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

1、陜西工業(yè)肥北拉術(shù)學(xué)院 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限制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 下達(dá)日期：下1414 年 0707 月 0202 日 開(kāi)始日期：20212021年年0909 月 9 9 日 完成日期：20212021 年月日 指導(dǎo)教師：高文華 學(xué)生專(zhuān)業(yè)：電氣自動(dòng)化 班級(jí)：自動(dòng)化 12071207 班 學(xué)生姓名：ZHAOZHAO 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(shū) 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PW肺制技術(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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的速度限制. 二要求 1 .PWM!制器或單

2、片機(jī)為核心. 2 .運(yùn)用PWM6制器單片機(jī)為核心,構(gòu)建限制系統(tǒng)電路. 3 .利用PWME制器單片機(jī)、大功率開(kāi)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)PWM6制系統(tǒng),力求實(shí)用、簡(jiǎn)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)限制以提升系統(tǒng)限制精度； 2、輸出信號(hào)穩(wěn)定,以此來(lái)驅(qū)動(dòng)大功率開(kāi)關(guān)器件； 3、 限制信號(hào)通過(guò)PWME制器 單片機(jī)對(duì)功率開(kāi)關(guān)進(jìn)行限制,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：10kW220M55A、1000r/min,電樞電阻Ra為0.5Q,Ce=0.122V-min/r時(shí)間常數(shù)：Ti=0.02s,Tm=0.16s. 5、調(diào)速

3、范圍D=1Q 6、穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無(wú)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)限制專(zhuān)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)制限制技術(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)限制系統(tǒng)陳伯時(shí)主編機(jī)械工業(yè)出版社 5 自動(dòng)限制原理與系統(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(shū) 進(jìn)程方案表 廳 P 起止日期 方案完成內(nèi)容 實(shí)際完成情況 檢查簽名 1 12.9-12.13 任務(wù)下達(dá),查閱資料 2 12.16-12.20 限制方案確

4、定 3 12.23-12.27 限制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 12.30-1.3 參數(shù)計(jì)算及繪制系統(tǒng)圖 5 1.6-1.10 編寫(xiě)論文資料并完善 6 1.11-1.18 論文修改并辯論 直流電動(dòng)機(jī)PWM6制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要 直流電機(jī)由于具有速度限制容易,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(mén)中得到廣泛應(yīng)用.直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的限制方法可分為兩類(lèi),即勵(lì)磁限制法與電樞電壓限制法.勵(lì)磁限制法限制磁通,其限制功率雖然小,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.所以常用的限制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓限制法

5、.調(diào)節(jié)電阻R即可改變端電 壓,到達(dá)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,開(kāi)展了許多新的電樞電壓限制方法,其中PWM寬調(diào)制是常用的一種調(diào)速方法.其根本原理是用改變電機(jī)電樞定子電壓的接通和斷開(kāi)的時(shí)間比占空比 來(lái)限制馬達(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SG352磔成PWM6制器設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PWF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)限制,并且設(shè)計(jì)了完善的保護(hù)舉措,既保證了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行,又使系統(tǒng)具有較高的動(dòng)、靜態(tài)性能. 只要根據(jù)一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間,即可使電機(jī)的速度到達(dá)并保持以穩(wěn)定值.最近幾年來(lái),隨著微電子

6、技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的開(kāi)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開(kāi)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(duì)電源的污染.為使整個(gè)系統(tǒng)能正常平安地運(yùn)行,過(guò)流、過(guò)載、過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路,另外還有過(guò)壓吸收電路.保證了系統(tǒng)可靠運(yùn)行. 關(guān)鍵詞：脈沖寬度調(diào)制,開(kāi)關(guān),直流調(diào)速系統(tǒng),雙閉環(huán)限制 直流電動(dòng)機(jī)PWM6制系統(tǒng)設(shè)計(jì)11 第一章、設(shè)計(jì)分析11 1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖11 2調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形11 3 H橋雙極式逆變器的工作原理11 4 PWM0速系統(tǒng)的靜特性13 第二章、電路設(shè)計(jì)16 1給定基準(zhǔn)電源14 2雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器電路設(shè)計(jì)15 (1)電流

7、調(diào)節(jié)器15 (2)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器15 3 SG35241號(hào)產(chǎn)生電路16 4 IGBT基極驅(qū)動(dòng)電路原理18 5 基于EXB841驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)18 6 鋸齒波信號(hào)發(fā)生電路19 7轉(zhuǎn)速及電流檢測(cè)電路20 (1)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路20 (2)電流檢測(cè)電路20 第三章、參數(shù)整定21 1CT,RT,卬的選取21 2自和RP1的選取21 3其它引腳器件確實(shí)定21 第四章、電路圖總體設(shè)計(jì)23 第五章、結(jié)束語(yǔ)24 第六章、參考文獻(xiàn)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)器用極聯(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)器的輸出去限制PW喋置.其

