流電動(dòng)機(jī)都是在閉環(huán)控制下運(yùn)行。經(jīng)常采用的閉環(huán)系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流截至負(fù)反饋。 1.2、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，

8、二者之間實(shí)行串級(jí)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(dòng)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(hào)的占空比,整個(gè)電路成為雙極點(diǎn)系統(tǒng)的控制問(wèn)題,簡(jiǎn)化了補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。）集成控制器產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的PWM脈沖波形，通過(guò)調(diào)節(jié)這兩路波形的寬度來(lái)控制H電路中的GTR通斷時(shí)間，便能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制。為了獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)，調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了校正。

9、檢測(cè)部分中，采用了霍爾片式電流檢測(cè)裝置對(duì)電流環(huán)進(jìn)行檢測(cè)，轉(zhuǎn)速還則是采用了測(cè)速電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，能達(dá)到比較理想的檢測(cè)效果。 2.系統(tǒng)概述 2.1 系統(tǒng)構(gòu)成 本系統(tǒng)主要有信號(hào)發(fā)生電路、PWM速度控制電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等幾部分組成。整9 個(gè)系統(tǒng)上采用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(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(jí)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。從閉環(huán)反饋結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，是內(nèi)環(huán)，按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，成為外環(huán)，按典型Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 為了獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)，

10、調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了校正。檢測(cè)部分中，采用了霍爾片式電流檢測(cè)裝置對(duì)電流環(huán)進(jìn)行檢測(cè)，轉(zhuǎn)速還則是采用了測(cè)速電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，達(dá)到了比較理想的檢測(cè)效果。主電路部分采用了以GTR為可控開關(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)。 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(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)。核心部分是脈沖功率放大器和脈寬調(diào)制器。控制部分采 用SG1525集成控制器產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的PWM脈沖波形，通過(guò)調(diào)節(jié)這兩路波形的寬度來(lái)控制H電路中的GTR通斷時(shí)

11、間，便能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制。 圖1 直流電動(dòng)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(guò)電壓吸收電路。由SG1525集成PWM控制器產(chǎn)生的PWM信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后，驅(qū)動(dòng)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(diào)寬法，即T1+T2=T保持一定，使T1在0～T范圍內(nèi)變化來(lái)調(diào)節(jié)。 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

12、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(dòng)裝置是利用大功率晶體管的開關(guān)特性來(lái)調(diào)制固定電壓的直流電源，按一個(gè)固定的頻率來(lái)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(zhǎng)短，通過(guò)改變11直流伺服電動(dòng)機(jī)電樞上電壓的“占比空”來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，這種裝置又稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。 2.2直流電動(dòng)機(jī)的脈寬調(diào)制的工作原理 直流無(wú)刷電機(jī)由電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。直流電源通過(guò)開關(guān)線路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置由位置傳感器檢測(cè)并提供

13、信號(hào)去觸發(fā)開關(guān)線路中的功率開關(guān)元件使之導(dǎo)通或截止，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。在應(yīng)用實(shí)例中，磁極旋轉(zhuǎn)，電樞靜止，電樞繞組里的電流換向借助于位置傳感器和電子開關(guān)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。電機(jī)的電樞繞組作成三相，轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，與轉(zhuǎn)子軸相連的位置傳感器采用霍爾傳感器。3600范圍內(nèi)，兩兩相差1200安裝，共安裝三個(gè)。為了提高電機(jī)的特性，電機(jī)采用二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的工作方式。開關(guān)電路采用三相橋式接線方式。 PWM驅(qū)動(dòng)裝置是利用大功率晶體管的開關(guān)特性來(lái)調(diào)制固定電壓的直流電源，按一個(gè)固定的頻率來(lái)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(zhǎng)短，通過(guò)改變直流伺服電動(dòng)機(jī)電樞上電壓的“占比空

14、”來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，這種裝置又稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。 PWM控制的示意圖如圖2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(guò)開關(guān)S施加到電動(dòng)機(jī)兩端，電源向電機(jī)提供能量，電動(dòng)機(jī)儲(chǔ)能；當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)，中斷了供電電源US向電動(dòng)機(jī)電流繼續(xù)流通。 圖3 PWM控制示意圖 電壓平均值Uas可用下式表示： Uas= tonUs/T=αUs （1-1） 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)12 斷時(shí)間toff之和），

