毕业设计（论文）基于PWM控制直流调速系统的设计

1、基于pwm控制直流调速系统的设计基于pwm控制直流调速系统的设计摘要:本文基于pwm的双闭环直流调速系统进行了研究，并设计出应用于直流电动机的双闭环直流调速系统。首先描述了变频器的发展历程，提出了pwm调速方法的优势，指出了未来pwm调速方法的发展前景，点出了研究pwm调速方法的意义。应用于直流电机的调速方式很多，其中以pwm变频调速方式应用最为广泛，而pwm变频器中，h型pwm变频器性能尤为突出，作为本次设计的基础理论，本文将对pwm的理论进行详细论述。在此基础上，本文将做出sg3525单片机控制的h型pwm变频调速系统的整体设计，然后对各个部分分别进行论证，力图在每个组成单元上都达到最好的

2、系统性能。关键词：直流调速 ；双闭环 ；pwm ；sg3525 ；直流电机引言：目前，随着大功率电力电子器件的迅速发展，交流变频调速技术已日臻成熟并日渐成为实际应用的主流，但这并不意味着传统的直流调速技术已经完全退出了实际应用的舞台。相反，近几年交流变频调速在控制精度的提高上遇到了瓶颈，于是直流调速的优势就显现了出来。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。譬如在对控制精度有较高要求的造纸，转台，轮机定位等系统中仍离不开直流调速装置，因此加强对直流调速系统的研究还是很有必要的。鉴于直流调速系统在国民经济和工农业生产以及国防事业中的重要作用，有必要对直流调速系统作进一步的研究和开发。1 系

3、统设计的技术要求1)直流电动机：型号：dj15功率：485w电枢电压：220v电枢电流：1.2a额定转数：1600rpm2)调速范围：1-12003)起动时超调量：电流超调量:；转速超调量: 2 系统设计的整体结构3系统设计3.1设计方案的选定与说明3.1.1选择pwm控制直流调速系统的理由pwm系统的优越性 ：2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。3）低速性能好，稳速精度高，调速范围广，可达到1：10000左右。4）如果可以与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而

4、装置效率较高。 变频调速很快为广大电动机用户所接受，成为了一种最受欢迎的调速方法，在一些中小容量的动态高性能系统中更是已经完全取代了其他调速方式。由此可见，变频调速是非常值得自动化工作者去研究的。在变频调速方式中，pwm调速方式尤为大家所重视，这是我们选取它作为研究对象的重要原因3.1.2选择igbt的h桥型主电路的理由h型pwm变换器具备电流连续、电动机四象限运行、无摩擦死区、低速平稳性好优点。本次设计以h型pwm直流控制器为主要研究对象。3.1.3采用转速电流双闭环的理由闭环系统：具有抑制干扰能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统响应特性。双闭环调速系统：一是能够快速启动制动；二是能够快

5、速克服负载、电网等干扰。3.2 pwm控制直流调速系统主电路设计3.2.1 主电路结构设计 图1-1h型双极式可逆pwm变换器：双极式可逆pwm变换器的主电路中四个电力晶体管分为两组，vt1和vt4为一组，vt2和vt3为一组。同一组中两个电力晶体管的基极驱动电压波形相同，即，vt1和vt4同时导通和关断；，vt2和vt3同时导通和关断。而且，和，相位相反，在一个开关周期内vt1，vt4和vt2，vt3两组晶体管交替地导通和关断，变换器输出电压在一个周期内有正负极性变化，这是双极式pwm变换器的特征。电压极性的变化，使得电枢回路电流的变化存在两种情况如图1-2所示图1-2 h型双极式pwm变换

6、器电压和电流波形 （a）电动机负载较重时 （b）电动机负载较轻时如果电动机的负载较重，平均负载电流较大，在时，和为正，vt1和vt4饱和导通；而和为负，vt2和vt3截止。这时，加在电枢ab两端，电枢电流沿回路流通（见图1-2（b），电动机处于电动状态。在时，和为负，vt1和vt4截止；和为正，在电枢电感释放储能的作用下，电枢电流经二极管vd2和vd3续流，在vd2和vd3上的正向压降使vt2和vt3的c-e极承受反压而不能导通，电枢电流沿回路2流通，电动机仍处于电动状态。有关参量波形图示于图1-2（a）。如果电动机负载较轻，平均电流小，在续流阶段电流很快衰减到零，即当时，。于是在时，vt2和

