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1、1 目目 录录 摘要 .I 1 绪论 .1 1.1 课程设计的目的和要求 .1 1.2 脉冲宽度调制的简单介绍 .1 2 总体设计 .3 2.1 PWM 基本原理 3 2.2 直流电机 PWM 调速基本原理 .6 3 详细设计 10 3.1 主电路设计 10 3.2 转速、电流双闭环调节电路设计 11 3.3 PWM 驱动装置控制电路设计.11 3.4 基极驱动电路设计 12 4 设计结果及分析 12 总结 16 参考文献 17 2 1 绪论 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的到了广泛的应用，其中一 项重要的应用就
2、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
3、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 课程设计的目的和要求 1.1.1 课程设计的目的 电力拖动基础课程设计是电气工程及其自动化专业领域重要的实践环节之 一，主要以小型实用性电力拖动系统的软、硬件设计为主。 课程设计的目的和任务：全面熟练掌握电力拖
4、动的应用，使学生掌握小型 电力拖动应用系统设计的步骤，通过设计过程对进一步锻炼和培养学生的动手 能力。 1.1.2 课程设计的要求 3 了解直流电机PWM控制调速基本原理，完成主电路、转速调节电路、 PWM驱动装置控制电路和基极驱动电路设计，并在条件允许的情况下完成系 统的调试。了解课程设计的一般流程，对整个课题有一定的专业了解，能较熟 练的讲理论知识运用到实践中。 1.2 脉冲宽度调制的简单介绍 脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管 栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变， 这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微
5、处理器的 数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。PWM控制技术以其 控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也 是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限,结合 现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为 PWM 控制技术发展的主要 方向之一。 PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行 数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足 以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生 影响。 对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这 也是
6、在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以 极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或RL网络可以滤除调制高 频方波并将信号还原为模拟形式。 总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在 许多设计应用中使用的有效技术。 4 2 总体设计 2.1、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(
7、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。 2.2、直流电机 PWM 调速基本原理 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。图1是直流 PWM 系统原理框
8、图。这是一个双闭环系统，有电流环和速度环。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GT
9、R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 5 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。 图 1、直流电动机 PWM 系统原理图 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:24-Sep-2010Sheet of File:H:songMyDesign1MyDesign1.ddbDrawn By: EA- 1 EA+ 2 3 osc 4 ct 5 rt 6 ro 7 89
10、 10 vo1 11 gnd 12 vcc 13 vo2 14 vcc1 15 vref 16 u1 sg1525 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 Q1 D1 D2 D3 D4 D5 C1 C2 C3 C4 1 2 VF 15V l1 RES1 M METER tg METER 1 2 Vo CON2 C8 图 2 控制电路的原理图 图 2 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SG152
11、5定频调宽法，即T1+T2=T保持一定，使T1在0T范围内 6 变化来调节。 Ua=Ud Ud T T Ud TT T1 21 1 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 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
12、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” 。 PWM 控制的示意图如图 3 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。 图 3、PWM 控制示意图 这样，电动机得到的电压平均值Uas为： Uas= tonUs/T=Us （1） 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。 由式（1
13、）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。 7 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，如上图 1 所示。 3 详细设计 3.1 主电路 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 4 所示。图中，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
14、，则要求控制电压Uk为正，各三极管基极电压波形如图 3 所示。 欲使电动机反转，则使控制电压Uk为负即可。 图 4、H 桥式可逆 PWM 变换器 正向运行（如图 a)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、U4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 8 通，电动机 M 两端电压UAB = Us ； 反向运行（如图
15、b)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 。 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
16、 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。 a).正向电动运行波形 9 b).反向电动运行波形 3.2.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。系统原理图如 图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。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 5 所示，可知: UO=-I1R1-Uidt R0C1 1 I1=I0=Ui/R0 U0=-R1Ui/R0- R0C1/1Uidt 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
