直流脉宽调速系统.docx
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直流脉宽调速系统
1．直流脉宽调速系统驱动电源
1.1任务和意义
生产实习的主要任务是设计一个直流电动机的脉宽调速（直流PWM）驱动电源。
纵观运动控制的发展历史，交、直流两大电气传动并存于各个应用领域。
由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，20世纪30年代起就开始使用直流调速系统。
直流调速系统由最早的旋转变流机组控制，发展为用静止的晶闸管变流装置和模拟控制器实现调速，到现在由大功率开关器件组成的PWM电路实现数字化的调速，系统的快速性、可靠性、经济性不断提高，应用领域不断扩展。
尽管目前对交流系统的研究比较“热门”，但是其控制性能在某些方面还达不到直流PWM系统的水平。
直流PWM控制技术作为一门新型的控制技术，其发展潜力还是相当大的。
而且，直流PWM技术是电力电子领域广泛采用的各种PWM技术的典型应用和重要基础，掌握直流PWM技术对于学习和运用交流变频调速中SPWM技术有很大的帮助和借鉴作用。
1.2技术指标
被控直流永磁电动机参数：
额定电压20V，额定电流1A，额定转速2000rpm。
驱动系统的调速范围：
大于1：
100。
驱动系统应具有软启动功能，软启动时间约为2s.
1.3设计内容：
1）主电路的设计，器件的选型。
包括含整流变压器在内的整流电路设计和H桥可逆斩波电路的设计（要求采用IPM作为DC/DC变换的主电路，型号为PS21564）。
2）PWM控制电路的设计（指以SG3525为核心的脉宽调节电路）。
3）IPM接口电路设计（包括上下桥臂元件的开通延迟，及上桥臂驱动电源的自举电路）。
4）DC15V控制电源的设计（采用LM2575系列开关稳压集成电路，直接从主电路的直流母线电压经稳压获得）。
2.脉宽调制技术
脉宽调制技术简称PWM,PWM控制技术就是半导体开关元件的导通和关断时间比，即调节脉冲宽度或周期来控制输出电压的一种控制技术。
近年来，随着全控型器件的不断发展和PWM技术的日益完善，已广泛应用于变频调速和开关电源等领域。
PWM常用于电压型逆变器，它可消除或减小低次谐波，滤波器体积可减小，有利于小型化和降低成本。
直流电动机的PWM调速原理，为了获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑调速，这种调速系统就称为直流脉宽调速系统。
脉宽调制的基本原理，脉宽调制（PulseWidthModulation），是利用电力电子开关器件的导通与关断，将直流电压变成连续的直流脉冲序列，并通过控制脉冲的宽度或周期达到变压的目的。
所采用的电力电子器件都为全控型器件，如电力晶体管（GTR）、功率MOSFET、IGBT等。
通常PWM变换器是用定频调宽来达到调压的目的PWM变换器调压与晶闸管相控调压相比有许多优点，如需要的滤波装置很小甚至只利用电枢电感已经足够，不需要外加滤波装置；电动机的损耗和发热较小、动态响应快、开关频率高、控制线路简单等。
PWM的占空比决定输出到直流电机的平均电压.PWM不是调节电流的.PWM的意思是脉宽调节,也就是调节方波高电平和低电平的时间比,一个20%占空比波形,会有20%的高电平时间和80%的低电平时间，而一个60%占空比的波形则具有60%的高电平时间和40%的低电平时间,占空比越大,高电平时间越长,则输出的脉冲幅度越高,即电压越高.如果占空比为0%,那么高电平时间为0,则没有电压输出.如果占空比为100%,那么输出全部电压.所以通过调节占空比,可以实现调节输出电压的目的,而且输出电压可以无级连续调节.PWM信号是一个矩形的方波，他的脉冲宽度可以任意改变，改变其脉冲宽度控制控制回路输出电压高低或者做功时间的长短，实现无级调速。
2.1脉宽调速系统的控制电路
