直流电动机PWM控制系统设计毕业设计.docx
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直流电动机PWM控制系统设计毕业设计
毕业设计论文
设计（论文）题目：
基于PWM专用集成芯片控制的直流电动机系统
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
1．PWM控制器（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0.5Ω，Ce=0.122V·min/r时间常数：
Tl=0.02s,Tm=0.16s。
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
1
2
3
4
5
6
第一周
第二周
第三周
第四周
第五周
第六周
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
整理资料答辩
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。
脉冲宽度调制PWM（PulseWidthModulation）,就是指保持开关周期T不变，调节开关导通时间t对脉冲的宽度进行调制的技术。
PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术等领域最广泛应用的控制方式。
本文利用SG1731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，基极驱动，不可控整流
1系统内容简介
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。
利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量。
PWM具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。
模拟控制电路有以下缺陷:
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。
1.1PWM调速方案的优越性
自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式，形成了脉宽调制变换器—直流电机调速系统，PWM的H型属于调压调速，PWM的H桥能实现大功率调速；国内的超大功率调速还要依靠可控硅实现可控整流来实现直流电机的调压调速。
本设计采用直流极式控制的桥式PWM变换器。
与V-M系统相比在很多方面有较大的优越性：
1）主电路线路简单，需用的功率器件少。
2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电极损耗及发热都较小。
3）低速性能好，稳态精度高，调速范围宽，可达1:
20000左右。
4）若是与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强。
5）功率开关器件工作在开关状态，通道损耗小，当开关频率适中时，开关损耗也不大，因而装置效率高。
6）直流电机采用不控整流时，电网功率因素比相控整流器高。
由于由以上优点直流PWM系统应用日益广泛，特别在中、小容量的高动态性能中。
已完全取代了V--M系统。
为达到更好的机械特性要求，一般直流电动机都是在闭环控制下运行。
经常采用的闭环系统有转速负反馈和电流截至负反馈。
1.2直流电机PWM调速基本原理
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。
在此系统中有两个调节器，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。
核心部分是脉冲功率放大器和脉宽调制器。
控制部分采用SG1731（脉宽调制芯片SG1731具有欠压锁定、故障关闭和软起动等功能,因而在中小功率电源和电机调速等方面应用较广泛。
SG1731是电压型控制芯片,利用电压反馈的方法控制PWM信号的占空比,整个电路成为双极点系统的控制问题,简化了补偿网络的设计。
）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。
为了获得良好的动、静态品质，调节器采用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，能达到比较理想的检测效果。
2系统概述
2.1调速系统构成
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
2.2直流电动机的脉宽调制的工作原理
直流无刷电机由电动机、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成。
直流电源通过开关线路向电动机定子绕组供电，电动机转子位置由位置传感器检测并提供信号去触发开关线路中的功率开关元件使之导通或截止，从而控制电动机的转动。
在应用实例中，磁极旋转，电枢静止，电枢绕组里的电流换向借助于位置传感器和电子开关电路来实现。
电机的电枢绕组作成三相，转子由永磁材料制成，与转子轴相连的位置传感器采用霍尔传感器。
3600范围内，两两相差1200安装，共安装三个。
为了提高电机的特性，电机采用二相导通星形三相六状态的工作方式。
开关电路采用三相桥式接线方式。
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US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US向电动机电流继续流通。
图2PWM控制示意图