8、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,到達(dá)設(shè)計(jì)要求. P R ASR夕5ACRaUPE廣 +1-c+JL-E界 一專(zhuān)t-utu*苞卷二i/cep- 圖 1-1 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(guò)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(zhǎng)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(guò)程. (a)帶電流截止負(fù)反應(yīng)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程(b)理想快速起動(dòng)過(guò)程 圖 1-2 調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形 3H橋雙極式逆變器的

9、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UAB的極性隨開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電壓的極性變化而變化. 圖 1-3H 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. 寸+ AT-十+1- 他們的關(guān)系是：Ugi=Ug4=-Ug2=-Ug3.在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi),當(dāng) 0Etton時(shí), 晶體管VTi、VT4飽和導(dǎo)通而VT3、VT2截止,這時(shí) UAB=US.當(dāng) tonMtT 時(shí),VTi、 VT4截止,但VT3、VT2不能立即導(dǎo)通,電樞電

10、流id經(jīng)VD2、VD3續(xù)流,這時(shí) UAB=-UsoUAB在一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)相問(wèn),這是雙極式PW般換器的特征,其電 壓、電流波形如圖2所示.電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)表達(dá)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),tonAT,那么UAB的平均值為正,電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn),當(dāng)正脈沖較窄時(shí),2 那么反轉(zhuǎn)；如果正負(fù)脈沖相等,ton=T,平均輸出電壓為零,那么電動(dòng)機(jī)停止. 2 雙極式限制可逆PW渡換器的輸出平均電壓為 Ugi Ug4 O Ug2 O 圖 1-4H 形雙極式逆變器的驅(qū)動(dòng)電壓波形 那么在雙極式可逆變換器中 =2：-1 Ud Us 如果定義占空比.=端 T 電壓系數(shù) =匕 Us (1-2) 1. 調(diào)速時(shí),P 的可

11、調(diào)范圍為 01 相應(yīng)的=-1+1.當(dāng) P-時(shí),為正,電 2 1 .1. 動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng) P-時(shí),為負(fù),電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng) P=時(shí),0=0,電動(dòng)機(jī)停止. 2 2 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)的損耗這是雙極式限制的缺點(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). 雙極式限制的橋式可逆 PWME 換器有以下優(yōu)點(diǎn)： D 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(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬,有

12、利于保證器件的可靠導(dǎo)通. 4PWMM 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)系式比擬簡(jiǎn)單,電壓平衡方程如下 Us=Rid+L強(qiáng)+E(0t3)(1-3) dt did Us=Rid+L十E(tontT)(1-4) dt 端在一個(gè)周期內(nèi)的電壓都是 5=丫 5,平均電流用 Id表示,平均轉(zhuǎn)速 n=E/Ce, 而電樞電感壓降 Ldd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(xiě)成 dt 那么機(jī)械特性方程式 第二章、電路設(shè)計(jì)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 Us=RIdE=RIdCen (1-5) Us Ce 已小-3 CeCe (1-

13、6) 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.PWMK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 Co濾波,以獲得恒定 的直流電壓Us.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(duì)濾波電容充電,這時(shí)電容器兩端電壓升高稱(chēng)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,在泵升電壓到達(dá)允許值時(shí)接通 VTz0 圖 2-1H 橋式直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路 四單元IGBT模塊型號(hào)：20MT120UF 主要參數(shù)如下： _*0.-_ UCER=1200VIc=16ATCN=100CPCM=0.9kWUcE(sat)=3.05V 1給定基準(zhǔn)電源

14、 此電路用于產(chǎn)生土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)限制,必須對(duì)被控量進(jìn)行采樣,然后與給定值比擬,決定調(diào)節(jié)器的輸出,反應(yīng)的關(guān)鍵是對(duì)被控量進(jìn)行采樣與測(cè)量. (1)電流調(diào)節(jié)器 由于電流檢測(cè)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) Toi=0.001s,以濾平電流檢測(cè)信號(hào)為準(zhǔn).為了平衡反應(yīng)信號(hào)的延遲,在給定通道上參加同樣的給定濾波環(huán)節(jié),使二者在時(shí)間上配合恰當(dāng). 圖 2-3 含給定濾波與反應(yīng)濾波的 PI型電流調(diào)節(jié)器 (2)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