15、α為占空比，α= ton/T。 由式（1-1）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(dòng)機(jī)兩端電壓的平均值也隨之改變，因而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速得到了控制。 2．3 主回路 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2所示。圖中，四只GTR分為兩組， 1VT和4VT為一組，2VT和3VT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(dòng)機(jī)M 向正方向轉(zhuǎn)動(dòng)，則要求控制電壓kU為正，各三極管基極電壓波形如圖3 所示。欲使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，則使控制電壓kU為負(fù)即

16、可]2[。GTR是一種雙極性大功率高反壓晶體管，它大多用作功率開關(guān)使用,而且 GTR是一種 具有自關(guān)斷能力的全控型電力半導(dǎo)體器件，這一特性可以使各類變流電路的控制更加方便和靈活，線路結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。 圖4雙極式H型PWM變換電路 圖5 雙極式PWM變換電路的電壓、電流波形 （a）,(b) 三極管基極電壓波形 (c) 電樞電壓波形（d）電樞電流波形 (e) 重負(fù)載時(shí)ai波形 (f) E>SU時(shí)ai波形 設(shè)矩形波的周期為T，正向脈沖寬度為1t，并設(shè)λ=1t/T為占空比。則電樞電壓U的平均值avU=（2λ-1）SU=（21t/T-1）SU，并定義雙極性雙極

17、式脈寬放大器的負(fù)載電壓系數(shù) 為 ρ=avU/SU=21t/T-1 即 avU=ρSU 可見，ρ可在-1到+1之間變化。 雙極式PWM變換器的優(yōu)點(diǎn)： 1、電流一定連續(xù)； 2、可使電機(jī)在四象限中運(yùn)行； 3、電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除正、反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)； 4、低速時(shí)，每個(gè)晶體管的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導(dǎo)通； 5、低速平穩(wěn)性好，低速范圍可達(dá)20000左右。 a).正向電動(dòng)運(yùn)行波形 b).反向電動(dòng)運(yùn)行波形 3．單元電路設(shè)計(jì) 3．1 轉(zhuǎn)速、電流雙閉

18、環(huán)調(diào)節(jié)電路 3．1．1電路原理 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。 電流調(diào)節(jié)器在里面稱作內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外面稱作外環(huán)，這樣就形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖7所示。檢測(cè)部分中，采用了霍爾片式電流檢測(cè)裝置對(duì)電流環(huán)進(jìn)行檢測(cè)，轉(zhuǎn)速 15 則是采用了測(cè)速電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。 為了獲得良好的靜、動(dòng)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(lái)就構(gòu)成

19、了比例積分調(diào)節(jié)器，如圖6所示。可知 UO=-I1R1-R0C1 1 ∫Uidt I1=I0=Ui/R0 U0=-R1Ui/R0- R0C1/1∫Uidt 當(dāng)突加輸入信號(hào)Ui時(shí)，開始瞬間電容C1相當(dāng)于短路，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(wú)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(zhǎng)，直到穩(wěn)態(tài)。 圖6 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(wú)靜差，對(duì)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

20、電壓變化，對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用，在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中能夠獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程，當(dāng)電機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。 圖7轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)電路圖 ASR–轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR–電流調(diào)節(jié)器GT–觸發(fā)裝置 M –直流電動(dòng)機(jī)TG–測(cè)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*---電流給電壓Ui---電流反饋電壓 圖中，來(lái)自速度給定電位器給定的信號(hào)Un*與速度反饋信號(hào)Un比較后，偏差為△Un= Un*-Un

21、，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(hào)，與電流反饋信號(hào)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(dòng)機(jī)提供直流電壓Ud.。 3.2 PWM驅(qū)動(dòng)裝置控制電路 PWM kHz圖6為PWM驅(qū)動(dòng)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。 圖8 PWM驅(qū)動(dòng)裝置控制電路框圖 3．2．1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(hào)作為時(shí)間比較的基準(zhǔn)，其波

