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PWM控制直流调速系统设计论文
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南昌工程学院
毕业设计（论文）
机电院电气自动化专业
毕业设计（论文）题目PWM控制直流调速系统设计
学生姓名
班级07电气自动化
（2）班
指导教师
完成日期2010年6月10日
PWM控制直流调速系统设计
DesignofDCPWMspeedRegulationsystemBasedonDoubleclosed-loopcontrol
总计毕业设计（论文）页
表格个
插图幅
摘要
以电力电子学和电机调速技术为基础，本设计了一种基于PWM控制技术的直流电机调速控制系统;为了得到好的动静态性能，该控制系统采用了双闭环控制。
霍尔电流传感器与测速电机共同实现速度控制的功能，同时完成了人机交互的任务。
对于调速系统中要用到的大功率半导体开关器件，本文选用的是IGBT。
论文中对IGBT应用时要注意的各个技术方面进行了详细的讨论，给出了专用IGBT驱动芯片SG3525的内部结构和应用电路。
论文对PWM控制的原理进行了说明，重点对集成PWM控制器SG3525做了介绍，分析了SG3525的内部结构和外部电路的接法，并给出了它在系统中的应用电路。
论文对系统中用到测速电机和霍尔电流传感器的原理和应用也进行了介绍。
最后分析了系统的静动态特性，结果表明双闭环控制对系统的性能有很大的改善，即双闭环控制系统有响应快，静态稳定性好的特点。
关键词:
IGBT；PWM控制；双闭环
Abstract
Tothepowerelectronicsandmotortechnologyasthefoundation,ThedesignofaPWMcontroltechnologybasedontheDCmotorspeedcontrolsystem;Inordertoobtainagooddynamicandstaticproperties,Thecontrolsystemusesadouble-loopcontrol.Hallcurrentsensorandgunstogethertoachievethemotorspeedcontrolfunction,whilethecompletionoftheHCImission.
SpeedControlSystemfortheuseofthepowersemiconductordevices,thepaperusestheIGBT.ThethesisofIGBTapplicationtotheattentionofthevarioustechnicalaspectsofdetaileddiscussions,giventheexclusiveIGBTdriverICSG3525theinternalstructureandapplicationcircuit.PWMcontrolofthepaper,theprincipleofthenote,withafocusonintegratedPWMcontrollerSG3525madeapresentationtheSG3525analysisoftheinternalstructureandexternalcircuitaccessmethod,andgivesitasystemofcircuit.PapersongunsystemsusedmotorandHallcurrentsensorapplicationoftheprincipleandalsointroduced.Finally,thepaperanalyzesthestaticanddynamiccharacteristicsoftheresultsshowsthattheclosed-loopcontrolontheperformanceofthesystemisgreatlyimproved.thatis,double-loopcontrolsystemisfastresponse,goodstaticstabilitycharacteristics.