电压平均值Uas可用下式表示：
Uas=ton·Us/T=αUs（1-1）
式中，ton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ton和关断时间toff之和），α为占空比，α=ton/T。
由式（1-1）可见，改变开关接通时间ton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3所示。
图中，四只GTR分为两组，
和
为一组，
和
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
为正，各三极管基极电压波形如图4所示。
欲使电动机反转，则使控制电压
为负即可。
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3双极式H型PWM变换电路
图4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
波形（f）E>
时
波形
设矩形波的周期为T，正向脉冲宽度为
，并设λ=
/T为占空比。
则电枢电压U的平均值
=（2λ-1）
=（2
/T-1）
，并定义双极性双极式脉宽放大器的负载电压系数为
ρ=
/
=2
/T-1
即
=ρ
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。
a）.正向电动运行波形
b）.反向电动运行波形
3单元电路设计
3.1PWM驱动装置控制电路
如图5所示为PWM驱动装置控制电路框图。
该控制电路包括脉宽调制电路，基极驱动电路，变换电路，三相桥式不可控整流电路等脉宽调速系统所需的电路。
图5PWM驱动装置控制电路
3.2SG1731集成PWM控制器的脉宽调制
SG1731PWM集成电路的内部功能结构如图6所示。
该芯片内有三角波发生器、偏差信号放大器、比较器和桥式功放等电路。
此线路的原理是将一个直流电压信号与三角波电压叠成后，形成脉宽调制方波，在经桥式功放电路输出PWM电压。
它具有外触发保护、死区调节和正负100mA电流的输出能力；其振荡频率为100--350kHZ可调，适用于单极性PWM控制。
该集成电路需要2组电源：
一组正负Vs（接16和9脚），用于芯片的控制电路；另一组正负V0（接14脚和11脚），用于桥式功放驱动电路，此功放级电路可输出正负100mA的电流，功放输出为12脚和13脚。
由R-S触发器、比较器A4与A5、500uA的双向恒流源和外接电容CT组成三角波振荡器。
其振荡角频率由电容C（接6脚和地之间）和外供正、负参考电压2V正、2V负（2脚和7脚）决定：
式中：
VU=（2VUv+-2VVV-）。
1脚和8脚接正、负门槛电压，为比较器A4、A5提供正、负门槛电压，以与三角波进行比较。
A3为偏差信号放大器，其正，负相输入端（3脚和4脚）用于将给定信号与反馈信号进行比较，得到控制系统的误差信号，加、减电路对三角波电压和偏差信号放大器输出电压进行叠加，实现三角波电平的垂直平行移动，垂直平行后的三角波电平与正（或负）门槛电压电平+VT（或-VT）进行比较，这样芯片功放级输出的便是PWM电压。
若改变偏差放大器输入的误差信号，即可改变其脉宽，也即输出脉宽与误差信号成正比。
偏差放大器的正、负相输入端和输出端均引出芯片，4脚5脚间接反馈电抗，通过配置不同的输出回路阻抗和反馈回路阻抗，可以构成不同的放大器。
SG1731具有关断控制功能。
当管脚15端接入低电平（与TTL点评兼容----为方便微机控制）时，次低电平使输出级中的晶体管迅速截止，是系统停止工作。
这种功能可用对
（1）+Vs与-Vs的差值不能小于7.0V但也不得超过30V。
（2）+VO与-V0的差值不能小于5.0V，但也不能超过44V，电动机供电可共用此电源，也可另设电源。
（3）基片“地”（10脚）必须联到最低点位处。
（4）SG1731输出PWM波形图如图7所示
图7SG1731输出PWM波形图
3.3主开关驱动电路设计
系统采用的功率驱动电路取决于主开关管V的器件类别。
用不同类别的主开关其功率驱动电路也不同，本系统采用GTR功率晶体管的光电耦合驱动电路。
3.3.1采用光电耦合器进行隔离
光电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地拟制尖脉冲和各种杂讯干扰，使通道上的信号杂讯比大为提高，主要有以下几方面的原因：
（1）光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为105--106欧姆。
据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的杂讯电压会很小，只能形成很为弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极管发光，从而被抑制掉了。
（2）光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有公地，之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰杂讯都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。
（3）光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。
因为光耦合器件的输入回路和输出回路可以承受几千伏的高压。
（4）光电耦合器的回应速度极快，其回应延迟时间只有10us左右，适于对应速度要求很高的场合。
（注意事项：
（1）在光电耦合器的输入部分和输出部分必须分别采用独立电源，若两端公用一个电源则光电耦合器的隔离作用将失去意义。
