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

1、畢業(yè)論文畢業(yè)設(shè)計(jì)論文設(shè)計(jì)（論文）題目： 直流電動(dòng)機(jī)PWM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 下 達(dá) 日 期： 2014 年 07 月 02 日開 始 日 期： 2014 年 09 月 9 日完 成 日 期： 2014 年 月 日指 導(dǎo) 教 師： 高文華 學(xué) 生 專 業(yè)： 電氣自動(dòng)化 班 級： 自動(dòng)化1207班 學(xué) 生 姓 名： ZHAO 教研室主任 ： 王永康 學(xué) 院： 電氣工程 陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 一、 設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容及要求：（一）設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容本設(shè)計(jì)采用PWM控制技術(shù)，利用斬波原理改變脈沖寬度，改變直流電動(dòng)機(jī)兩端的直流平均電壓的大小，來實(shí)現(xiàn)對直流電動(dòng)機(jī)的速度控制。（二）要求1PWM控

2、制器（或單片機(jī)）為核心。2運(yùn)用PWM控制器（單片機(jī)）為核心，構(gòu)建控制系統(tǒng)電路。3. 利用PWM控制器（單片機(jī)）、大功率開關(guān)器件、隔離電路、驅(qū)動(dòng)芯片等硬件，設(shè)計(jì)建立直流電動(dòng)機(jī)PWM控制系統(tǒng)，力求實(shí)用、簡單、經(jīng)濟(jì)。4. 保護(hù)電路二、 技術(shù)指標(biāo)：1、采用速度、電流雙閉環(huán)控制以提高系統(tǒng)控制精度；2、輸出信號穩(wěn)定，以此來驅(qū)動(dòng)大功率開關(guān)器件；3、控制信號通過PWM控制器（單片機(jī)）對功率開關(guān)進(jìn)行控制，使其滿足按要求進(jìn)行速度調(diào)節(jié)的要求。4、 電動(dòng)機(jī)額定數(shù)據(jù)為：10kW、220V、55A、1000r/min，電樞電阻Ra為0.5，Ce=0.122V·min/r時(shí)間常數(shù)：Tl=0.02s,Tm=0.16

3、s。5、調(diào)速范圍D=10。6、穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差。7、動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量不大于5%；轉(zhuǎn)速超調(diào)量不大于10%。三、 主要參考資料：1 電機(jī)控制專用集成電路 譚建成主編 機(jī)械工業(yè)出版社2 電氣傳動(dòng)的脈寬調(diào)制控制技術(shù) 吳守箴主編 機(jī)械工業(yè)出版社3 電力電子技術(shù) 王兆安 黃俊主編 機(jī)械工業(yè)出版社4 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 陳伯時(shí)主編 機(jī)械工業(yè)出版社5 自動(dòng)控制原理與系統(tǒng) 孔凡才主編 機(jī)械工業(yè)出版社6 單片機(jī)原理與應(yīng)用 王津主編 重慶大學(xué)出版社陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 進(jìn) 程 計(jì) 劃 表序號起止日期計(jì)劃完成內(nèi)容實(shí)際完成情況檢查簽名12345612.9-12.1312.16-12.2012

4、.23-12.2712.30-1.31.6-1.101.11-1.18任務(wù)下達(dá)，查閱資料控制方案確定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算及繪制系統(tǒng)圖編寫論文資料并完善論文修改并答辯 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

5、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。文利用SG3524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，隨著微電

6、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)可減少對電源的污染。為使整個(gè)系統(tǒng)能正常安全地運(yùn)行, 過流、過載、過壓、欠壓保護(hù)電路, 另外還有過壓吸收電路。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)控制目錄直流電動(dòng)機(jī)PWM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)····················

7、·····················11第一章、設(shè)計(jì)分析···························&#

8、183;·······················11 1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖························

9、;·················11 2調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波形·····························

10、83;·113 H橋雙極式逆變器的工作原理·····································114 PWM調(diào)速系統(tǒng)的靜特性······&

