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1、课 程 设 计题目: 直流电机 PWM 控制调速系统设计 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2010 年 9 月 18 日 摘 要脉冲宽度调制 PWM(Pulse Width Modulation),就是指保持开关周期 T 不变，调节开关导通时间 t 对脉冲的宽度进行调制的技术。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等领域最广泛应用的控制方式。本文利用 SG1525 集成 PWM 控制器设计了一个基于 PWM 控制的直流调速系统，本系统采用了电流转速双闭环控制，并且设计了完善的保护措施，既保障了系统的可靠运行，又使系统具有
2、较高的动、静态性能。关键词：脉冲宽度调制、开关 、直流调速系统 、双闭环控制AbstractThe Pulse Width Modulation Pulse Width Modulation (PWM), is refers to remain unchanged, the adjustment period T switch conduction time to switch on the Pulse Width of the T Modulation technique. PWM control technology with its simple, flexible and dynami
3、c response and become the advantages of power electronic technology is the most widely used in fields such as control. Using PWM controller design SG1525 integration based on PWM control dc speed control system, the system adopts the current speed double closed loop control, and design the perfect p
4、rotection measures, which guarantee the system run reliably, and enables the system with high static and dynamic performance.Keywords: pulse width modulation 、Switch 、 speed control system 、 double closed loop control目 录1、设计目的和意义 .- 1 -2、总体设计 .- 2 -2.1、PWM 基本原理 .- 2 -2.2、直流电机 PWM 调速基本原理 .- 2 -3 详细设计
5、 .- 5 -3.1 主电路 .- 5 -3.2.转速、电流双闭环调节电路 .- 6 -3.3.PWM 驱动装置控制电路 .- 8 -3.4.基极驱动电路 .- 10 -4、设计结果及分析 .- 12 -总结 .- 13 -参考文献 .- 14 - 1 -1、设计目的和意义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，
6、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
7、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。- 2 -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(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
8、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
9、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 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
10、 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 -图 1、直流电动机 PWM 系统原理图1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 24-Sep-2010 Sheet of File: H:songMyDesign1MyDesign1.ddb Drawn By:EA-1 EA+23osc4 ct5rt6 ro78 910vo1 11gnd12vcc 13vo2 14vcc115vref 16u1sg1525R1R2R3R4R
11、5R6R7R8R9R10Q1D1D2 D3D4D5C1C2C3C412VF15Vl1RES1MMETERtgMETER12VoCON2C8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 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。Ua= UdUdT121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
12、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- 4 -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
13、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）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。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。- 5 -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，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
