直流电动机PWM控制系统设计

1、毕业论文毕业设计论文设计（论文）题目： 直流电动机PWM控制系统设计 下 达 日 期： 2014 年 07 月 02 日开 始 日 期： 2014 年 09 月 9 日完 成 日 期： 2014 年 月 日指 导 教 师： 高文华 学 生 专 业： 电气自动化 班 级： 自动化1207班 学 生 姓 名： ZHAO 教研室主任 ： 王永康 学 院： 电气工程 陕西工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书 一、 设计（论文）内容及要求：（一）设计（论文）内容本设计采用PWM控制技术，利用斩波原理改变脉冲宽度，改变直流电动机两端的直流平均电压的大小，来实现对直流电动机的速度控制。（二）要求1PWM控

2、制器（或单片机）为核心。2运用PWM控制器（单片机）为核心，构建控制系统电路。3. 利用PWM控制器（单片机）、大功率开关器件、隔离电路、驱动芯片等硬件，设计建立直流电动机PWM控制系统，力求实用、简单、经济。4. 保护电路二、 技术指标：1、采用速度、电流双闭环控制以提高系统控制精度；2、输出信号稳定，以此来驱动大功率开关器件；3、控制信号通过PWM控制器（单片机）对功率开关进行控制，使其满足按要求进行速度调节的要求。4、 电动机额定数据为：10kW、220V、55A、1000r/min，电枢电阻Ra为0.5，Ce=0.122V·min/r时间常数：Tl=0.02s,Tm=0.16

3、s。5、调速范围D=10。6、稳态指标：无静差。7、动态指标：电流超调量不大于5%；转速超调量不大于10%。三、 主要参考资料：1 电机控制专用集成电路 谭建成主编 机械工业出版社2 电气传动的脉宽调制控制技术 吴守箴主编 机械工业出版社3 电力电子技术 王兆安 黄俊主编 机械工业出版社4 电力拖动自动控制系统 陈伯时主编 机械工业出版社5 自动控制原理与系统 孔凡才主编 机械工业出版社6 单片机原理与应用 王津主编 重庆大学出版社陕西工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书 进 程 计 划 表序号起止日期计划完成内容实际完成情况检查签名12345612.9-12.1312.16-12.2012

4、.23-12.2712.30-1.31.6-1.101.11-1.18任务下达，查阅资料控制方案确定控制系统设计参数计算及绘制系统图编写论文资料并完善论文修改并答辩 直流电动机PWM控制系统设计摘 要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

5、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。文利用SG3524集成PWM控制器设计了一个基于PWM控制的直流调速系统，本系统采用了电流转速双闭环控制，并且设计了完善的保护措施，既保障了系统的可靠运行，又使系统具有较高的动、静态性能。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以稳定值。最近几年来，随着微电

6、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, 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。关键词：脉冲宽度调制,开关 ,直流调速系统 ,双闭环控制目录直流电动机PWM控制系统设计····················

7、·····················11第一章、设计分析···························&#

8、183;·······················11 1双闭环调速系统的结构图························

9、;·················11 2调速系统起动过程的电流和转速波形·····························

10、83;·113 H桥双极式逆变器的工作原理·····································114 PWM调速系统的静特性······&

11、#183;····································13第二章、电路设计···········

12、83;·······································16 1给定基准电源·········

13、;··········································14 2双闭环调节器电路设计·····

14、83;·····································15 （1）电流调节器··········

15、3;·····································15 （2）转速调节器···········

16、;·····································15 3 SG3524信号产生电路··········

17、··································16 4 IGBT基极驱动电路原理·············&

18、#183;····························18 5 基于EXB841驱动电路设计··················

19、·····················18 6 锯齿波信号发生电路··························

20、3;··················19 7转速及电流检测电路·····························

21、83;···············20 （1） 转速检测电路································&#

22、183;··············20 （2） 电流检测电路·································&

23、#183;·············20第三章、参数整定··································

24、83;················21 1 CT,RT，RD的选取·······························

25、;··················21 2 R2和 RP1 的选取·····························&

26、#183;··················21 3其它引脚器件的确定·····························

27、················21第四章、电路图总体设计································

28、;·············23第五章、结束语···································&#

29、183;·················24第六章、参考文献······························

30、3;···················25第一章、设计分析1双闭环调速系统的结构图 直流双闭环调速系统的结构图如图1所示，转速调节器与电流调节器串极联结，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去控制PWM装置。其中脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速，达到设计要求。图1