11、#183;····································13第二章、電路設(shè)計(jì)···········

12、83;·······································16 1給定基準(zhǔn)電源·········

13、;··········································14 2雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設(shè)計(jì)·····

14、83;·····································15 （1）電流調(diào)節(jié)器··········

15、3;·····································15 （2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器···········

16、;·····································15 3 SG3524信號產(chǎn)生電路··········

17、··································16 4 IGBT基極驅(qū)動(dòng)電路原理·············&

18、#183;····························18 5 基于EXB841驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)··················

19、·····················18 6 鋸齒波信號發(fā)生電路··························

20、3;··················19 7轉(zhuǎn)速及電流檢測電路·····························

21、83;···············20 （1） 轉(zhuǎn)速檢測電路································&#

22、183;··············20 （2） 電流檢測電路·································&

23、#183;·············20第三章、參數(shù)整定··································

24、83;················21 1 CT,RT，RD的選取·······························

25、;··················21 2 R2和 RP1 的選取·····························&

26、#183;··················21 3其它引腳器件的確定·····························

27、················21第四章、電路圖總體設(shè)計(jì)································

28、;·············23第五章、結(jié)束語···································&#

29、183;·················24第六章、參考文獻(xiàn)······························

30、3;···················25第一章、設(shè)計(jì)分析1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 直流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器串極聯(lián)結(jié)，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)器的輸出去控制PWM裝置。其中脈寬調(diào)制變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。圖1

31、-1 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖2 調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖1-2所示，這時(shí)，啟動(dòng)電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限的條件下調(diào)速系統(tǒng)所能得到的最快的起動(dòng)過程。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)(a)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程 (b)理想快速起動(dòng)過程圖1-2 調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過程的電流和轉(zhuǎn)速波形3 H橋雙極式逆變器的工作原理脈寬調(diào)制器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定寬度可變的脈沖電壓序列，從而平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。H形雙極式逆變器電路如圖1-3所示。這時(shí)電動(dòng)機(jī)M兩端電壓的

32、極性隨開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電壓的極性變化而變化。圖1-3 H形雙極式逆變器電路雙極式逆變器的四個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖4所示。圖1-4 H形雙極式逆變器的驅(qū)動(dòng)電壓波形他們的關(guān)系是：。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng)時(shí)，晶體管、飽和導(dǎo)通而、截止，這時(shí)。當(dāng)時(shí)，、截止，但、不能立即導(dǎo)通，電樞電流經(jīng)、續(xù)流，這時(shí)。在一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)相間，這是雙極式PWM變換器的特征，其電壓、電流波形如圖2所示。電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電壓正、負(fù)脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)，則的平均值為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，則反轉(zhuǎn)；如果正負(fù)脈沖相等，平均輸出電壓為零，則電動(dòng)機(jī)停止。雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為 （1-1）如果定義占空比，電壓

33、系數(shù)則在雙極式可逆變換器中 （1-2）調(diào)速時(shí)，的可調(diào)范圍為01相應(yīng)的。當(dāng)時(shí)，為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)時(shí)，為負(fù)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止。但電動(dòng)機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個(gè)交變電流的平均值等于零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電動(dòng)機(jī)的損耗這是雙極式控制的缺點(diǎn)。但它也有好處，在電動(dòng)機(jī)停止時(shí)仍然有高頻微震電流，從而消除了正、反向時(shí)靜摩擦死區(qū)。雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有以下優(yōu)點(diǎn)：1）電流一定連續(xù)。2）可使電動(dòng)機(jī)在四象限運(yùn)行。3）電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微震電流，能消除靜摩擦死區(qū)。4）低速平穩(wěn)性好，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。4

34、 PWM調(diào)速系統(tǒng)的靜特性由于采用了脈寬調(diào)制，電流波形都是連續(xù)的，因而機(jī)械特性關(guān)系式比較簡單，電壓平衡方程如下 （1-3） （1-4）按電壓平衡方程求一個(gè)周期內(nèi)的平均值，即可導(dǎo)出機(jī)械特性方程式，電樞兩端在一個(gè)周期內(nèi)的電壓都是，平均電流用表示，平均轉(zhuǎn)速，而電樞電感壓降的平均值在穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)為零。于是其平均值方程可以寫成 （1-5）則機(jī)械特性方程式 （1-6）第二章、電路設(shè)計(jì)H橋式可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的如圖2-1所示。PWM逆變器的直流電源由交流電網(wǎng)經(jīng)不控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容濾波，以獲得恒定的直流電壓。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)只好對濾波電容充電，這時(shí)