（2）当用光电耦合器来隔离输入输出通道时，必须对所有的信号全部隔离，使得被隔离的两边没有任何电气上的联系，否则这种隔离是没有意义的。
）
3.3.2采用UAA4002进行基极驱动
驱动芯片UAA4002特点介绍
1）可为用户脉冲形成部分与被驱动的电力晶体管只间提供理想的匹配。
它是一个智能接口，其输入与TTL电平及COMOS电平均兼容，其输入信号与输出信号之间的延迟时间可人为调节。
2）能把接收到的、以逻辑信号输入的电力晶体管的导通信息转变为加到电力晶体管上的基极电流，来保证晶体管运行于临界饱和的最佳状态从而显著减少了晶体管关断过程中的存储时间。
UAA4002可为晶体管提供一个最大0.5A的正向基极驱动电流，且电路自身的设计保证了这一电流值可以通过增加一个或几个外部晶体管加以放大。
3）可为晶体管提供一个幅值为3A的反向基极电流，这一电流值足以使晶体管快速关断，保证了晶体管电极电流的下降时间极短，从而显著减少了关短损耗。
同样，反向基极电流也可以通过增加一个或几个外部晶体管加以放大。
4）应用封装于它内部的高速逻辑处理器来保护晶体管。
在晶体管导通过程中，该处理器监控晶体管的集射结饱和降压和晶体管的集电极电流，同时也监控本集成块工作的正负电源电压和芯片的工作温度。
该逻辑处理器的最大和最小时间可有用户设定。
此外，在电力晶体管导通过程中，若发生任一非正常情况，UAA4002能存储并保存任何故障信息直到结束导通为止，这样就免了任何可导致晶体管重新开通的可能。
5）UAA4002的有些功能室可删除的，用户可根据实际情况需要取舍
3.3.3UAA4002的工作原理简介及应用接线图
如图8所示在UAA4002的内部集成有自身工作电源电压UCC检测及U-检测的两个单元、一个输入接口逻辑、一个逻辑处理器、一个输出脉冲最大导通时间ton（max）和一个输出脉冲最小导通时间ton（min）设置单元、两个用来进行过电流或欠饱和饱和保护的比较器、一个正向输出脉冲放大与一个负向输出脉冲放大网络。
图8UAA4002的内部结构及工作原理简图
用于实现8A/400V开关电源原理接线图如图9所示
图9UAA4002应用接线图
3.4桥式PWM降压斩波电路
在图10所示中，晶体管V1、V4是同时导通同时关断的，V2、V3也是同时导通同时关断的，但V1、与V2、V3与V4都不允许同时导通，否则电源Ud直通短路。
设V1、V4先同时导通T1秒后同时关断，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3-2b所示
a）b）
图10桥式PWM降压斩波器原理图及输出电压波形图
3.5电容滤波三相桥式不可控整流电路
3.5.1基本原理
该电路中，当某一对二极管导通时，输出直流电压等于交流测电压中最大的一个，该线电压既向电容供电，也向负载供电。
当没有二极管导通时，有电容向负载放电，Ud按规律下降。
在wt=0时，二极管VD6和VD1开始同时导通，直流侧电压等于Uab；下一次同时导通的一对管子是VD1和VD2，直流侧电压等于Uac。
这两段导通过程之间的交替有两种情况，一种是在VD1和VD2同时导通之前VD6和VD1是关断的，交流侧向直流侧的充放电电流id是连续的。
介于二者之间的临界状态是，VD6和VD1同时导通的阶段与VD1和VD2同时导通恰好衔接起来。
3.5.2电路图
3.6转速、电流双闭环调节电路
3.6.1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11所示。
可知UO=-I1R1-
∫Uidt
I1=I0=Ui/R0
U0=-R1Ui/R0-R0C1/1∫Uidt
当突加输入信号Ui时，开始瞬间电容C1相当于短路，反馈回路中只有电阻R1，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C1被充电而开始积分，U0线性增长，直到稳态。
图11PI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12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AC-霍尔电流传感器
UPE---电力电子变换器Un*---转速给定电压
Un---转速反馈电压Ui*---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Ui*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=Ui*-Ui，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Ud.。
3.6.2转速反馈环节
如图13所示利用直流测速发电机测量电动机的转速n，并将其转速转化为相应的电压Uf，与给定电位器的输出电压Ug进行比较，得到的偏差信号△U经放大装置放大后控制电动机的工作电压Ud,而电压Uf即代表了系统所要求的转速。
如果工作机械的负载增大，使电动机转速下载，则则测速发电机输出电压Uf减小，与给定电压Ug比较的偏差电压（△U=Ug-Uf）增大，经放大后的触发控制电压Uk增大，从而使可用硅整流装置输出电压Ud增大，增大的Ud加在电动机电枢两端，则电动机的转速n将提高，从而使电动机转速补偿。
图13测速发电机调速系统原理框图
3.6.3电流反馈环节
电流反馈环节使用霍尔电流传感器ACS758芯片完成，ACS758电流传感器IC系列可为交流或直流电流感测提供经济实惠且精确的解决方案。
典型应用包括电动机控制、载荷检测和管理、电源和直流至直流转换器控制、逆变器控制和过电流故障检测。
该器件由一个精确、低偏移的线性霍尔传感器电路组成，且其铜制的电流路径靠近晶片。
通过该铜制电流
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