Keywords:
IGBT;PWMcontrol;DoubleClosed-loop
目录
第1章引言1
1.1课题来源1
1.2直流电动机的调速方法介绍1
1.3选择PWM控制系统的理由3
1.5设计技术指标要求3
第2章PWM控制直流调速系统主电路设计5
2.1主电路结构设计 5
2.1.1电路组成及系统分析5
2.2电路总体介绍5
2.2.1主电路工作原理6
2.2.2降压斩波电路与电机的电动状态6
2.2.3升压斩波电路与电机的制动状态7
2.2.4半桥电路与电机的电动和制动运行状态7
2.2.5电机可逆运行的实现7
2.3PWM变换器介绍8
2.4.2缓冲电路参数14
2.4.3泵升电路参数14
第3章PWM控制直流调速系统控制电路设计16
3.1控制电路设计16
3.1.1SG3525的应用16
3.1.2SG3525芯片的主要特点16
3.1.3SG3525引脚各端子功能17
3.1.4SG3525的工作原理19
3.2LM1413的应用19
3.3脉冲变压器的应用19
3.4速度调节器（ST-1）20
3.5电枢电流调节器（LT-1）22
3.6速度变换单元（FBS）24
3.7电流检测24
3.8脉冲变压器25
3.9给定单元25
结束语26
致谢27
参考文献28
第1章引言
1.1课题来源
目前，直流调速技术的研究和应用已达到比较成熟的地步，尤其是随着全数字直流调速的出现，更提高了直流调速系统的精度及可靠性。
目前国内各大专院校，科研单位和厂家也都在开发直流调速装置，但大多数调速技术都是结合工业生产中，而在民用中应用相对较少，所以应用已有的成熟技术开发性能价格比高的，具有自主知识产权的直流调速单元，将有广阔的应用前景。
直流斩波电路原理实验和直流电机的PWM调速实验都是《电力电子技术》课程要求必须开设的实验。
本课题是应生产教仪的厂家的需要,研制开发出一套控制平滑、稳定、经济、实用、简便、可靠性高、操作方便的直流调速控制挂箱以供大中专院校实验教学之用,利用该挂箱设备可以进行的实验项目有:
①降压斩波电路实验②升压斩波电路实验③可逆直流PWM调速实验，实现了斩波实验电路与可逆PWM调速实验电路的兼容。
本系统采用转速环和电流环双闭环结构,因此需要实时检测电机的电枢电流并把它作为电流调节器的反馈信号。
1.2直流电动机的调速方法介绍
直流电动机的调速方法有三种：
（1）调节电枢供电电压U。
改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。
变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。
（2）改变电动机主磁通。
改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。
变化时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。
（3）改变电枢回路电阻R。
在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。
但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。
改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。
弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。
因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主速。
改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：
（1）旋转变流机组。
用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。
（2）静止可控整流器。
用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。
（3）直流斩波器或脉宽调制变换器。
用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。
由于旋转变流机组缺点太多，采用汞弧整流器和闸流管这样的静止变流装置来代替旋转变流机组，形成所谓的离子拖动系统。
离子拖动系统克服旋转变流机组的许多缺点，而且缩短了响应时间，但是由于汞弧整流器造价较高，体积仍然很大，维护麻烦，尤其是水银如果泄漏，将会污染环境，严重危害身体健康。
目前，采用晶闸管整流供电的直流电动机调速系统（即晶闸管－电动机调速系统，简称V-M系统，又称静止Ward-Leonard系统）已经成为直流调速系统的主要形式。
但是，晶闸管整流器也有它的缺点，主要表现在以下方面：