35、電容器兩端電壓升高稱作“泵升電壓”。為了限制泵升電壓，用鎮(zhèn)流電阻Rz消耗掉這些能量，在泵升電壓達(dá)到允許值時(shí)接通VTz。圖2-1 H橋式直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路四單元IGBT模塊型號：20MT120UF 主要參數(shù)如下：=1200V =16A =100 1給定基準(zhǔn)電源此電路用于產(chǎn)生±15V電壓作為轉(zhuǎn)速給定電壓以及基準(zhǔn)電壓，如圖2-2所示：圖2-2 給定基準(zhǔn)電源電路2 雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，必須對被控量進(jìn)行采樣，然后與給定值比較，決定調(diào)節(jié)器的輸出，反饋的關(guān)鍵是對被控量進(jìn)行采樣與測量。（1） 電流調(diào)節(jié)器由于電流檢測中常常含有交流分量，為使其不影響調(diào)節(jié)器的輸入，需加低通濾波。此濾

36、波環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)可用一階慣性環(huán)節(jié)表示，由初始條件知濾波時(shí)間常數(shù)，以濾平電流檢測信號為準(zhǔn)。為了平衡反饋信號的延遲，在給定通道上加入同樣的給定濾波環(huán)節(jié)，使二者在時(shí)間上配合恰當(dāng)。圖2-3 含給定濾波與反饋濾波的PI型電流調(diào)節(jié)器（2） 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)速反饋電路如圖2-4所示，由測速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反饋電壓含有換向紋波，因此也需要濾波，由初始條件知濾波時(shí)間常數(shù)。根據(jù)和電流環(huán)一樣的原理，在轉(zhuǎn)速給定通道上也加入相同時(shí)間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié)。圖2-4 含給定濾波與反饋濾波的PI型電轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器3 信號產(chǎn)生電路本設(shè)計(jì)采用集成脈寬調(diào)制器SG3524作為脈沖信號發(fā)生的核心元件。根據(jù)主電路中IGBT的開關(guān)頻率，選擇適當(dāng)?shù)摹⒅?/p>

37、即可確定振蕩頻率。電路中的PWM信號由集成芯片SG3524產(chǎn)生，SG3524采用是定頻PWM電路,DIP-16型封裝。由SG3524構(gòu)成的基本電路如圖2-5所示，由15腳輸入+15V電壓，用于產(chǎn)生+5V基準(zhǔn)電壓。在6、7引腳之間接入外部阻容元件構(gòu)成PI調(diào)節(jié)器，可提高穩(wěn)態(tài)精度。12、13引腳通過電阻與+15V電壓源相連，供內(nèi)部晶體管工作，由電流調(diào)節(jié)器輸出的控制電壓作為2引腳輸入，通過其電壓大小調(diào)節(jié)12、13引腳的輸出脈沖寬度，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制變換器的功能實(shí)現(xiàn)。圖2-5 SG3524管腳圖圖2-6 SG3524引腳接線圖圖2-7 SG3524內(nèi)部框圖主要參數(shù)：輸入電壓Uimax：40V 輸出電流：50

38、0mA 好散功率：1W4 IGBT基極驅(qū)動(dòng)電路原理工作原理如圖2-8所示圖2-8 EXB841內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖EXB841 系列驅(qū)動(dòng)器的各引腳功能如下：腳1 ：連接用于反向偏置電源的濾波電容器；腳2 ：電源（ 20V ）；腳3 ：驅(qū)動(dòng)輸出；腳4 ：用于連接外部電容器，以防止過流保護(hù)電路誤動(dòng)作（大多數(shù)場合不需要該電容器）；腳5 ：過流保護(hù)輸出；腳6 ：集電極電壓監(jiān)視；腳7 、8 ：不接；腳9 ：電源；腳10 、11 ：不接；腳14 、15 ：驅(qū)動(dòng)信號輸入（-，）；5 基于EXB841驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)針對EXB841存在保護(hù)盲區(qū)的問題，可如圖12所示將EXB841的6腳的超快速恢復(fù)二極管VDI換為導(dǎo)通壓降大

