PWM控制直流电机的系统的设计

电力电子与电机拖动综合课程设计题目： PWM控制直流电机的系统专业： 05自动化学号： 200510320219 姓名：张建华完成日期：指导教师：李晓高电力电子与电机拖动综合课程设计任务书班级：自动化05 姓名：张建华指导老师：2008年6月10日年月日目录1 引言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。

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一稳定值。

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, 设计了过流、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。

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。

整个系统上采用了转速、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Ⅰ型系统设计；转速调节环在外面，成为外环，按典型Ⅱ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为控制电路的原理图。

图中，V 为大功率晶体管，C 1、 R 1 、VD 1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T 1+T 2=T 保持一定，使T 1在0～T 范围内变化来调节。

U a ===+Ud TT Ud T T T 1211Ud 系统的直流主回路电源V D ，经三相桥式不可控整流滤波电路供电。

当被控直流电机的额定功率较小时，V D 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U a ，U a 再经 LC 滤波得到直流电机两端的平直直流电压V a 。

图2 系统结构图2.2直流电动机的脉宽调制的工作原理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U S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U S向电动机电流继续流通。

图3 PWM控制示意图电压平均值U as可用下式表示：Uas= t on ·U s/T=αUs （1-1）式中，t on 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t on 和关断时间t off 之和），α为占空比，α= t on /T 。

由式（1-1）可见，改变开关接通时间t on 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。

2．3 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，则要求控制电压k U 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k U 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 a i 波形 (f) E>S U 时a i 波形设矩形波的周期为T ，正向脉冲宽度为1t ，并设λ=1t /T 为占空比。

则电枢电压U 的平均值av U =（2λ-1）S U =（21t /T-1）S U ，并定义双极性双极式脉宽放大器的负载电压系数为ρ=av U /S U =21t /T-1即 av U =ρS U可见，ρ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，有利于保证晶体管可靠导通；5、低速平稳性好，低速范围可达20000左右。

3单元电路设计3．1 转速、电流双闭环调节电路3．1．1电路原理在双闭环直流调速系统中设置了两个调节器，转速调节器的输出当作电流调节器的输入，电流调节器的输出控制晶闸管整流器的触发装置。

电流调节器在里面称作内环，转速调节器在外面称作外环，这样就形成转速、电流双闭环调速系统。

双闭环直流调速系统原理图如图7所示。

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，转速则是采用了测速电机进行检测。

为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器都采用 PI 调节器。

PI 调节器的输出由两部分组成，第一部分是比例部分，第二部分是积分部分。

把比例运算电路和积分电路组合起来就构成了比例积分调节器，如图6所示。

可知U O =-I 1R 1-R0C11∫U i dt I 1=I 0=U i /R 0U 0=-R 1U i /R 0- R 0C 1/1∫U i dt当突加输入信号U i 时，开始瞬间电容C 1相当于短路，反馈回路中只有电阻R 1，此时相当于比例调节器，它可以毫无延迟地起调节作用，故调节速度快；而后随着电容C 1被充电而开始积分，U 0线性增长，直到稳态。

图6 PI 调节器电路转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速跟随其给定电压变化，稳态时实现转速无静差，对负载变化起抗扰作用，其输出限幅值决定电机允许的最大电流。

电流调节器使电流紧紧跟随其给定电压变化，对电网电压的波动起及时抗扰作用，在转速动态过程中能够获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程， 当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。

一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。

图7转速、电流调节电路图ASR–转速调节器 ACR–电流调节器 GT–触发装置M –直流电动机 TG–测速发电机 TA–电流互感器UPE---电力电子变换器Un*---转速给定电压Un---转速反馈电压U i*---电流给定电压Ui---电流反馈电压图中，来自速度给定电位器给定的信号Un*与速度反馈信号Un比较后，偏差为△Un= Un*-Un，送到速度调节器ASR的输入端。

速度调节器的输出U i*作为电流调节器ACR的给定信号，与电流反馈信号Ui比较后，偏差为△Un= U i*-U i，送到电流调节器ACR的输入端，电流调节器的输出Uct送到触发器，以控制可控整流器，整流器为电动机提供直流电压U d.。

3.3 PWM驱动装置控制电路PWM kHz图6为PWM驱动装置控制电路框图。

该控制电路包括恒频波形发生器、脉宽调制器、脉冲分配电路等脉宽调速系统所特有的电路。

图8 PWM 驱动装置控制电路框图3．3．1恒频波形发生器它的作用是产生频率恒定的振荡信号作为时间比较的基准，其波形可以是三角形波或锯齿波。

PWM 波由具有输出的PWM 控制器产生。

3.3.2脉宽调制器它的作用是实现电压、脉宽的转换（V/M ），即形成PWM 信号。

SG1525集成控制器由 R 2 和 Rp1分压给出 EA(+)(2引脚 )的系统设定值电压。

这就要求提供此电压的基准电源V REF 有较高精度。

V REF 受 15引脚V CC1电源电压的影响。

V CC1是标准三端集成稳压 器的输入 电压。

V REF 是稳压器的输出电压 Vcc 。

低于7V 或严重欠电压时，V REF 的精度 值(5．1V ±1% )就 得不到 保 证 ；为防止EA(+)设定值电压波动导致 系统失控 ，在器件内部设置有欠压锁定功能。

出现欠电压时 ，欠电压锁定功能使图7中 A 端 线 由低 电 压 上 升 为 逻 辑 高 电压 ．经 “或 ”一“或 非”门输出转化为 P1= P2=D C B A +++=D C B +++1；P1 =2P =1；P1 和P2的逻辑低电压使输出驱动晶体管T 1和 T 2 截止，P1和P2的逻辑高电压使晶体管T 和T 的集电极对地导通。

控制器 11 和 l4引脚的输出电压脉冲消失( V 01=V 02 = 0)，功率驱动 电路输出至主开关管V 的控制驱动脉冲消失，主开关管关断使直流电机停转。