（1）晶闸管一般是单向导电元件，晶闸管整流器的电流是不允许反向的，这给电动机实现可逆运行造成困难。
必须实现四象限可逆运行时，只好采用开关切换或正、反两组全控型整流电路，构成V-M可逆调速系统，后者所用变流设备要增多一倍。
（2）晶闸管元件对于过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt十分敏感，其中任意指标超过允许值都可能在很短时间内元件损坏，因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还应保留足够的余量，以保证晶闸管装置的可靠运行。
（3）晶闸管的控制原理决定了只能滞后触发，因此，晶闸管可控制整流器对交流电源来说相当于一个感性负载，吸取滞后的无功电流，因此功率因素低，特别是在深调速状态，即系统在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使得系统的功率因素很低，并产生较大的高次谐波电流，引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备。
如果采用晶闸管整流装置的调速系统在电网中所占容量比重较大，将造成所谓的“电力公害”。
为此，应采取相应的无功补偿、滤波和高次谐波的抑制措施。
（4）晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，而且脉波数总是有限的。
如果主电路电感不是非常大，则输出电流总存在连续和断续两种情况，因而机械特性也有连续和断续两段，连续段特性比较硬，基本上还是直线；断续段特性则很软，而且呈现出显著的非线性。
由于以上种种原因，所以选择了脉宽调制变换器进行改变电枢电压的直流调速系统。
1.3选择PWM控制系统的理由
脉宽调制器UPW采用美国硅通用公司（SiliconGeneral）的第二代产品SG3525，这是一种性能优良，功能全、通用性强的单片集成PWM控制器。
由于它简单、可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试，故获得广泛使用。
PWM系统在很多方面具有较大的优越性：
1） PWM调速系统主电路线路简单，需用的功率器件少。
2）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）3） 低速性能好，稳速精度高，调速范围广，可达到1：
10000左右。
4）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）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，因而装置效率较高。
6）6） 直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流器高。
1.4采用转速电流双闭环的理由
同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。
在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。
因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。
由于闭环系统的这些优点因此选用闭环系统。
单闭环速度反馈调速系统，采用PI控制器时，可以保证系统稳态速度误差为零。
但是如果对系统的动态性能要求较高，如果要求快速起制动，突加负载动态速降小等，单闭环系统就难以满足要求。
这主要是因为在单闭环系统中不能完全按照要求来控制动态过程的电流或转矩。
另外，单闭环调速系统的动态抗干扰性较差，当电网电压波动时，必须待转速发生变化后，调节作用才能产生，因此动态误差较大。
在要求较高的调速系统中，一般有两个基本要求：
一是能够快速启动制动；二是能够快速克服负载、电网等干扰。
通过分析发现，如果要求快速起动，必须使直流电动机在起动过程中输出最大的恒定允许电磁转矩，即最大的恒定允许电枢电流，当电枢电流保持最大允许值时，电动机以恒加速度升速至给定转速，然后电枢电流立即降至负载电流值。
如果要求快速克服电网的干扰，必须对电枢电流进行调节。
以上两点都涉及电枢电流的控制，所以自然考虑到将电枢电流也作为被控量，组成转速、电流双闭环调速系统。
1.5设计技术指标要求
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：
1600rpm
2.调速范围：
1：
1200
3.起动时超调量：
电流超调量:
；转速超调量:
第2章PWM控制直流调速系统主电路设计
2.1主电路结构设计
2.1.1电路组成及系统分析
流脉宽调速电路原理图如图1所示,其中直流斩波电路可看成降压型变换器和升压
