基于IGBT斩波控制的直流电机调速（与转速检测）系统设计课程设计

1、电力电子技术课程设计基于igbt斩波控制的直流电机调速（与转速检测）系统设计摘 要电力电子技术是一门实践性很强的技术，由电力电子器件构成的直流电机斩波调速电路由于其节能，先进，灵活等特点在工业控制中得到了广泛应用，本着加强对电气工程专业学生综合性工程训练的原则，结合专业特点，特安排了基于igbt的直流电机脉宽调速与转速检测这一课程设计，以深化对学生运用先进的电力电子技术解决实际问题能力的培养。因此，积极参加电力电子技术课程设计，我们能在其中加强个人各方面的能力，充实理论和实践的知识。本次课程设计针对，关键词：igbtigbt(insulated gate bipolar transistor)

2、，绝缘栅双极型晶体管，是由bjt(双极型三极管)和mos(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有mosfet的高输入阻抗和gtr的低导通压降两方面的优点。gtr饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大;mosfet驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。igbt综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。目 录1序 言12设计任务与要求22.1设计任务22.2设计要求23方案选择与论证23.1方案一43.2 方案二43.3 方案三54 原理图、程序设计54.1 电路原理图54.2 元件选择64.3 单片机程序65 电路调试及其结果85.1 调试中出现

3、的问题及其解决办法85.2 数据记录95.3 结果分析106 收获、体会和建议116.1收获116.2体会116.3建议12参考文献12附 录12 1 序 言近年来，随着科技的进步，电力电子技术得到了迅速的发展，直流电机以其具有优良的调速特性,较高的起制动转矩、过载能力大，能承受频繁的冲击负载等优点而得到广泛的应用。 为了能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，要求电机调速平滑、方便,调速范围广、可实现频繁的无级快速起动、制动和反转，显然，改变电枢回路电阻调速，改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求，这时通过pwm方式控制直流电机调速的方法应运而生。采用传统的调速系统主要有以下缺陷：

4、模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而在用了pwm技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。另外，由于pwm 调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流,低速特性好；同样,由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强,可以获得很宽的频带;开关器件只工作在开关状态,主电路损耗小,装置效率高。pwm 具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。2 设计任务与要求2.1 设计任务选用合适的igbt设计制作一个斩波调速器，使占空比可调，设频率设定为5.7khz,占空比调节范围为10%90%。2.

5、2 设计要求斩波调速器负载选用额定电压为220v，额定电流为1.2a的它励直流电动机（即把实验室的并励直流电动机做它励接法做实验）实现电机的单向调速，即电机的单象限运行。igbt 的驱动电路的设计，这一部分电路可以用单片机和硬件电路相结合来实现，也可以用专用芯片tl494结合其它硬件电路来实现。igbt驱动电路的设计可借助仿真软件orcad来进行。稳压电源，电机均由实验室提供。3 方案选择与论证从基本方式上看，由转速表达式可知，式中ua、ra、三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速。所以直流电动机有三种基本调速方法：(1)改变电枢回路总电阻ra；(2)改变电枢供电

6、电压ua；(3)改变励磁磁通（降低励磁电流升速，也叫弱磁升速）。均可以通过电力电子变流器或相应的电枢或励磁回路串电阻加以实现。3.1 方案1：改变电枢回路电阻调速通过改变电枢回路电阻来调速，此时转速特性公式为 n=u-【i(r+rw)】/ke式中rw为电枢回路中的外接电阻（）。当负载一定时，随着串入的外接电阻rw的增大，电枢回路总电阻r=(ra+rw)增大，电动机转速就降低。rw的改变可用接触器或主令开关切换来实现。这种调速方法为有级调速，转速变化率大，轻载下很难得到低速，且分析得知其转速越低，效率也越低，故现在这种调速方法已极少采用，本次设计不采用。3.2 方案二：改变励磁电流调速当电枢电压