7、vt3的c-e极两端失去反压，并在负的电源电压（）和电动机反电动势e的共同作用下导通，电枢电流反向，沿回路3流通，电动机处于反接制动状态。在（）时，和变负，vt2和vt3截止，因电枢电感的作用，电流经vd1和vd4续流，使vt1和vt4的c-e极承受反压，虽然和为正，vt1和vt4也不能导通，电流沿回路4流通，电动机工作在制动状态。当时，vt1和vt4才导通，电流又沿回路1流通。有关参量的波形示于图1-2（b）。这样看来，双极式可逆pwm变换器与具有制动作用的不可逆pwm变换器的电流波形差不多，主要区别在于电压波形；前者，无论负载是轻还是重，加在电动机电枢两端的电压都在和之间变换；后者的电压只

8、在和0之间变换。这里并未反映出“可逆”的作用。实现电动机制可逆运行，由正、负驱动电压的脉冲宽窄而定。当正脉冲较宽时， ，电枢两端的平均电压为正，在电动运行时电动机正转；当正脉冲较窄时，平均电压为负，电动机反转。如果正、负脉冲宽度相等，平均电压为零，电动机停止运转。因为双极式可逆pwm变换器电动机电枢两端的平均电压为 若仍以来定义pwm电压的占空比，则双极式pwm变换器的电压占空比为。改变即可调速，的变化范围为。为正值，电动机正转；为负值，电动机反转；，电动机停止运转。在时，电动机虽然不动，但电枢两端的瞬时电压和流过电枢的瞬时电流都不为零，而是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒

9、然增加了电动机的损耗，当然是不利的。但是这个交变电流使电动机产生高频微振，可以消除电动机正、反向切换时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用，有利于快速切换。 图1-3 h桥主电路 3.2.2泵升电路 图1-4当脉宽调速系统的电动机转速由高变低时（减速或者停车），储存在电动机和负载转动部分的动能将变成电能，并通过pwm变换器回馈给直流电源。当直流电源功率二极管整流器供电时，不能将这部分能量回馈给电网，只能对整流器输出端的滤波电容器充电而使电源电压升高，称作“泵升电压”。过高的泵升电压会损坏元器件，因此必须采取预防措施，防止过高的泵升电压出现。可以采用由分流电阻r和开关元件（电力电子器件）vt

10、组成的泵升电压限制电路，如图1-4所示。当滤波电容器c两端的电压超过规定的泵升电压允许数值时，vt导通，将回馈能量的一部分消耗在分流电阻r上。这种办法简单实用，但能量有损失，且会使分流电阻r发热，因此对于功率较大的系统，为了提高效率，可以在分流电路中接入逆变，把一部分能量回馈到电网中去。3.3 pwm控制直流调速系统控制电路设计3.3.1 pwm信号发生器pwm信号发生器以集成可调脉宽调制器sg3525为核心构成，他把产生的电压信号送给h桥中的四个igbt。通过改变电力晶体管基极控制电压的占空比，而达到调速的目的。其控制电路如图1-5所示.图1-5pwm控制电路3.3.2 sg3525芯片的主

11、要特点sg3525为美国silicon general公司生产的专用pwm控制集成电路，如图1-6所示。图1-6sg3525芯片的内部结构它采用恒频脉宽调制控制方案，其内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。调节ur的大小，在a、b两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位相互错开180度、占空比可调的矩形波（即pwm信号）。它适用于各开关电源、斩波器的控制。输出级采用推挽输出，双通道输出，占空比0-50%可调.每一通道的驱动电流最大值可达200ma,灌拉电流峰值可达500ma。可直接驱动功率mos管，工作频率高达400khz，具有欠压锁定、过压保护和软启动振荡

12、器外部同步、死区时间可调、pwm琐存、禁止多脉冲、逐个脉冲关断等功能。该电路由基准电压源、震荡器、误差放大器、pwm比较器与锁存器、分相器、欠压锁定输出驱动级，软软启动及关断电路等组成，可正常工作的温度范围是0-700c。基准电压为5.1 v士1%，工作电压范围很宽，为8v到35v.3.3.3 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