型变换器的串联组合,采用IGBT作为自关断器件,利用集成脉宽调制控制器SG3525产生的脉宽调制信号作为驱动信号,由两个IGBT及其反并联的续流二极管组成。
2.2电路总体介绍
三相127V交流电经桥式整流电路，滤波电路变成直流电压加在P、N两点间，直流斩波电路上端接P点，下端接N点，中点公共端（COM）（如图1所示）。
若使COM端与电机电枢绕组A端相接，B端接N，可使电机正转。
若T2截止，T1周期性地通断，在T1导通的T。
时间内，形成电流回路P—T1一A—B-N，此时UAB>0，AB>0；在T1截止时由于电感电流不能突变，电流AB经D2续流形成回路为A-B-D2-A，仍有UAB>0，IAB>0，电机工作在正转电动状态（第一象限），T1，D2构成一个Buck变换器。
若T1截止，T2周期性地通断，在T2导通的T。
时间内，形成电流回路A—T2一B_A；在T2截止时，由于电感电流不能突变，电流AB经D1续流形成回路为A—D1一P—N—A，此时UAB>（），lABd0，电机工作在正转制动状态（第二象限），T2，D1
构成一个Boost变换器。
只要改变T1，T2导通时间的大小，即改变给T1，T2所加门极驱动信号脉冲的宽度，即可改变UAB和IAB的大小调控直流电动机的转速和转矩。
若使COM端与电机电枢绕组A端相接，B端接N，可使电机工作在正转电动或制动状态（I，Ⅱ象限），若使COM端与B相接而A端接N，可使电机工作在反转电动或制动状态（II，IV象限）。
正转或反转状态电机电枢绕组的连接通过状态开关进行切换。
这样仅用两个开关器件就可实现电机的四象限运行。
电机的转速经测速发电机以及FBS（转速变换器）输出到ASR（转速调节器），作为ASR的输入并和给定电压比较，组成系统的外环，ASR的输出作为ACR（电流调节器）的输入并和主电路电流反馈信号进行比较作为系统的内环。
由于电流调节器的输出接到SG3525的第2脚，R2为限流电阻，所以要求电流调节器再通过一个反号器的输出电压的极性必须为正，转速调节器的输出作为电流调节器的给定则又要求其输出电压信号为正，最后转速调节器的给定选择了负极性的可调电压，如图1所示。
ASR和ACR均采用PI调节器，利用电流负反馈与速度调节器输出限幅环节的作用，使系统能够快速起制动，突加负载动态速降小，具有较好的加速特性。
2.2.1主电路工作原理
本设计电路中主电路部分由直流电源、两个IGBT管组成，可看成降压型变换器和升压型变换器的串联组合，下面结合H型桥式可逆直流PWM调速电路图来对降压、升压斩波电路进行介绍。
2.2.2降压斩波电路与电机的电动状态
图2-2中如果始终保持T4导通、T3关断（如图2-3所示），并使T2截止、T1周期性地通断，在T1导通的Ton时间内，vAB=vPN＞0,iAB＞0;在T1截止的Toff时间内，由于电感电流不能突变，iAB经D2续流，vAB=0，A、B两端电压的平均值VAB=TonVPN/（Ton+Toff）=αVPN,α为占空比。
可见在图3.2.2中当T2截止时由T1、D2构成了一个降压斩波电路，iAB＞0，vAB＞0，电机工作在正向电动状态。
2.2.3升压斩波电路与电机的制动状态
图2-3中若T1截止、T2周期性地通断，在T2导通的Ton时间内，vAB=0,iAB＜0;在T2截止的Toff时间内，由于电感电流不能突变，电流iAB经D1续流，vAB=vPN，A、B两端电压的平均值VAB=ToffVPN/（Ton+Toff）=（1－α）VPN,可见当T1截止时由T2、D1构成了一个升压斩波电路，vAB＞0,iAB＜0，电机工作在正向制动状态，将电能回送给直流电源。
2.2.4半桥电路与电机的电动和制动运行状态
由上述分析可知，在图2-3所示的半桥电路中，若T2截止、T1通断转换时由T1、D2构成了降压斩波电路，电机工作在正向电动状态；若T1截止、T2通断转换时由T2、D1构成了升压斩波电路，电机工作在正向制动状态。
在图2-2中如果始终让T2导通、T1断开则类似地，当T4截止时，由T3、D4构成了降压斩波电路，电机工作在反向电动状态；当T3截止时，由T4、D3构成了升压斩波电路，电机工作在反向制动状态。
2.2.5电机可逆运行的实现
由以上对可逆H桥电路的分析可知，电机的正反转是通过两个半桥电路即两套升/降压斩波电路交替工作来实现的，（正转时由T1、T2组成的半桥电路工作，反转时由T3、T4组成的半桥电路工作）。
因此设计出一种半桥型可逆PWM调速电路，即用一套升/降压斩波电路通过一个转换开关的切换既可用于电机的正转也可用于电机的反转，它与H桥电路相比节省了两个开关器件，而且大大简化了电路，状态开关的连接如图3.2.6所示，当A接COM,B接N时，电机正转（工作在Ⅰ、Ⅱ象限），当A接N，B接COM时，电机反转（工作在Ⅲ、Ⅳ象限）
2.3PWM变换器介绍
脉宽调速系统的主要电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。