7、恒定时，改变电动机的励磁电流也能实现调速。由转速表达式知，电动机的转速n与磁通（也就是励磁电流）成反比。与此同时，由于电动机的转矩te是磁通和电枢电流ia的乘积（即te=ctia），电枢电流不变时，随着磁通的减小，其转速升高，转矩也会相应地减小，为了确保电机磁路不至于过饱和，弱磁调速通常只在电动机基速（额定转速）以上进行，调速范围小。本次设计不采用。3.3 方案三：采用pwm控制的调速方法图1为pwm降压斩波器的原理电路及输出电压波形。在图1a）中，假定晶体管v1先导通t1秒(忽略v1的管压降，这期间电源电压ud全部加到电动机电枢上)，然后关断t2秒(这期间电动机电枢端电压为零)。如此反复，则

8、电枢端电压波形如图1b中所示。电动机电枢端电压ua为其平均值。图1 pwm降压斩波器原理电路及输出电压波形a) 原理图 b)输出电压波形式中 即为占空比。使用下面三种方法中的任何一种，都可以改变的值，从而达到调压的目的： (1)定宽调频法：t1保持一定，使t2在0范围内变化； (2)调宽调频法：t2保持一定，使t1在0范围内变化；(3)定频调宽法：t保持一定，使t1在0t范围内变化。不管哪种方法，的变化范围均为0l，因而电枢电压平均值ua的调节范围为0ud，均为正值，即为不可逆调速。当需要电动机进行可逆调速时，就要使用图2a）所示的桥式降压斩波电路。 在图2a中，设v1、v4先同时导通t1秒后

9、同时关断，间隔一定时间(为避免电源直通短路。该间隔时间称为死区时间)之后，再使v2、v3同时导通t2秒后同时关断，如此反复，则电动机电枢端电压波形如图2b）所示。图2 桥式pwm降压斩波器原理电路及输出电压波形a)原理图 b)输出电压波形则电动机电枢端电压的平均值为由于01，ua值的范围是 -ud+ud，因而电动机可以在正、反两个方向调速运转。 图3给出了两种pwm斩波电路的电枢电压平均值的特性曲线。图3 两种斩波器的输出电压特性由上可以看出，利用pwm技术，只通过控制开关器件来改变占空比，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗，且具有很强的抗噪性。此外，采用pwm调速还有以

10、下特点：1 开关频率高，系统响应快，动态抗扰能力强；2 电流脉动量小，仅靠电机电感就可获得平稳的直流电流，无须加平波电抗器；3 低速特性好,功率因数高，对电网影响小；4 主电路控制元件少，线路简单。综上，此次设计采用方案三。4 原理图、程序设计4.1 电路原理图因igbt作为应用广泛的半导体开关器件，具有耐压高、大电流；开关速度快，可进行高速开关；载波频率大，降低电动机的运行噪声；输入阻抗高，驱动电路简单等优点。所以本设计电路采用了igbt作为开关元件，通过控制igbt来使占空比可调。具体的原理图如下图4： 图4 电路原理图图中左边为igbt驱动信号输入电路，若以单片机输出信号作为光耦隔离器的

11、输入，当光耦隔离器输入为1时，发光二极管导通，从而驱动光敏三极管，使igbt的g端为1，从而导通。光耦隔离器的应用实现了电气上的完全隔离和强弱电上的完全隔离。单片机输出信号也就是igbt的控制信号。因此，电路上两电阻作用是给光耦隔离器输入和输出一个确定的数字信号。另外，二极管作用是对电机限压，保护电机，且提供电机在igbt断开之后的感应电流一个通路。4.2 元件选择根据以上相关器件的分析，初定选用：4.3 单片机程序由图4所示的原理图得知，若以单片机作为igbt的控制信号，则先要设计出单片机程序，以达到软件控制硬件的目的。 相应的程序如下：#include #include volatile

12、unsigned int counter=701; /初始化占空比为50%void delay(unsigned char ms) /延时函数 延时ms unsigned int i,j;for(i=0;ims;i+) for(j=0;j1141;j+); void time_init() /pwm波初始化 tccr1b=0x19; tccr1a=0x63; /频率设为5.7khz ocr1a=1403; ocr1b=701; main() /主函数 ddrb=0x00; portb=0xff; ddrd=0x30; time_init(); sreg|=bit(7); while(1) if