39、一點(diǎn)的超快速恢復(fù)二極管或反向串聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓二極管，也可采取對每個(gè)脈沖限制最小脈寬使其大于盲區(qū)時(shí)間，避免IGBT過窄脈寬下的低輸出大功耗狀態(tài)。針對EXB841軟關(guān)斷保護(hù)不可靠的問題，可以在EXB841的5腳和4腳間接一個(gè)可變電阻，4腳和地之間接一個(gè)電容，都是用來調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間，保證軟關(guān)斷的可靠性。針對負(fù)偏壓不足的問題，可以考慮提高負(fù)偏壓。一般采用的負(fù)偏壓是-5V，可以采用-8V的負(fù)偏壓(當(dāng)然負(fù)偏壓的選擇受到IGBT柵射極之間反向最大耐壓的限制)，輸人信號被接到15腳，EXB841正常工作驅(qū)動(dòng)IGBT.圖2-9 EXB841驅(qū)動(dòng)IGBT設(shè)計(jì)圖主要參數(shù)：電源電壓：20V 最大輸出功率：47mA 最高工作

40、頻率：10kHz6 鋸齒波信號發(fā)生電路鋸齒波信號發(fā)生器SG的輸出信號Us與控制信號在PWM轉(zhuǎn)換器（SG3524）中進(jìn)行比較，PWM輸出幅度恒定、寬度變化的方波脈沖序列，即PWM波。SG電路可有UJT或者PUT構(gòu)成。UJT鋸齒波信號發(fā)生器基本電路如圖2-10所示圖2-10 鋸齒波信號發(fā)生電路7轉(zhuǎn)速及電流檢測電路（1） 轉(zhuǎn)速檢測電路轉(zhuǎn)速檢測電路如圖2-11所示。與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺測速發(fā)電機(jī)，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓，與給定電壓相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓輸送給轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器。測速發(fā)電機(jī)的輸出電壓不僅表示轉(zhuǎn)速的大小，還包含轉(zhuǎn)速的方向，測速電路如圖15所示，通過調(diào)節(jié)電位器即可改變轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

41、。圖2-11 轉(zhuǎn)速檢測電路（2） 電流檢測電路通過霍爾傳感器測量電流的電流檢測電路原理如圖2-12所示。圖2-12  閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理霍爾電流傳感器的結(jié)構(gòu)如圖13所示。用一環(huán)形導(dǎo)磁材料作成磁芯，套在被測電流流過的導(dǎo)線上，將導(dǎo)線中電流感生的磁場聚集起來，在磁芯上開一氣隙，內(nèi)置一個(gè)霍爾線性器件，器件通電后，便可由它的霍爾輸出電壓得到導(dǎo)線中流通的電流。閉環(huán)霍爾電流傳感器主要有以下特點(diǎn)：1）可以同時(shí)測量任意波形電流，如：直流、交流、脈沖電流；2）副邊測量電流與原邊被測電流之間完全電氣隔離，絕緣電壓一般為2kV12kV；3）電流測量范圍寬，可測量額定1mA50kA電流；4）跟蹤速度di/dt>50A/s；5）線性度優(yōu)于0.1IN；6）響應(yīng)時(shí)間<1s；7）頻率響應(yīng)0100kHz。第三章、參數(shù)整定(1)CT,RT，RD的選取 SG1525集成控制器可輸出01400kHz的脈沖頻率 ，對應(yīng) CT= 00010.1 F，RT=2 150k取值 。一般對于 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(067R1CTR1+1.3RDCT ) 例如f= lkHz，T= 0001s，取 定t1= 002s，t2