31、-1 双闭环调速系统的结构图2 调速系统起动过程的电流和转速波形如图1-2所示，这时，启动电流成方波形，而转速是线性增长的。这是在最大电流（转矩）受限的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。IdLntIdOIdmIdLntIdOIdmIdcrnn(a)(b)(a)带电流截止负反馈的单闭环调速系统起动过程 (b)理想快速起动过程图1-2 调速系统起动过程的电流和转速波形3 H桥双极式逆变器的工作原理脉宽调制器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定宽度可变的脉冲电压序列，从而平均输出电压的大小，以调节电机转速。H形双极式逆变器电路如图1-3所示。这时电动机M两端电压的

32、极性随开关器件驱动电压的极性变化而变化。图1-3 H形双极式逆变器电路双极式逆变器的四个驱动电压波形如图4所示。图1-4 H形双极式逆变器的驱动电压波形他们的关系是：。在一个开关周期内，当时，晶体管、饱和导通而、截止，这时。当时，、截止，但、不能立即导通，电枢电流经、续流，这时。在一个周期内正负相间，这是双极式PWM变换器的特征，其电压、电流波形如图2所示。电动机的正反转体现在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。当正脉冲较宽时，则的平均值为正，电动机正转，当正脉冲较窄时，则反转；如果正负脉冲相等，平均输出电压为零，则电动机停止。双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为 （1-1）如果定义占空比，电压

33、系数则在双极式可逆变换器中 （1-2）调速时，的可调范围为01相应的。当时，为正，电动机正转；当时，为负，电动机反转；当时，电动机停止。但电动机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值等于零，不产生平均转矩，徒然增大电动机的损耗这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电动机停止时仍然有高频微震电流，从而消除了正、反向时静摩擦死区。双极式控制的桥式可逆PWM变换器有以下优点：1）电流一定连续。2）可使电动机在四象限运行。3）电动机停止时有微震电流，能消除静摩擦死区。4）低速平稳性好，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。4

34、 PWM调速系统的静特性由于采用了脉宽调制，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单，电压平衡方程如下 （1-3） （1-4）按电压平衡方程求一个周期内的平均值，即可导出机械特性方程式，电枢两端在一个周期内的电压都是，平均电流用表示，平均转速，而电枢电感压降的平均值在稳态时应为零。于是其平均值方程可以写成 （1-5）则机械特性方程式 （1-6）第二章、电路设计H桥式可逆直流脉宽调速系统主电路的如图2-1所示。PWM逆变器的直流电源由交流电网经不控的二极管整流器产生，并采用大电容滤波，以获得恒定的直流电压。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电动机制动时只好对滤波电容充电，这时

35、电容器两端电压升高称作“泵升电压”。为了限制泵升电压，用镇流电阻Rz消耗掉这些能量，在泵升电压达到允许值时接通VTz。图2-1 H桥式直流脉宽调速系统主电路四单元IGBT模块型号：20MT120UF 主要参数如下：=1200V =16A =100 1给定基准电源此电路用于产生±15V电压作为转速给定电压以及基准电压，如图2-2所示：图2-2 给定基准电源电路2 双闭环调节器电路设计为了实现闭环控制，必须对被控量进行采样，然后与给定值比较，决定调节器的输出，反馈的关键是对被控量进行采样与测量。（1） 电流调节器由于电流检测中常常含有交流分量，为使其不影响调节器的输入，需加低通滤波。此滤

36、波环节传递函数可用一阶惯性环节表示，由初始条件知滤波时间常数，以滤平电流检测信号为准。为了平衡反馈信号的延迟，在给定通道上加入同样的给定滤波环节，使二者在时间上配合恰当。图2-3 含给定滤波与反馈滤波的PI型电流调节器（2） 转速调节器转速反馈电路如图2-4所示，由测速发电机得到的转速反馈电压含有换向纹波，因此也需要滤波，由初始条件知滤波时间常数。根据和电流环一样的原理，在转速给定通道上也加入相同时间常数的给定滤波环节。图2-4 含给定滤波与反馈滤波的PI型电转速调节器3 信号产生电路本设计采用集成脉宽调制器SG3524作为脉冲信号发生的核心元件。根据主电路中IGBT的开关频率，选择适当的、值