13、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。上电过程中，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琐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

14、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琐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。当shutdown（引脚10）上的信号为高电平时，pwm琐存器将立即动作，禁止sg3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。注意，shutdown引脚不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响sg3525的正常工作。 欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。如果输入

15、电压过低，在sg3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。 此外，sg3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成pwm脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，pwm琐存器才被复位。3.4 转速、电流双闭环设计3.4.1 转速、电流双闭环调速系统的组成图1-7所示为转速、电流双闭环调速系统的原理框图。为了实现转速和电流两种负图1-7转速电流双闭环调速系统反馈分别起作用，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串联连接。把转速调节器asr的输出作为电流调节器acr的输入，用电流调节器的输出去控制晶管整流的触发器。从闭环结构上看，电流调节环在里面，是内环；转速调

16、节环在外面，叫做外环。 为了获得良好的静、动态性能，双闭环调速系统的两个调节器通常都采用pi调节器。在图1-7中，标出了两个调节器输入输出电压的实际极性，它们是按照触发器gt的控制电压为正电压的情况标出的，而且考虑运算放大器的反相作用。通常，转速电流两个调节器的输出值是带限幅的，转速调节器的输出限幅电压为，它决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器的输出限幅电压是，它限制了pwm装置输出电压的最大值。3.4.2 转速、电流双闭环调速系统的静特性 根据图1-6的原理图，可以很容易地画出双闭环调系统的静态结构图如图1-7所示。其中pi调节器用带限幅的输出特性表示，这种pi调节器在工作中一般存在

17、饱和和不饱和两种状况。饱和时输出达到限幅值；不饱和时输出未达到限幅值，这样的稳态特征是分析双闭环调速系统的关键。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非输入信号反向使调节器所在的闭环成为开环。当调节器不饱各时，pi调节器的积分（i）作用使输入偏差电压在稳态时总是等于零。图1-7 双闭环调速系统静态结构图实际上，双闭环调速系统在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的，对于静特性来说，只有转速调节器存在饱和与不饱和两种情况。 （1）转速调节器不饱和：在正常负载情况下，转速调节器不饱和，电流调节器也不饱和，稳态时，依靠调节器的调节作用，它们的输入偏差电压都是零。因此系统具有绝对

18、硬的静特性（无静差），即 从而得到图1-8静特性的段。由于转速调节器不饱和， ，所以。这表明， 段静特性从理想空载状态（）一直延续到电流最大值，而一般都大于电动机的额定电流。这是系统静特性的正常运行段。图1-8 双闭环调速系统的静特性（2）转速调节器饱和： 当电动机的负载电流上升时，转速调节器的输出也将上升，当上升到某一数值（）时，转速调节器输出达到限幅值，转速环失出调节作用，呈开环状态，转速的变化对系统不再产生影响。此时只剩下电流环起作用，双闭环调系统由转速无静差系统变成一个电流无静差的单闭环恒流调节系统。稳态时 因而是所对应的电枢电流最大值，由设计者根据电动机的容许过载能力和拖动系统允许的

19、最大加速度选定。这时的静特性为图3-5中的a-b段，呈现很陡的下垂特性。由以上分析可知，双闭环调速系统的静特性在负载电流时表现为转速无静差，这时asr起主要调节作用。当负载电流达到之后，asr饱和，acr起主要调节作用，系统表现为电流无静差，得到过电流的自动保护。这就是采用了两个pi调节器分别形成内、外两个闭环的效果，这样的静特性显然比带电流截止负反馈的单闭环调速系统的静特性要强得多。 综合以上分析结果可以看出，双闭环调速系统在稳态工作中，当两个调节器都不饱和时，系统变量之间存在如下关系： 上述关系表明，双闭环调速系统在稳态工作点上，转速n是由给定电压和转速反馈系数决定的，转速调节器的输出电压