PWM变换器有不可逆和可逆两类，可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等多种电路。
下面分别对各种形式的PWM变换器做一下简单的介绍和分析。
不可逆PWM变换器分为无制动作用和有制动作用两种。
图2-4（a）所示为无制动作用的简单不可逆PWM变换器主电路原理图，其开关器件采用全控型的电力电子器件。
电源电压一般由交流电网经不可控整流电路提供。
电容C的作用是滤波，二极管VD在电力晶体管VT关断时为电动机电枢回路提供释放电储能的续流回路。
图2-4简单的不可逆PWM变换器电路
（a）原理图（b）电压和电流波型
电力晶体管VT的基极由频率为f，其脉冲宽度可调的脉冲电压驱动。
在一个开关周期T内，当时，为正，VT饱和导通，电源电压通过VT加到电动机电枢两端；当时，为负，VT截止，电枢失去电源，经二极管VD续流。
电动机电枢两端的平均电压为
式中，——PWM电压的占空比，又称负载电压系数。
的变化范围在0～1之间，改变，即可以实现对电动机转速的调节。
图2-4（b）绘出了稳态时电动机电枢的脉冲端电压、平均电压和电枢电流的波型。
由图可见，电流是脉动的，其平均值等于负载电流（——负载转矩，——直流电动机在额定磁通下的转矩电流比）。
由于VT在一个周期内具有开关两种状态，电路电压平衡方程式也分为两阶段，即
在期间在期间
式中，R，L——电动机电枢回路的总电阻和总电感；E——电动机的反电动势。
PWM调速系统的开关频率都较高，至少是1～4kHz，因此电流的脉动幅值不会很大，再影响到转速n和反电动势E的波动就更小，在分析时可以忽略不计，视 n和E为恒值。
这种简单不可逆PWM电路中电动机的电枢电流不能反向，因此系统没有制动作用，只能做单向限运行，这种电路又称为“受限式”不可逆PWM电路。
这种PWM调速系统，空载或轻载下可能出现电流断续现象，系统的静、动态性能均差。
图2-5（a）所示为具有制动作用的不可逆PWM变换电路，该电路设置了两个电力晶体管VT1和VT2，形成两者交替开关的电路，提供了反向电流的通路。
这种电路组成的PWM调速系统可在第I、II两个象限中运行。
VT1和VT2的基极驱动信号电压大小相等，极性相反，即。
当电动机工作在电动状态时，在一个周期内平均电流就为正值，电流分为两段变化。
在期间，为正，VT1饱和导通；为负，VT2截止。
此时，电源电压加到电动机电枢两端，电流沿图中的回路１流通。
在期间，和改变极性，VT1截止，原方向的电流沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT2施加反压，使VT2不可能导通。
因此，电动机工作在电动状态时，一般情况下实际上是电力晶体管VT1和续流二极管VD2交替导通，而VT2则始终不导通，其电压、电流波型如图2-5（b）所示，与图2-1没有VT2的情况完全一样。
如果电动机在电动运行中要降低转速，可将控制电压减小，使的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使电动机电枢两端的平均电压降低。
但是由于惯性，电动机的转速n和反电动势E来不及立刻变化，因而出现的情况。
这时电力晶体管VT2能在电动机制动中起作用。
在期间，VT2在正的和反电动势E的作用下饱和导通，由E－产生的反向电流沿回路3通过VT2流通，产生能耗制动，一部分能量消耗在回路电阻上，一部分转化为磁场能存储在回路电感中，直到t=T为止。
在（也就是）期间，因变负，VT2截止，只能沿回路4经二极管VD1续流，对电源回馈制动，同时在VD1上产生的压降使VT1承受反压而不能导通。
在整个制动状态中，VT2和VD1轮流导通，VT1始终截止，此时电动机处于发电状态，电压和电流波型图2-5（c）。
反向电流的制动作用使电动机转速下降，直到新的稳态。
图2-5具有制动作用的不可逆PWM变换电路
这种电路构成的调速系统还存在一种特殊情况，即在电动机的轻载电动状态中，负载电流很小，在VT1关断后（即期间）沿回路2径VD2的续流电流很快衰减到零，如在图2-5（d）中的期间的时刻。
这时VD2两端的压降也降为零，而此时由于为正，使VT2得以导通，反电动势E经VT2沿回路3流过反向电流，产生局部时间的能耗制动作用。
到了期间，VT2关断，又沿回路4经VD1续流，到时衰减到零，VT1在作用下因不存在而反压而导通，电枢电流再次改变方向为沿回路１经VT1流通。
在一个开关周期内，VT1、VD1、VT2、VD1四个电力电子开关器件轮流导通，其电流波形示图2-5（d）。
综上所述，具有制动作用的不可逆PWM变换器构成的调速系统，电动机电枢回路中的电流始终是连续的；而且，由于电流可以反向，系统可以实现二象限运行，有较好的静、动态性能。
由具有制动作用的不可逆PWM变换器构成的
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