由全控型电力电子器件构成的PWM变换器是一种理想的直流功率变换装置，它省去了晶闸管变流器所需的换流电路，具有比晶闸管变流器更为优越的性能，PWM直流调速系统在中小容量的高精度的高精度控制系统中得到了广泛的应用。
PWM变换器是调速系统的主是电路，是对已有的PWM波形的电压信号的产生、分配则是PWM变换器控制电路的功能，控制电路主要包括脉冲宽度调制控制器UPW、调制波发生器GM、逻辑延时环节DLD和电力电子器件的驱动保护电路GD。
2.2脉冲宽度调制器
脉冲宽度调制器是控制电路中最关键的部分，是一个电压－脉冲变换装置，用于产生PWM变换器所需的脉冲信号——PWM波形电压信号。
脉冲宽度调制器的输出脉冲宽度与控制电压成正比，常用的脉冲宽度调制器有以下几种；
1.锯齿波作调制信号的脉冲宽度调制器——锯齿波脉宽调制器；
2.三角波作调制信号的三角波脉宽调制器；
3.多谐振荡器和单稳态角触发器组成的脉宽调制器；
4．成可调脉宽调制器和数字脉宽调制器。
下面介绍其中一种锯齿波脉冲宽度调制器：
锯齿波脉冲宽度调制器本身是一个由集成运算放大器和几个输入信号组成的电压比较器。
运算放大器工作在开环状态，稍微有一点输入信号就可使其输出电压达到饱和限幅值，当输入信号电压极性改变时，输出电压就在正、负限幅值之间变化，从而完成把连续电压变成脉冲电压的转换。
加在运算放大器输入端的信号有三个：
一个是由锯齿波发生器提供的锯齿波调制信号，其频率是主电路所需要的开关频率，通常视所采用的电力电子器件和系统性能而定。
另一个输入信号是控制器输出的直流控制电压，其极性和大小随时可变。
与在运算放大器的输入端相加，使放大器的输出端得到周期固定、脉冲宽度可变的调制输出电压。
为了在时的正负脉冲相等，以使PWM变换器的输出电压，在运算放大器的输入端还有第三个输入信号——负偏压。
2.3脉宽调制优点
PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。
让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。
噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。
对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。
从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。
在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。
总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。
3.直流脉宽调速实验原理
3.1SG3525A脉宽调制器控制电路简介
SG3525A宽调制器控制电路可以改进为各种类型的开关电源的控制性能和使用较少的外部零件。
在芯片上的5.1V基准电压调定在±1％，误差放大器有一个输入共模电压范围。
它包括基准电压，这样就不需要外接的分压电阻器了。
一个到振荡器的同步输入可以使多个单元成为从电路或一个单元和外部系统时钟同步。
在CT和放电脚之间用单个电阻器连接即可对死区时间进行大范围的编程。
在这些器件内部还有软起动电路，它只需要一个外部的定时电容器。
一只断路脚同时控制软起动电路和输出级。
只要用脉冲关断，通过PWM（脉宽调制）锁存器瞬时切断和具有较长关断命令的软起动再循环。
当VCC低于标称值时欠电压锁定禁止输出和改变软起动电容器。
输出级是推挽式的可以提供超过200mA的源和漏电流。
SG3525A系列的NOR（或非）逻辑在断开状态时输出为低。
·工作范围为8.0V到35V
·5.1V±1.0％调定的基准电压
·100Hz到400KHz振荡器频率
·分立的振荡器同步脚
3.2SG3525A内部结构和工作特性
（1）基准电压调整器
基准电压调整器是输出为5.1V，50mA，有短路电流保护的电压调整器。