37、即可确定振荡频率。电路中的PWM信号由集成芯片SG3524产生，SG3524采用是定频PWM电路,DIP-16型封装。由SG3524构成的基本电路如图2-5所示，由15脚输入+15V电压，用于产生+5V基准电压。在6、7引脚之间接入外部阻容元件构成PI调节器，可提高稳态精度。12、13引脚通过电阻与+15V电压源相连，供内部晶体管工作，由电流调节器输出的控制电压作为2引脚输入，通过其电压大小调节12、13引脚的输出脉冲宽度，实现脉宽调制变换器的功能实现。图2-5 SG3524管脚图图2-6 SG3524引脚接线图图2-7 SG3524内部框图主要参数：输入电压Uimax：40V 输出电流：50

38、0mA 好散功率：1W4 IGBT基极驱动电路原理工作原理如图2-8所示图2-8 EXB841内部结构图EXB841 系列驱动器的各引脚功能如下：脚1 ：连接用于反向偏置电源的滤波电容器；脚2 ：电源（ 20V ）；脚3 ：驱动输出；脚4 ：用于连接外部电容器，以防止过流保护电路误动作（大多数场合不需要该电容器）；脚5 ：过流保护输出；脚6 ：集电极电压监视；脚7 、8 ：不接；脚9 ：电源；脚10 、11 ：不接；脚14 、15 ：驱动信号输入（-，）；5 基于EXB841驱动电路设计针对EXB841存在保护盲区的问题，可如图12所示将EXB841的6脚的超快速恢复二极管VDI换为导通压降大

39、一点的超快速恢复二极管或反向串联一个稳压二极管，也可采取对每个脉冲限制最小脉宽使其大于盲区时间，避免IGBT过窄脉宽下的低输出大功耗状态。针对EXB841软关断保护不可靠的问题，可以在EXB841的5脚和4脚间接一个可变电阻，4脚和地之间接一个电容，都是用来调节关断时间，保证软关断的可靠性。针对负偏压不足的问题，可以考虑提高负偏压。一般采用的负偏压是-5V，可以采用-8V的负偏压(当然负偏压的选择受到IGBT栅射极之间反向最大耐压的限制)，输人信号被接到15脚，EXB841正常工作驱动IGBT.图2-9 EXB841驱动IGBT设计图主要参数：电源电压：20V 最大输出功率：47mA 最高工作

40、频率：10kHz6 锯齿波信号发生电路锯齿波信号发生器SG的输出信号Us与控制信号在PWM转换器（SG3524）中进行比较，PWM输出幅度恒定、宽度变化的方波脉冲序列，即PWM波。SG电路可有UJT或者PUT构成。UJT锯齿波信号发生器基本电路如图2-10所示图2-10 锯齿波信号发生电路7转速及电流检测电路（1） 转速检测电路转速检测电路如图2-11所示。与电动机同轴安装一台测速发电机，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压，与给定电压相比较后，得到转速偏差电压输送给转速调节器。测速发电机的输出电压不仅表示转速的大小，还包含转速的方向，测速电路如图15所示，通过调节电位器即可改变转速反馈系数

41、。图2-11 转速检测电路（2） 电流检测电路通过霍尔传感器测量电流的电流检测电路原理如图2-12所示。图2-12  闭环霍尔电流传感器的工作原理霍尔电流传感器的结构如图13所示。用一环形导磁材料作成磁芯，套在被测电流流过的导线上，将导线中电流感生的磁场聚集起来，在磁芯上开一气隙，内置一个霍尔线性器件，器件通电后，便可由它的霍尔输出电压得到导线中流通的电流。闭环霍尔电流传感器主要有以下特点：1）可以同时测量任意波形电流，如：直流、交流、脉冲电流；2）副边测量电流与原边被测电流之间完全电气隔离，绝缘电压一般为2kV12kV；3）电流测量范围宽，可测量额定1mA50kA电流；4）跟踪速度di/dt>50A/s；5）线性度优于0.1IN；6）响应时间<1s；7）频率响应0100kHz。第三章、参数整定(1)CT,RT，RD的选取 SG1525集成控制器可输出01400kHz的脉冲频率 ，对应 CT= 00010.1 F，RT=2 150k取值 。一般对于 BJT和 GTo器件可取 f=1kHz以下，IGBT器件取 f= 10kHz左右 。f与CT,RT，RD的关系用下式确定f=l(t1+ t2 )=1(067R1CTR1+1.3RDCT ) 例如f= lkHz，T= 0001s，取 定t1= 002s，t2