20、即电流环给定电压是由负载电流和电流反馈系数决定的，而控制电压即电流调节器的输出电压则同时取决于转速n和电流，或者说同时取决于和。这些关系反映了pi调节器不同于p调节器的特点：比例调节器的输出量总是正比于输入量，而pi调节器的稳态输出量与输入量无关，而是由其后面环节的需要所决定，后面需要pi调节提供多大的输出量，它就能提供多少，但这要在调节器不饱和的情况下。 采用转速、电流双闭环调速系统后，由于增加了电流内环，而电网电压扰动被包围在电流环里，当电网电压发生波动时，可以通过电流反馈得到及时调节，不必等到它影响到转速后，再由转速调节器作出反应。因此，在双闭环调速系统中，由电网电压扰动所引起的动态速度

21、变化要比在单态环调速系统中小得多。综上所述，在双闭环调速系统中，转速调节器和电流调节器的作用可以归纳如下：（1）转速调节器的作用:使电动机转速n跟随给定电压变化，保证稳态转速无静差。对负载扰动起抗扰作用。其输出限幅值决定允许的最大电流，在起动时给出最大电流给定信号。（2）电流调节器的作用:对电网电压扰动起及时抗扰作用。起动时保证获得恒定的最大允许电流。当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起到快速的安全保护作用。在转速调节过程中，使电流跟随其给定电压变化。3.4.3 电流调节器的设计设计电流环首先遇到的问题是反电动势产生的交叉反馈作用。它代表转速环输出量对电流环的影响。实际系统中的电磁

22、时间常数tl一般远小于机电时间常数tm，因而电流的调节过程往往比转速的变化过程快得多，也就是说，比反电动势e的变化快得多。反电动势对电流环来说只是一个变化缓慢的扰动作用，在电流调节器的调节过程中可以近似的认为e不变，即e=0。这样，在设计电流环时，可以暂不考虑反电动势变化的动态作用，而将电动势反馈作用断开，从而得到忽略电动势影响的电流环近似结构图。再把给定滤波和反馈滤波两个环节等效地移到环内。最后，ts和toi一般比tl小的多，可以当作小惯性环节处理，看作一个惯性环节，取ti=ts+toi。 首先应决定要把电流环校正成哪一类典型系统,电流环的一项重要作用就是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值

23、,因而在突加控制作用时不希望有超调,或者超调量越小越好。从这个观点出发,应该把电流环校正成典系统。可电流环还有另一个对电网电压波动及时调节的作用,为了提高其抗扰性能,又希望把电流环校正成典系统。一般情况下,当控制对象的两个时间常数之比tl/ti 10时,典系统的抗扰恢复时间还是可以接受的。因此,一般多按典系统来设计电流环6。本设计因为 i% 5%且tl/ti =23.98/6.710。所以 按典系统设计,选pi调节器，其传递函数为： 式中 ki电流调节器的比例系数;电流调节器的超前时间常数。为了让调节器零点对消掉控制对象的大时间常数极点，选择=tl, 则电流环的动态结构图可以化简为图1-9：图

24、1-9 电流环简化成典系统参数计算：按所用运算放大器取=20k，电枢回路总电阻r=20acr积分时间常数， 电流环开环增益：要求时应取因此 于是，acr的比例系数为 计算控制器的电阻电容值 ,取50k 如图1-10所示，为电流调节器的结构图。图1-10电流调节器的结构图3.4.4 速度调节器设计在设计转速调节器时，可把已设计好的电流环看作是转速调节系统中的一个环节。为此，需求出它的等效传递函数： 近似条件: 用电流环的等效环节代替电流闭环后，整个转速调节系统的动态结构图如1-11（a）所示。把给定滤波和反馈滤波环节等效地移到环内，同时将给定信号改为u*n(s)/；再把时间常数为ton和2ti的

25、两个小惯性环节合并起来，近似成一个时间常数为tn的惯性环节，且tn=ton+2ti,，则转速环结构图为图1-11(b）。图1-11 转速环的动态结构图要把转速环校正成典型型系统，asr也应采用pi调节器，其传递函数为式中 kn转速调节器的比例系数; n转速调节器的超前时间常数。 转速调节环选用典型型系统的原因：1) 系统在负载扰动作用下，动态速降要小。2) st饱和时，速度环退饱和超调量不大。 3) 速度环基本上是恒值系统。参数计算：按所用运算放大器取=20k 电流反馈系数：=0.5v/a 转速反馈系数：=0.007vmin/r =0.132vmin/r =0.18s 电枢回路总电阻r=20