它供电给所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。
若输入电压低于6V时，可把15、16脚短接，这时5V电压调整器不起作用。
（2）振荡器
3525A的振荡器，除CT、RT端外，增加了放电7、同步端3。
RT阻值决定了内部恒流值对CT充电，CT的放电则由5、7端之间外接的电阻值RD决定。
把充电和放电回路分开，有利于通过RD来调节死区的时间，因此是重大改进。
这时3525A的振荡频率可表为：
（3.1）
在3525A中增加了同步端3专为外同步用，为多个3525A的联用提供了方便。
同步脉冲的频率应比振荡频率fS要低一些。
（3）误差放大器
误差放大器是差动输入的放大器。
它的增益标称值为80dB，其大小由反馈或输出负载决定，输出负载可以是纯电阻，也可以是电阻性元件和电容的元件组合。
该放大器共模输入电压范围在1.8~3.4V，需要将基准电压分压送至误差放大器1脚（正电压输出）或2脚（负电阻输出）。
新3524的误差放大器、电流控制器和关闭控制三个信号共用一个反相输入端，3525A改为增加一个反相输入端，误差放大器与关闭电路各自送至比较器的反相端。
这样避免了彼此相互影响。
有利于误差放大器和补偿网络工作精度的提高。
（4）闭锁控制端10
利用外部电路控制10脚电位，当10脚有高电平时，可关闭误差放大器的输出，因此，可作为软起动和过电压保护等。
（5）有软起动电路
比较器的反相端即软起动控制端8，端8可外接软起动电容。
该电容由内部Vref的50μA恒流源充电。
达到2.5V所经的时间为
。
点空比由小到大（50％）变化。
（6）增加PWM锁存器使关闭作用更可靠
比较器（脉冲宽度调制）输出送到PWM锁存器。
锁存器由关闭电路置位，由振荡器输出时间脉冲复位。
这样，当关闭电路动作，即使过流信号立即消失，锁存器也可维持一个周期的关闭控制，直到下一周期时钟信号使倘存器复位为止。
另外，由于PWM锁存器对比较器来的置位信号锁存，将误差放大器上的噪音、振铃及系统所有的跳动和振荡信号消除了。
只有在下一个时钟周期才能重置位，有利于可靠性提高。
（7）增设欠压锁定电路
电路主要作用是当IC块输入电压小于8V时，集成块内部电路锁定，停止工作（其准源及必要电路除外），使之消耗电流降到很小（约2mA）。
（8）输出级
由两个中功率NPN管构成，每管有抗饱和电路和过流保护电路，每组可输出100mA。
组间是相互隔离的。
电路结构改为确保其输出电平或者是高电平或者是低电平的一个电平状态中。
为了能适应驱动快速的场效应功率管的需要，末级采用推拉式电路，使关断速度更快。
11端（或14端）的拉电流和灌电流，达100mA。
在状态转换中，由于存在开闭滞后，使流出和吸收间出现重迭导通。
在重迭处有一个电流尖脉冲，其持续时间约100ns。
使用时VC接一个0.1μf电容可以滤去尖峰。
另一个不足处是吸电流时，如负载电流达到50mA以上时，管饱和压降较高（约1V）。
3.3IC芯片的工作
直流电源VS从15号脚引入分两路：
一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的＋5.1V基准电压，＋5.1V再送到内部（或外部）电路的其它元件作为电源。
振荡器5号脚需外接电容Cr,6号脚需外接电阻Rr。
选用不同的Cr、Rr，即可调节振荡器的频率。
振荡器的输出分为两路：
一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及二个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相端。
比较器的反相端连向误差放大器。
误差放大器实际上是个差分放大器，它有两个输入端：
1号脚为反相输入端；2号脚为同相输入端，这两个输入端可根据应用需要连接。
例如，一端可连到开关电源输出电压V0的取样电路上（取样信号电压约2.5V），另一端连到16号脚的分压电路上（应取得2.5V的电压），误差放大器输出9号脚与地之间可接上电阻与电容，以进行频率补偿。