22、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。 3.2.2脈寬調(diào)制器 SG1525為單片脈寬調(diào)制型控制器芯片，具有輸出5.1V 的基準(zhǔn)穩(wěn)壓電源，誤差放大器、振蕩頻率在100^ 400kHz范圍內(nèi)的鋸齒波振蕩器、軟啟動(dòng)電路、關(guān)閉電路、脈寬調(diào)制比較器、RS寄存器以及保護(hù)電路等。它解決了PWM電路的集成化問(wèn)題，在實(shí)例中用此芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)速。在具體的電路中，首先對(duì)位置傳感器信號(hào)進(jìn)行整形，形成所需要的前后沿很陡，具有一定寬度的波形。經(jīng)微分電路微分，產(chǎn)生的微分脈沖去觸發(fā)時(shí)基電路LM555，形成占空比為2:1的方波，方波頻率約為200Hzo 此方波頻率

23、計(jì)算公式為:f= n * p/ 60式中Y1為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速r/min, f為位置傳感器輸出信號(hào)的頻率、P為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。方波經(jīng)濾波器濾波后，形成直流電壓送人脈寬調(diào)制器，與脈寬調(diào)制器的反饋電壓進(jìn)行比較，利用得到的誤差信號(hào)去控制脈寬調(diào)制器輸出的調(diào)制方波脈沖的寬度變化，即PWM輸出脈沖占空比的變化，利用占空比的變化調(diào)整加在電機(jī)電樞繞組上的電壓，改變電壓隨即改變電機(jī)電流，轉(zhuǎn)速依據(jù)電流的大小來(lái)改變。 結(jié)束語(yǔ)：在應(yīng)用實(shí)例中，PWM對(duì)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，有如下優(yōu)點(diǎn):系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定精度等指標(biāo)比較好;電樞電流的脈動(dòng)量小，容易連續(xù)，而且可以不必外加濾波電抗也可以平穩(wěn)工作;系統(tǒng)的調(diào)速范圍寬;使用元

24、件少、線路簡(jiǎn)單。 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(hào)。SG1525集成控制器由R2 和Rp1分壓給出EA(+)(2引腳)的系統(tǒng)設(shè)定值電壓。這就要求提供此電壓的基準(zhǔn)電源VREF有較高精度。VREF受15引腳VCC1電源電壓的影響。VCC1是標(biāo)準(zhǔn)三端集成穩(wěn)壓器的輸入電壓。VREF是穩(wěn)壓器的輸出電壓 Vcc。低于7V或嚴(yán)重欠電壓時(shí)，VREF的精度值(5．1V1% )就得不到保證；為防止EA(+)設(shè)定值電壓波動(dòng)導(dǎo)致系統(tǒng)失控，在器件內(nèi)部設(shè)置有欠壓鎖定功能。出現(xiàn)欠電壓時(shí)，欠電壓鎖定功能使圖7中 A 端線由低電壓上升為邏輯高電壓．經(jīng)“或”一“或非”門輸出轉(zhuǎn)化為P1= P2

25、=DCBA=DCB1；P1 =2P=1；P1 和P2的邏輯低電壓使輸出驅(qū)動(dòng)晶體管T1和T2 截止，P1和P2的邏輯高電壓使晶體管T和T的集電極對(duì)地導(dǎo)通?？刂破?1 和l4引腳的輸出電壓脈沖消失( V01=V02 = 0)，功率驅(qū)動(dòng)電路輸出至主開關(guān)管V的控制驅(qū)動(dòng)脈沖消失，主開關(guān)管關(guān)斷使直流電機(jī)停轉(zhuǎn)。 欠電壓使A端線高電壓傳遞到T3晶體管基極，T3導(dǎo)通為8引腳外接電容C3，提供放電的徑C3經(jīng)T3發(fā)射極電阻放電為零電壓后，限制了比較器C的PWM 脈沖電壓輸出 ，該脈沖電壓上升為恒定的邏輯高電壓。 PWM 高電壓經(jīng) PWM 鎖存器輸出到D端線仍為恒定的邏輯高壓，C3

