直流电动机调速系统设计

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1、摘要电力电子装置技术在现代化社会的建设中的应用起着重要作用并得到飞跃性的发展。 直流斩波器作为一种电力电子器件，也必定随着直流电的广泛应用而显得非常重要。本次课设要求设计直流电动机斩波调速系统，加深我们对斩波调速系统的理解。斩波 电路通过控制电路导通比来控制输出端电压大小，用来控制直流电动机时，电枢电压的改 变可方便调节电动机转速。转速调节器用来检测电动机转速，将其转换为电压信号与系统 给定电压比较。关键词：直流电动机调速系统 斩波电路 触发电路 保护电路口 T目录1 系统结构设计 11.1 方案论证 11.2系统设计 12 主电路的设计与分析 12.1 主电路的设计思路 12.2升降压斩波电

2、路 22.3主电路参数计算 33 控制电路设计 43.1控制电路框图 43.2 控制电路原理 43.3 SG3525 的结构图 43.4各引脚具体功能 53.5 SG3525 的工作原理 73.6 SG3525主要电路及其功能84 驱动电路设计 94.1光耦驱动电路94.2 工作原理 105 保护电路设计 105.1 主电路保护105.2过电压保护电路115.3 过电流保护电路116 系统总电路 126.1 Altium Designer 简介 126.2 系统总电路图 13心得体会 14参考文献 15直流电动机调速系统设计1 系统结构设计1.1 方案论证斩波电路有三种控制方式：(1) 脉冲宽

3、度调制(PWM)：开关周期T不变，改变开关导通时间Ton。(2) 频率调制：开关导通时间不变，改变开关周期T。(3) 混合型：开关导通时间和开关周期T都可控，改变占空比。本次设计采用的是脉宽调制的方法，开关选用全控型器件IGBT,目前，市场上用的 最多的IGBT直流斩波器，它是属于全控型斩波器，它的主导器件采用国际上先进的电力 电子器件IGBT，由门极电压控制，从根本上克服了晶闸管斩波器及GTR斩波器的缺点。 该斩波器既能为煤矿窄轨电机车配套的调速装置，针对不同的负载对象，做一些少量的 改动又可用于其它要求供 电电压可调的直流负载上。与可控硅脉冲调速方式和电阻调速 方式相比，具有明显的优点。电

4、力电子器件在实际应用中，一般是由控制电路，驱动电路，保护电路和以电力电 子器件为核心的主电路组成一个系统。由信息电子电路组成的控制电路按照系统的工作 要求形成控制信号，通过驱动电路去控制主电路中电力电子器件的导通或者关断来完成 整个系统的功能。1.2 系统设计由题目要求根据所学知识分析可知，系统主要由电压给定环节、转速调节器、电流 调节器、转速反馈环节、电流反馈环节、脉宽调制电路、触发电路、控制电路，直流斩 波电路等几个主要部分组成。其主电路为直流斩波电路，通过控制电路中可控器件的导 通时间，改变占空比可达到控制其输出电压大小的目的，其输出电压加在电动机两端， 可方便调节直流电动机的转速。控制

5、电路主要用来产生控制IGBT的信号。2 主电路的设计与分析2.1 主电路的设计思路由任务书要求：输入直流电源为48V,设计直流电动机采用DC/DC调压方式的调速, 要求达到采用DC/DC调压电路并直流输出0100V，因此主电路采用升降压斩波电路， 使其满足调压功能。主电路图如图 2-1 所示。图 2-1 主电路图2.2 升降压斩波电路升降压斩波电路的原理图和工作波形分别如图 2-2，图 2-3 所示。图 2-2 升降压斩波电路的原理图1 +4图 2-3 升降压斩波电路工作波形升压斩波电路工作原理：当V导通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流 为I，方向如图2-2所示。同时，电容C维持输出电

6、压恒定并向负载R供电，这时uE。L此后，使V断时，L中储存的能量向负载释放，电流为i2，方向如图2-2所示。可见负 载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，这时u =-u。L0稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即T u dt = Jton udt +0 L 0L(on )JTu dt = J廟口dt + J u t = Et 一 u t = 0t L ( off )on 0 offonaE 二 E1 -a所以输出电压为：ttUon E on0 t T -toffont为V处于通态的时间，t为V处于断态的时间。onoff若改变导通比a ,则输出电压既可以比电源电压高，也可

