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1、直流电动机PWM控制系统设计 摘要 直流电机由于具有速度控制容易，启、制动性能良好，且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工等工业部门中得到广泛应用。直流电动机转速的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制;而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。调节电阻R即可改变端电压，达到调速目的。但这种传统的调压调速方法效率低。随着电力电子技术的进步，发展了许多新的电枢电压控制方法，其中PWM(脉宽调制)是常用的一种调速方法。
2、其基本原理是用改变电机电枢(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。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，又使系统具有较高的动、静态性能。 只要按照一定的规律
3、改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持以稳定值。最近几年来，随着微电子技术和计算机技术的发展及单片机的广泛应用，使调速装置向集成化、小型化和智能化方向发展。 本电机调速系统采用脉宽调制方式，与晶闸管调速相比技术先进可减少对电源的污染。为使整个系统能正常安全地运行, 过流、过载、过压、欠压保护电路, 另外还有过压吸收电路。确保了系统可靠运行。关键词：脉冲宽度调制,开关,直流调速系统,双闭环控制1系统内容简介 直流电机由于具有速度控制容易，启、制动性能良好，且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工等工业部门中得到广泛应用。直流电动机转速的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压
4、控制法。励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制;而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。调节电阻R即可改变端电压，达到调速目的。但这种传统的调压调速方法效率低。随着电力电子技术的进步，发展了许多新的电枢电压控制方法，其中PWM(脉宽调制)是常用的一种调速方法。其基本原理是用改变电机电枢(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
5、一稳定值。利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量。 PWM 具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。模拟控制电路有以下缺陷:模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而在用了PWM技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。 1.1 PWM调速方案的优越性 自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器直流电机调速系统，PWM的H型属于调压调速，PWM的H桥能实现大功率调速；国内的超大功率调速还要依靠可控硅实现可控整流来
6、实现直流电机的调压调速。本设计采用直流极式控制的桥式PWM变换器。与V-M系统相比在很多方面有较大的优越性：1）主电路线路简单，需用的功率器件少。2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电极损耗及发热都较小。3）低速性能好，稳态精度高，调速范围宽，可达1:20000左右。4）若是与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强。5）功率开关器件工作在开关状态，通道损耗小，当开关频率适中时，关损耗也不大，因而装置效率高。6）直流电机采用不控整流时，电网功率因素比相控整流器高。由于由以上优点直流PWM系统应用日益广泛，特别在中、小容量的高动态性能中。已完全取代了V-M系统。为达到更好
7、的机械特性要求，一般直流电动机都是在闭环控制下运行。经常采用的闭环系统有转速负反馈和电流截至负反馈。 1.2、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,
8、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。 2.系统概述2.1 系统构成 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9 个系统
9、上采用了转速、电流双闭环控制结构，如图1所示。在系统中设置两个调节器，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。从闭环反馈结构上看，电流调节环在里面，是内环，按典型型系统设计；转速调节环在外面，成为外环，按典型型系统设计。为了获得良好的动、静态品质，调节器均采用PI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，达到了比较理想的检测效果。主电路部分采用了以GTR为可控开关元件、H桥电路为功率放大电路所构成的电路结构。 PWM方式是在大功率开关晶
10、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。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。图1 直流电动机PWM系统原理图图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
11、，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。 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11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
12、而控制电动机的转速。因此，这种装置又称为“开关驱动装置”。 2.2直流电动机的脉宽调制的工作原理 直流无刷电机由电动机、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成。直流电源通过开关线路向电动机定子绕组供电，电动机转子位置由位置传感器检测并提供信号去触发开关线路中的功率开关元件使之导通或截止，从而控制电动机的转动。在应用实例中，磁极旋转，电枢静止，电枢绕组里的电流换向借助于位置传感器和电子开关电路来实现。电机的电枢绕组作成三相，转子由永磁材料制成，与转子轴相连的位置传感器采用霍尔传感器。3600范围内，两两相差1200安装，共安装三个。为了提高电机的特性，电机采用二相导通星形三相六状态的工作方式。开
13、关电路采用三相桥式接线方式。 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2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 电压平均值Uas可用下式表示： Uas= tonUs
14、/T=Us （1-1）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12 断时间toff之和），为占空比，= ton/T。 由式（1-1）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。23 主回路 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2所示。图中，四只GTR分为两组，1VT和4VT为一组，2VT和3VT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，
15、则要求控制电压kU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kU为负即可2。GTR是一种双极性大功率高反压晶体管，它大多用作功率开关使用,而且 GTR是一种具有自关断能力的全控型电力半导体器件，这一特性可以使各类变流电路的控制更加方便和灵活，线路结构大为简化。图4双极式H型PWM变换电路图5 双极式PWM变换电路的电压、电流波形 （a）,(b) 三极管基极电压波形(c) 电枢电压波形（d）电枢电流波形(e) 重负载时ai波形(f) ESU时ai波形 设矩形波的周期为T，正向脉冲宽度为1t，并设=1t/T为占空比。则电枢电压U的平均值avU=（2-1）SU=（21t/T-1）SU，并定义双极性双极式脉宽放大器的负载电压系数为 =avU/SU=21t/T-1即 avU=SU可见，可在-1到+1之间变化。 双极式PWM变换器的优点：1、电流一定连续；2、可使电机在四象限中运行；3、电动机停止时有微振电流，能消除正、反向时的静摩擦死区；4、低速时，每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证晶