26、=0.0234s 0.01s转速控制器的积分时间常数 一般选h=5根据公式 经计算得出= 2.17 ； 转速控制器电阻电容值取50k如图1-12所示，为转速调节器的结构图。图1-12 转速调节器的结构图4系统实验验证4.1 系统结构框图图1-13系统结构框图4.2 系统工作原理速度给定信号g，速度调节器asr，电流调节器acr，控制pwm信号产生装置upm脉宽调制器，dld单元把一组pwm波形分成两组相差180的pwm波，用于控制两组臂。g用以输出 015v 直流给定电压，upw（脉宽调制器）采用 sg3525 芯片和部分外围电路构成。sg3525 是一种专用脉宽调制器控制电路，通过改变外接电

27、阻和电容的数值，可以产生不同频率的方波信号。改变给定端电压，可以改变输出方波的占空比，作为 pwm 变换器的控制信号。gd的作用是形成四组隔离的pwm驱动脉冲；pwm为功率放大电路，直接给电动机m供电。这样通过改变给定电压就可以对电动机调速了。 dld逻辑延时单元，对pwm控制信号进行延时和整形。当被驱动电路为双极式工作制时，为了避免同一相上、下两只功率管直通，需要驱动信号有死区，dld 单元即用来产生具有死区的驱动控制信号。dzs 为零速封锁器，其输出控制 asr 和 acr，当调速系统给定电压为零时确保电动机转速为零，避免运算放大器因零点漂移造成电动机不能停车。fa限制主电路瞬时电流，过流

28、时封锁dld单元输出；电流反馈调节单元cfr；速度反馈调节sfr。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用,在系统中设置了两个调节器,分别调节转速和电流,二者之间实行串级连接.把转速调节器的输出当作电流调节器的输入,再用电流调节器的输出去控制pwm变换器的触发装置。从闭环结构上看，电流调节环在里面，叫做内环；转速调节环在外面，叫做外环。这样就形成了转速、电流双闭环调速系统。为了获得良好的动、静态性能，双闭环调速系统的两个调节器一般都采用pi调节器，转速调节器asr的输出限幅电压是unmax，它决定了电流调节器给定电压的最大值；电流调节器acr的输出限幅电压是uimax，它限制了pwm变换器输出电

29、压的最大值。4.3 系统单元调试4.3.1 基本调速速度调节器(asr)和电流调节器(acr)的调零把调节器的输入端1、2、3全部接地，4、5之间接50k电阻，调节电位器rp3，使7端输出绝对值小于1mv。速度调节器(asr)和电流调节器(acr)的输出限幅值的整定在调节器的3个输入中的其中任一个输入接给定，在4.、5之间接50k电阻、1uf电容，调节给定电位器，使调节器的输入为-1v，调节电位器rp1，使调节器的输出7为+4v（输出正限幅值）；同样把给定调节为+1v，调节rp2，把负限幅值调节为-4v。零速度封锁器（dzs）观测首先把零速封锁器的输入悬空，开关s1拨至“封锁”状态，输出接速度

30、或者电流调节器的零速封锁端6，无论调节器的输入如何调节，输出7始终为零。把面板上的给定输出接至零速封锁单元其中一路，另一路悬空，增大给定，测量零速封锁单元输出端3：给定的绝对值大于0.26v左右时，封锁端3输出-15v；减小给定，给定的绝对值小于0.17v左右时，封锁端3输出+15v。把给定加到另一路进行同样的操作。4.3.2 脉宽发生单元的整定把电机、直流电源等接入系统，系统接成开环，脉宽发生单元的输入悬空或者接地，调节偏移电压电位器，使电机处于停止状态（若要达到更好的闭环效果，调节偏移电压电位器，使通过电枢的直流电流低于0.02ma）用双踪示波器观测脉宽发生单元的测试点1、2和3、4的波形，此时的1、2（3、4）的占空比接近相同（占空比为50%左右）。观测同一组桥臂（1、2或者3、4）之间的死区。4.3.3 转速反馈调节器、电流反馈调节器的整定把电机、220v直流电源接入系统，系统接成开环。把正给定接入脉宽发生单元，调节给定，使转速稳定在1600rpm，调节转速反馈调节器中的rp1，使3端输出的