误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，从而在比较器的输出端出现一个随误差放大器输出电压的高低而改变宽度的方波脉冲，再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。
或非门另二输入端分别为触发器、振荡锯齿波。
最后，在晶体管A和B上分别出现脉冲宽度随V0变化而变化的脉冲波，但两者相位相差180°。
3.4脉宽调速系统的开环机械特性
在稳态情况下，脉宽调速系统中电动机所承受的电压仍为脉冲电压，因此尽管有高频电感的平波作用，电枢电流和转速还是脉动的。
所谓稳态，只是指电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，电枢电流实际上是周期性变化的，只能算作是“准稳态”。
脉宽调速系统在准稳态下的机械特性是其平均转速与平均转矩（电流）的关系。
不论是带制动电流通路的不可逆PWM电路，还是双极式和单极式的可逆PWM电路，其准稳态的电压、电流波形都是相似的。
由于电路中具有反向电流通路，在同一转向下电流可正可负，无论是重载还是轻载，电流波形都是连续的，这就使机械特性的关系式简单得多。
4.主电路设计说明
4.1简要概述
二极管整流桥把输入的交流电变为直流电。
四只功率器件构成H桥，根据脉冲占空比的不同，在直流电机上可得到＋或－的直流电压。
图4.1主电路原理图
图4.2用PROTELL绘制的主电路原理图
图4.3用PROTELL绘制的主电路原理图
4.2设计说明
1）整流部分采用4个二极管集成在一起的整流桥模块。
2）斩波部分H桥不采用分立元件，而是选用IPM（智能功率模块）PS21564来实现。
该模块的主电路为三相逆变桥，在本设计中只采用其中U、V两相即可。
（针对本设计的特点，即小功率直流PWM调速，在实际工程中，一般采用P.MOSFET构成H桥，本设计中为了让大家了解和掌握IPM的特点和使用方法，所以指定采用PS21564作为主电路）
3）在主电路设计中，应根据负载的要求，计算出整流部分的交流侧输入电压和电流，作为设计整流变压器、选择整流桥和滤波电容的依据。
该电路的整流输出电压较低，所以在计算变压器副边电压时应考虑在电流到达负载之前，整流桥和逆变桥中功率器件的通态压降。
4）在本实习过程中，因为主电路是已经设计好的，所以我们只需要了解明白主电路中的各部分电路及芯片的功能，然后设计控制电路，并将其与主电路相连接。
以下是我们PWM控制原理图和PWM工作波形图：
图4.3PWM控制原理图
图4.4PWM工作波形图
5.控制电路设计说明
5.1简要概述
SG3525的13脚输出占空比可调（通过改变2脚电压）的脉冲波形（占空比调节范围不小于0.1~0.9），同时频率可通过充放电时间的不同而改变。
经过RC移相后，输出两组互为倒相，死区时间为5μS左右的脉冲，经过光耦隔离后，分别驱动四只功率器件，其中V1、V4驱动信号相同，V2、V3驱动信号相同。
控制电路中的所有部分都需要进行设计、焊装和调试，因此控制电路是本生产实习中的核心内容。
5.2设计说明
1）在设计SG3525外围电路时，我们采用该集成芯片的DIP封装形式。
脉冲的频率定为5KHz（是根据IPM中IGBT的开关速度而确定的），设定频率的电阻可采用电位器，以便于调试。
由于SG3525输出的两路脉冲是互补形式，在本设计中其输出并联使用（即11，14管脚短接，从13管脚通过外部上拉电阻输出V1、V4驱动脉冲，利用后续门电路反相后再驱动V2、V3），以达到0～1.0的占空比调整范围。
图5.13525典型应用电路
2）为防止同一桥臂，上下两管在驱动信号翻转时出现瞬时直通现象，我们设计了两路驱动信号的开通延时电路。
即利用RC移相电路后，为每路驱动信号产生5μS左右的开通延时。