26、電容重新充電之前，D端線的高電壓不會(huì)發(fā)生變化。D與 A同為高電壓．雙重封鎖V01和V02為零出欠電壓消失后，欠電壓鎖定功能使A恢復(fù)低電壓正常值，A的低電壓使管恢復(fù)截止。C3電容由50A 電流源緩慢充電。C3充電對(duì)PWM 和D端線脈沖寬度產(chǎn)生影響。同時(shí)對(duì)V01和V02產(chǎn)生影響，其結(jié)果是使V01和V02脈沖由窄緩慢變寬。只有C3充電結(jié)束后V01和V02脈沖寬度才不再受C3充電的影響。參見圖8和圖9。 圖9 SG1525集成PWM控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 由于V01和V02脈沖寬度受C3充電影響緩慢加寬，欠電壓消失后的功率驅(qū)動(dòng)脈沖也是由窄變寬的，主開關(guān)管斬波輸出的直流電壓Va

27、呈現(xiàn)出由小變大的趨勢(shì)，而不是躍變?yōu)槟骋还潭ㄖ惦妷骸＿@種軟啟動(dòng)方式，使系統(tǒng)主回路電機(jī)及開關(guān)器件避免承受過(guò)大的沖擊渲涌電流。C3 一般選用幾微法的電解電容器. 3.2.3系統(tǒng)的故障關(guān)閉功能 為便于從直流電機(jī)主回路接受檢測(cè)到的故障信號(hào)，例如，電機(jī)過(guò)電流，過(guò)電壓，VD直流失壓等故障信號(hào)，集成控制器內(nèi)部T3晶體管基極經(jīng)-50k13電阻連接1引腳。外部故障信號(hào)使Va穩(wěn)壓管導(dǎo)通時(shí)，穩(wěn)壓管導(dǎo)通電流在R6兩端產(chǎn)生邏輯高電壓，此邏輯高電壓使T3管基極上升為邏輯高電壓。由于T3基極與 A端線相連，故障信號(hào)產(chǎn)生的關(guān)閉過(guò)程與欠電壓鎖定過(guò)程類似。即使P1 =P2=0，T1和T2晶體管截止；P1=

28、2P=1， T2T導(dǎo)通。V01=V02=0；關(guān)閉驅(qū)動(dòng)脈沖使主開關(guān)管V關(guān)斷，Va =0，電機(jī)停轉(zhuǎn)。另外，故障信號(hào)使，導(dǎo)通提供8引腳㈩腳C3電容的放電路徑，C3放電到零電壓為軟啟動(dòng)作好準(zhǔn)備。故障消除后T3截止,C3由電流源緩慢充電，V01和V02脈沖由窄變寬，由低值逐漸升高到某固定值，電機(jī)在不承受過(guò)大啟動(dòng)電流的狀態(tài)下．平穩(wěn)上升到某固定轉(zhuǎn)速。 3.2.4系統(tǒng)波形與控制方式分析 系統(tǒng)控制器輸出的控制脈沖電壓V01和V02 (11和14腳)的上跳時(shí)間，由一個(gè)鋸齒波電壓V+的谷點(diǎn)時(shí)刻確定。即V01和V02總是在鋸齒渡電壓V+取最小值時(shí)，由邏輯低電平上跳為邏輯高電平(圖3)。為保證V0

29、1和V02不同時(shí)出現(xiàn)邏輯高電壓 (每間隔一個(gè)鋸齒波出現(xiàn)一次)，Vo1和Vo2的頻率設(shè)置為鋸齒波電壓頻率的二分之一。圖2中，F(xiàn)F 觸發(fā)器在CP脈沖控帝葺下輸出Q和Q兩個(gè)二分頻計(jì)數(shù)脈沖分別至不同或一或非門口B輸入端，即可達(dá)到上述頻率設(shè)置的目地。CP脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻與鋸齒波峰點(diǎn)對(duì)齊，CP后沿下跳時(shí)刻與谷點(diǎn)對(duì)齊，這樣可保證CP與鋸齒渡的同步同頻率變化。CP與鋸齒波V+的同步同頻率設(shè)置功能，由OSC振蕩器完成。CP實(shí)際是由雙門限比較器將鋸齒波電壓整形后的。OSC輸出波形參見圖3。 Vo1和Vo2脈沖的后沿下跳時(shí)刻由鋸齒渡V+ 的上升沿區(qū)間和V一電壓的交點(diǎn)確定，當(dāng)V +上升到V+≥V-的