13、(pinb!=0xff) delay(30); if(pinb!=0xff) per(); ocr1b=counter; void per(void) /步进函数 占空比步进0.15% if(pinb=0xfb) /加键 counter=counter+2; if(pinb=0xf7) /减键 counter=counter-2; 5 电路调试及其结果5.1 调试中出现的问题及其解决办法5.1.1 出现的问题我们根据图4所示原理图焊接好电路后，调试初期便遇到以下几个问题：a) 图4所示的光电隔离器的光敏三极管发射极原串联了一个大小为1k欧姆的电阻。调试的时候igbt的g、e两端电压只有约5.3

14、v，不能成功被驱动。b) 电机起动时产生过流现象。c) 图4所示电路中在220v电源输入处并联了一个电容，当ge断开后，电容放电使得ce继续导通，电机感应电动势与220v电源电势叠加，产生过流现象。5.1.2 解决办法经过分析，找出了相应的解决方法：a） 改接阻值为6k欧姆的电阻，g、e两端电压变为12v，igbt顺利导通。b） 电机串联上一个电感，进行起动限流。c） 把电容拆去。综上，修改原电路原理图便可得到调试后的最终电路图，如图6： 图5 最终电路图相应的实际电路接线图如下图5： 图6 实际电路接线图 5.2 数据记录5.3 结果分析6 收获体会6.1 收获在专业知识上说，本次课程设计让

15、我们更深入的熟悉电力电子的应用，特别是高速开关igbt的应用，了解了其工作特性，特点等。不过，与其说这是一个电力电子的课程设计，还不如说这是多交叉学科的课程设计，因为它糅合了单片机、光耦隔离器、电机等器件的知识。具体说，这次课程设计除了让我们更深入熟悉了igbt的应用，还让我们进一步学习电机调速原理、单片机控制技术、光耦隔离抗干扰技术等，能力上有所扩展。此外，设计过程当中，我们了解到理论和实践存在一定的差别，例如，原理图一个1k欧姆的电阻就可以让输出数字信号为1，igbt就能被驱动，而实际上因为光敏三极管存在压降，并不是理想开关元件，导致igbt的g端电压不足以驱动其导通。也例如，理论上电机不

16、串联电感也同样正确，但是实际中，因为起动的时候或发生过流现象，这给电机等器件的安全带来一定的风险，甚至更大可能的会导致电机烧毁。在这些理论和实际的矛盾之中，我们必须细心分析，理论联系实际，把实际情况纳入考量范围之内。因此，通过此次课程设计，我们学到了理论外的专业知识，发现问题、分析问题、解决问题的能力有所提高。6.2 体会思想上，此次课程设计让我们的理论思辨能力、动手能力、发现与和解决问题的能力、团队合作能力和工程实践素质等得到进一步提高，深入感受到工程严谨和注重理论联系实际的学风。同时懂得了一些在动手过程中要谨记的道理：整个设计中，我们会发现，这是一个多学科的设计，脱离了任何一部分的知识都不

17、能顺利完成设计实习。这告诉我们事物之间都有着一定的联系，我们不能把一样事物独立出来做单方面的考量，脱离了联系的事物是无意义的。在以后的学习之中我们也应该牢记这个道理，每学到一个知识，就应该尽可能的把它联系到其他的学科，只有可以联系到、应用到其他领域的知识，才会是价值无可考量的宝库。在课程设计过程中，我们遇到了几个问题，最后的结果都是要改原理图才能解决。这说明了我们应该理论联系实际，有时候理论上可以行得通的道理，应用在实际当中就要作相应的修改，同时，这样的修改又是基于一定的理论上的。因为我们所学的理论常常建立在理想的情况之下，而实际情况和理想情况往往存在差距。必须灵活运用所学知识分析问题，找出解决的方法。唯有如此，才能做到既有理论又有实际，才能真正掌握了知识运用了知识。同时，这也是一个团体的作业，要求我们小组所有成员积极参与，分工合作。根据各人的特点，扬长避短的合理配置人力资源，使整个团队合作无间，工作起来达到高效率、低出错率的效果。6.3 建议课程设计的开始和结束，让我们也有了一定的思量，也对自己的不足有了更体面的认知，特此做出一些建议：a) 更注意更注意理论联系实际，不要因为某一本书上的一个知识而钻牛角尖，把实际情况纳入考量。b)