这部分电路中的门电路采用6反向器74LS04；移相环节中的R和C的取值，应根据5μS的延迟时间来计算，其中R可采用电位器，以便于调试。
注：
指定移相电路中C的取值为0.01μF。
3）IPM中集成了功率器件的驱动电路，因此在控制电路中不需要设计驱动电路；而且为了简化设计，隔离环节也取消。
IPM模块控制部分的接口信号中除了H桥中4个器件的驱动信号外，还应提供集成在IPM内部的4个器件的驱动电路的供电电源，为了简化设计，上桥臂两个器件，即V1和V3的驱动电源采用单电源的自举式供电，详细设计可参考IPM的设计手册。
这样整个模块的控制部分只采用1个15V电源供电即可，而不必采用3路独立的电源，简化了设计。
4）应设计一个DC15V的控制电源，为SG3525及IPM模块的驱动电路供电。
为了减小损耗，采用LM2575T－ADJ系列开关稳压集成电路，将主电路的直流母线电压作为输入，通过电位器的调节，经稳压后获得15V的直流电源。
图5.2控制电路示意图
总结
电力电子技术是以电力为对象的电力技术，它是一门利用各种电力电子器件，对电能进行电压，电流，频率和波形等方面的控制和变换的学科。
将基本技能训练，基本工艺知识和创新启蒙有机结合，培养我们的实践能力和创新精神。
作为信息时代的大学生，作为国家重点培育的高技能人才，仅会操作鼠标是不够的，基本的动手能力是一切工作和创造的基础和必要条件。
当看到我们的电路图的输出波形时，我们都很有成就感。
通过这次课的学习，使我们对电子工艺的理论有了初步的系统了解。
这些知识不仅在课堂上有效，对以后的电子工艺课的学习有很大的指导意义，在日常生活中更是有着现实意义；也对自己的动手能力是个很大的锻炼。
实践出真知，所有发明创造无一不是在实践中得到检验的。
在实习中，提高了自己解决问题的能力。
我觉得自己在以下几个方面与有收获：
1、对电子工艺的理论有了初步的系统了解。
这些知识不仅在课堂上有效，对以后的电子工艺课的学习有很大的指导意义，在日常生活中更是有着现实意义。
2、对自己的动手能力是个很中，我锻炼了自己动手技巧，提高了自己解决问题的能力。
虽然在实习中会遇到难题，但是从中我学到了很多，使自己的动手能力也有所提高，我想在以后的理论学习中我就能够明白自己的学习方向，增进专业知识的强化。
致谢
值此论文完成之际，谨向关心、帮助、支持和鼓励我的老师和同学致以最真诚的谢意和最衷心的祝福！
在本次课程设计过程中，老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模。
尤其是老师的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神，将永远激励着我。
在此，谨向课程设计指导老师致以衷心的感谢和崇高的敬意！
感谢全班同学的帮助，如果没有他们的帮助以及纠正错误，我们是不会在短短的一周时间内完成课程设计任务的。
在此，我还要感谢我们同组的成员，是我们大家一起努力，才会成功的完成课程设计任务。
他们是赵飞，陆婷，饶金花，蒋银银，我们相信只要大家一起努力，就会取得喜人的成绩，而没有一组团结的力量，是不可能完成此次课程设计任务的。
参考文献
[1]王军.自动控制原理,重庆大学出版社，2008。
[2]王兆安，黄俊.《电力电子技术（第四版）》，机械工业出版社，2000年。
[3]高学明.电力电子与交流技术,山东科学技术出版社，2005年。
[4]江思敏，姚鹏翼，胡荣.《Protel电路设计教程》，北京，清华大学出版社，2002年9月第一版。
[5]邓木生.《电子技能训练》，北京市，机械工业出版社，2009年8月第二版。
[6]柳春锋.《Protel99SE实用教程》，高等教育出版社，2007。
[7]李久胜.《电力电子技术课程设计指导书》，哈尔滨工业大学，2006年。
[8]SG3525使用说明书及参考资料（电子文档）。
[9]IPM模块PS21564使用说明书及参考资料（电子文档）。
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