30、臨界對(duì)應(yīng)時(shí)刻時(shí)，Vo1或Vo2脈沖由邏輯高電平跳變?yōu)檫壿嫷碗娖健Ｕ`差放大器 EA的輸出電壓V-，可由2引腳設(shè)定電位器Rp1調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)Rp1使V-等于V+的谷點(diǎn)電壓時(shí)，Vo1和Vo2的脈寬縮減為零，Vo1= Vo2=0；調(diào)節(jié)RP1使V-等于V+的蜂點(diǎn)電壓時(shí)，Vo1和Vo2的脈寬達(dá)到最大值。由于V-電壓由V+的谷點(diǎn)到峰點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)時(shí)，和V +交點(diǎn)在鋸齒波上升沿移動(dòng)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為t1，Vo1 和Vo2的最大脈沖寬度也為t1。V+ 與V-的交點(diǎn)比較功能由C比較器(圖2)完成，當(dāng)V+≥V-，C比較器輸出的PWM 渡形由邏輯低電平變?yōu)楦唠娖?；V+≤V-時(shí)(V+下降沿交點(diǎn))，C比較器輸出PWM波由邏輯高電平變

31、為低電平，為保證PWM波寬不致于太窄，用PWM鎖存器鎖存高電平值，并在CP脈沖下跳時(shí)對(duì)鎖存器清零。以進(jìn)行下一個(gè)比較點(diǎn)的鎖存。經(jīng)PWM鎖存器輸出到“或”一“或非”門C輸入端的脈沖最小寬度與CP同寬。集成控制器與系統(tǒng)工作波形圖見3。系統(tǒng)的自動(dòng) 調(diào)節(jié)過(guò)程分析如下： 圖10 SG1525各點(diǎn)波形與PWM斬波調(diào)壓波形 調(diào)節(jié)電位器RP1使誤差放大器輸出一固定的V-電壓．在V+的谷點(diǎn)和V-與V+交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的區(qū)間內(nèi)有固定的Vo1 +Vo2脈沖(11和14腳并接獲Vo1+Vo2)輸出到功率驅(qū)動(dòng)電路，主開關(guān)管V以某固定脈寬斬波輸出Ua，濾波輸由RP1調(diào)節(jié)確定的直流電壓Va值到直流電機(jī)，電

32、機(jī)保持其穩(wěn)定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。當(dāng)電機(jī)因某種擾動(dòng)固察使轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，例如，負(fù)載變化使轉(zhuǎn)速下降，則由系統(tǒng)檢測(cè)反饋的Vf電壓值跟隨下降，Vf經(jīng)R3及串聯(lián)二極管(此二極管可防止調(diào)試系統(tǒng)時(shí)正負(fù)極接反形成正反饋)使誤差放大器EA(-)反相輸入端電位下降，誤差電壓△E=EA(+)-EA(-)增大(方向由EA(+)指向EA(-))，誤差放大器對(duì)△E的比例積分運(yùn)算(EA誤差放大器的輸出9引腳和反相輸入引腳間接有 R4、C2構(gòu)成的比例積分反饋網(wǎng)絡(luò))輸出電壓V-值上升，V-的上升使V +≥V-的交點(diǎn)時(shí)刻(鋸齒披上升沿交點(diǎn))后移。Vo1+Vo2和U。脈沖寬度均變寬，Ua的濾波平均值電壓Va按比例積分規(guī)律增大, Va增大使電

33、機(jī)轉(zhuǎn)速回升，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速回升到Rp1設(shè)定值EA(+)所對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，△E調(diào)節(jié)為零，V-停止比例積分變化，系統(tǒng)進(jìn)入新和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。 3.2.5 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，如圖10所示。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，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11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

34、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，如此反復(fù)，則電動(dòng)機(jī)電樞端電壓波形如圖11（b）所示。 圖11脈沖分配電路 電動(dòng)機(jī)電樞端電壓的平均值為Ua= UdT TUdTTTT)11 2(2121=（2α-1）Ud 由于0≤α≤1，Ua值的范圍是-Ud～Ud，因而電動(dòng)機(jī)可以在正反兩個(gè)方向調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)。 3.2.6基極驅(qū)動(dòng)電路 系統(tǒng)采用的功率驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路也不同。本系統(tǒng)采用BJT功率晶體管的驅(qū)動(dòng)電路。圖2是驅(qū)動(dòng) BJT功率晶體管的