7、以比电源电压低。当11 0 a 时为降压，当一 a 410,则4X5=20A。IGBT的额定电压：U =U X3(考虑3倍裕量)TN 0则 U =48X3 =144V，即取 U =150V。TNTN(3) 电感：为了保证负载电流电路能够连续，取经验值10mH。(4) 二极管D4：其承受最大反压100V，其承受最大电流趋近于5A，U = (2 3)UrmsI = (1.5 2)Icmd故需选择U 200V，I 10A的二极管。NN(5) 电容：设计要求输出电压纹波在满足要求范围内，取C=470uF。3 控制电路设计3.1 控制电路框图对于控制电路的设计有很多种方法，可以通过一些数字运算芯片如单片

8、机、CPLD等 等来输出PWM波，也可以通过特定的PWM发生芯片来控制。因为题目要求输出电压连续 可调，所以我选用一般的PWM发生芯片来进行连续控制。根据IGBT的特点，本设计用脉 宽调制（PWM）控制方式对开关管的占空比进行控制。采用的芯片是用集成了 PWM控制电 路的 SG3525 芯片。控制电路的框图如图 3-1：3.2 控制电路原理本控制电路是以 SG3525 为核心构成, SG3525 为美国 Silicon General 公司生 产的专用，它集成了 PWM 控制电路,其内部电路结构及各引脚功能将在下一节中介 绍。它采用恒频脉宽调制控制方案 ,内部包含有精密基准源,锯齿波振荡器,误

9、差放 大器,比较器,分频器和保护电路等.调节 Ur 的大小,在 11,14 两端可输出两个幅度 相等，频率相等，相位相差，占空比可调的矩形波（即PWM信号）。然后，将脉冲信号驱 动电路，对微信号进行升压处理，再把经过处理的电平信号送往IGBT，对其触发， 以满足主电路的要求。3.3 SG3525 的结构图SG3525 是电流控制型 PWM 控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来 调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出 信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于 结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源

10、的电压调整率、负载调整率和 瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。SG3525G 内部框图如图 3-2 所示。SG3525是定频PWM电路，采用16引脚标准DIP封装。其各引脚功能如图3-3所示,1A2i脚 8 为软起动端。 FW11 r L | HrL r图 3-3 SG3525 的引脚图（1）Inv.input（引脚1）：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。（2）Noninv.input （引脚2）：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端 接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端（

11、引脚 9）之间接入不同类型的反馈 网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。（3）Sync（引脚3）：振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外 电路同步。（4）OSC.Output （引脚4）：振荡器输出端。（5）CT（引脚5）：振荡器定时电容接入端。（6）RT （引脚6）：振荡器定时电阻接入端。（7）Discharge（引脚7）：振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成 放电回路。（8）Soft-Start （引脚8）：软启动电容接入端。该端通常接一只5的软启动电容。（9）Compensation（引脚9）: PWM比较器补偿信号输入端。在该端与引脚2之

12、间接入不 同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。（10）Shut down （引脚10）:外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输出被禁止。 该端可与保护电路相连，以实现故障保护。（11）Out put A （引脚11）:输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。（12）Ground（引脚 12）:信号地。（13）Vc（引脚13）：输出级偏置电压接入端。（14）Output B （引脚14）:输出端B。引脚14和引脚11是两路互补输出端。（15）Vcc （引脚15）:偏置电源接入端。（16）Vref（引脚16）:基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。

13、 特点如下：（ 1）工作电压范围宽： 835V。（2）5.1 （1 1.0%）V微调基准电源。（3）振荡器工作频率范围宽： 100Hz400KHz.（4）具有振荡器外部同步功能。（5）死区时间可调。（6）内置软启动电路。（7）具有输入欠电压锁定功能。（8）具有 PWM 锁存功能，禁止多脉冲。（9）逐个脉冲关断。（10）双路输出（灌电流/拉电流）：mA（峰值）。3.5 SG3525 的工作原理SG3525内置了 5.1V精密基准电源，微调至1.0%,在误差放大器共模输入电压范围 内，无须外接分压电组。 SG3525 还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外 部系统时钟信号同步，为设计提供

14、了极大的灵活性。在CT引脚和Discharge引脚之间加 入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。由于SG3525内部集成了软启动电路，因 此只需要一个外接定时电容。SG3525的软启动接入端（引脚8）上通常接一个5的软启 动电容。通电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的 PWM 比较器反向输入端处于低电平， PWM 比较器输出高电平。此时， PWM 锁存器的输出也 为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。只有软启动电 容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时，SG3525才开始工作。由于实际中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，而输出电压的采样 电压则加在误差放大器的反相输入端上。当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而 升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致 PWM 比较器输出为正的时间变长， PWM 锁 存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电 压回落到额定值，实现了稳态。反之亦然。外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。