15、器 轉(zhuǎn)速反應(yīng)電路如圖2-4所示,由測(cè)速發(fā)電機(jī)得到的轉(zhuǎn)速反應(yīng)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) Ton=0.005so 根據(jù)和電流環(huán) 一樣的原理,在轉(zhuǎn)速給定通道上也參加相同時(shí)間常數(shù)的給定濾波環(huán)節(jié). 圖 2-4 含給定濾波與反應(yīng)濾波的 PI型電轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 3信號(hào)產(chǎn)生電路 本設(shè)計(jì)采用集成脈寬調(diào)制器SG3524(乍為脈沖信號(hào)發(fā)生的核心元件.根據(jù)主電路中IGBT的開(kāi)關(guān)頻率,選擇適當(dāng)?shù)腞、Ct值即可確定振蕩頻率. 電路中的PWM&號(hào)由集成芯片SG3524產(chǎn)生,SG352俅用是定頻PWW路,DIP-16型封裝 由SG352幽成的根本電路如圖2-5所示,由15腳輸入+15V電壓

16、,用于廣 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,可提升穩(wěn)態(tài)精度.12、13引腳通過(guò)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)器輸出的限制電壓作為2引腳輸入,通過(guò)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 2-5SG3524 管腳圖 圖 2-6SG3524 引腳接線圖IN- IN+ OSCOUTCURRLIM+CURRLIM- RTCTGND 2 3 4 5 6 7 15 14 13 12 11 10 REFOUT VCC EMIT2 COL2 COL1 EMIT1 SHUTDOWN COMP EMITS二q EMIT1

17、1Tn I 15vcc SG2524orSG3524 SHUTDOWN IN+ IH- OSCOUT REFOUT 主要參數(shù)：輸入電壓Uimax:40V輸出電流：500mA好散功率：1W 4IGBT基極驅(qū)動(dòng)電路原理 工作原理如圖2-8所示 振藩器輸出 OSC Z441 今&補(bǔ)償端. “YWM比擬淵 &反和輸入 網(wǎng)相笳入 范地 I 04西測(cè)溫&二關(guān)斷端 01. 14 EA 10kQ f_V Ex 圖 2-7SG3524 內(nèi)部框圖 L1I! _0T!OT1! 0!0T!5367 Hl C認(rèn)trr? I 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

18、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,以預(yù)防過(guò)流保護(hù)電路誤動(dòng)作 大多數(shù)場(chǎng)合不需要該電容器 ； 腳5:過(guò)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(hào)輸入-,+; 5基于EXB84軀動(dòng)電路設(shè)計(jì) 針對(duì)EXB84存在保護(hù)盲區(qū)的問(wèn)題,可如圖12所示將EXB8416腳的超快速恢復(fù)二極管VDI換為導(dǎo)通壓降大一點(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(duì)每個(gè)脈沖限制最小脈寬使其大于盲區(qū)時(shí)間,預(yù)防IGBTi窄脈寬下 的低輸出大功耗狀態(tài).針對(duì)EXB84軟關(guān)斷保護(hù)不可靠的問(wèn)題,可以在EXB841

19、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(lái)調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間,保證軟關(guān)斷的可靠性.針對(duì)負(fù)偏壓缺乏的問(wèn)題,可以考慮提升負(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IGB刪射極之間反向最大耐壓的限制,輸人信號(hào)被接到15腳,EXB84正常工彳驅(qū)動(dòng)IGBT. S2 I3 TEXB841 f15 I* 圖2-9EXB841驅(qū)動(dòng)IGB做計(jì)圖主要參數(shù)：電源電壓：20V最大輸出功率：47mA最高工作頻率：10kHz 6鋸齒波信號(hào)發(fā)生電路 鋸齒波信號(hào)發(fā)生器SG的輸出信號(hào)Us與限制信號(hào)U；在PW齦換器(SG3524 中進(jìn)行比擬,PW喻出幅度恒定、 寬度變化的方波脈沖序列

20、,即PW瞰.SG電路可有UJT或者PUT構(gòu)成.UJT鋸齒波信號(hào)發(fā)生器根本電路如圖2-10所示 圖 2-10 鋸齒波信號(hào)發(fā)生電路 7轉(zhuǎn)速及電流檢測(cè)電路 (1)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路如圖2-11所示.與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī),從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反應(yīng)電壓 Un,與給定電壓U；相比擬后,得到轉(zhuǎn)速偏 差電壓AU；輸送給轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器.測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓不僅表示轉(zhuǎn)速的大小,包含轉(zhuǎn)速的方向,測(cè)速電路如圖15所示,通過(guò)調(diào)節(jié)電位器即可改變轉(zhuǎn)速反應(yīng)系數(shù). 圖 2-11 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路 50A/pS； 5)線性度優(yōu)于0.1%IN; 6)響應(yīng)時(shí)間(Vcc1-Vo)/Io=0.6W.第四章、電路圖總體設(shè)計(jì) 二 二?外 3I -一 二：弓 結(jié)束語(yǔ) 本畢業(yè)設(shè)計(jì)為PWM：流脈寬調(diào)速系統(tǒng),是以限制電路為核心,采用恒頻脈寬調(diào)制限制方案,由SG3524.EXB