35、一種用的雙電源光電耦合驅(qū)動(dòng)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=O．6V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(VCC—Vc)=0．( Vc=2Vcc C CC )。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BJT發(fā)極與電感

36、L相連，電容C還有效隔斷驅(qū)動(dòng)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BJ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12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(dòng)電路。 圖12 基極驅(qū)動(dòng)電路 3.3、相關(guān)數(shù)據(jù)分

37、析 該系統(tǒng)調(diào)速精度與調(diào)速范圍要求不高。本系統(tǒng)采用三相 (1)CT,RT，RD的選取 SG1525集成控制器可輸出0．1～400kHz的脈沖頻率，對(duì)應(yīng)CT= 0．001～0.1μF，RT=2 ～150k取值。一般對(duì)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／(0．67R1CTR1+1.3RDCT) 例如f= lkHz，T= 0．001s，取定t= 0．02s，t2=0．16s，可算得Ce=0.122V〃min/r時(shí)RT與RD分別為 RT = t1／0．

38、67Ct—0.0009／0．670．011061= 134k RD=t2／1．3CT= 0．0001／1．30．01610 =7．7k t2一般應(yīng)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0．0009／(0．0001+0．0009)=0.9。 （2）R2和RP1的選取 VREF(16腳)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= VREF／IREF=5．1V／5mA=lkRP1設(shè)置為最大值時(shí)可算得 RP1+ R2= VREF／IREF=5.1

39、V／lmA =5.1k RP1 = 4．1k （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(dòng)電路的輸入電流不 超過(guò)允許值。例如，功率驅(qū)動(dòng)電路要求Vo1+Vo2=3V．驅(qū)動(dòng)輸入電流最大允許值為50mA，忽略圖2中Tt或T 2導(dǎo)通壓降最小值(sat)，可算得R5電阻應(yīng)為R5=(Vcc1--Vo)／Io= (1 5— V／50mA = 0．24k. 可選取R5=300,略大于計(jì)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PR5≥(V

40、cc1--Vo)／Io = 0.6W。 總結(jié) 該系統(tǒng)調(diào)速精度與調(diào)速范圍要求不是很高，但與傳統(tǒng)的晶閘管可控調(diào)速系統(tǒng)相比，它具有調(diào)速范圍寬、快速性能好、功率因數(shù)高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，使之以廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的直流調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)中。本系統(tǒng)采用了脈寬調(diào)制器SG1525來(lái)完成，它解決了PWM電路的集成化問(wèn)題，在實(shí)例中就可用此芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)速。 經(jīng)過(guò)的努力，終于圓滿的完成了本課程設(shè)計(jì)。通過(guò)親身體驗(yàn)做課程設(shè)計(jì)的目的，在于通過(guò)理論與實(shí)際的結(jié)合，進(jìn)一步提高我們觀察、分析和解決問(wèn)題的實(shí)際工作

41、能力。大三了，馬上就要面對(duì)社會(huì)開始工作，理論的學(xué)習(xí)我們或許已經(jīng)掌握的很好，但實(shí)際的工作能力就是有待提高的了， 通過(guò)本次設(shè)計(jì)以便積累一些經(jīng)驗(yàn)對(duì)我們來(lái)說(shuō)肯定是很有利的。 參考文獻(xiàn) [1]黃俊，王兆安電力電子技術(shù)（第4版）北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000 [2]趙良炳.現(xiàn)代電力電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：清華大學(xué)出版社，1995 27 [3]張立，趙永健.現(xiàn)代電力電子技術(shù).北京：科學(xué)出版社,1992 [4]王志良.電力電子新器件及其應(yīng)用技術(shù).北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1995（來(lái)源于Internet ） [5]張東立.直流拖動(dòng)系統(tǒng).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996 [6]孔凡才.自動(dòng)控制原理與系統(tǒng)（第三版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007 [7]吳守箴等.電氣傳動(dòng)的脈寬調(diào)制控制技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995 （來(lái)源于Internet ） [8]陳伯時(shí)。電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)（第3版）。機(jī)械工業(yè)出版社， 2003.7