畢業(yè)設計精品]PWM控制直流調速系統(tǒng)畢業(yè)設計.doc

IPWM控制直流調速系統(tǒng)設計摘要在電氣時代的今天，電動機在工農業(yè)生產、人們日常生活中起著十分重要的作用。直流電機是最常見的一種電機，在各領域中得到廣泛應用。研究直流電機的控制和測量方法，對提高控制精度和響應速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。電機調速問題一直是自動化領域比較重要的問題之一。不同領域對于電機的調速性能有著不同的要求，因此，不同的調速方法有著不同的應用場合。本文基于PWM的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)進行了研究，并設計出應用于直流電動機的雙閉環(huán)直流調速系統(tǒng)。首先描述了變頻器的發(fā)展歷程，提出了PWM調速方法的優(yōu)勢，指出了未來PWM調速方法的發(fā)展前景，點出了研究PWM調速方法的意義。應用于直流電機的調速方式很多，其中以PWM變頻調速方式應用最為廣泛，而PWM變頻器中，H型PWM變頻器性能尤為突出，作為本次設計的基礎理論，本文將對PWM的理論進行詳細論述。在此基礎上，本文將做出SG3525單片機控制的H型PWM變頻調速系統(tǒng)的整體設計，然后對各個部分分別進行論證，力圖在每個組成單元上都達到最好的系統(tǒng)性能。關鍵詞：直流調速；雙閉環(huán)；PWM；SG3525；直流電機IIDC-drivespeedsystemwithPWMABSTRACTInelectricaltimestoday,theelectricmotorintheindustryandagricultureproduction,thepeopledailylifeisplayingtheveryvitalrole.Thedirectcurrentmachineisthemostcommononekindofelectricalmachinery,obtainsthewidespreadapplicationinvariousdomains.Theresearchdirectcurrentmachinescontrolandthemeasuringtechnique,toincreasethecontrolprecisionandthespeedofresponse,thefrugalenergyandsoonhavetheimportantmeaning.Aproblemaboutspeed-modulationofDCmotorisveryimportantinthefieldautomatic.Therequeststotheeffectafterthespeed-modulationoftheDCmotoraredifferentindifferentfields.Then,differentspeed-modulationwaysareusingindifferentfields.ThispaperresearchesDC-drivespeedsystemwithadual-converteranddual-closed-loopbasedPWM,discussinganewcontrolmethodthatcombinesPWMwithDC-drive,designsappliesindirectcurrentmotorsdoubleclosedloopcurrentvelocitymodulationsystem.DCmotorisusedverygenerallybecauseitsspeed-modulationeffectisverygoodanditsspeed-modulationiseasilytoberealized.PWMtheoryisusedmostgenerallyamongthespeed-modulationways.ThetextwillintroducetheH-PWMwaymostly.WewilltrytodomodulationtotheDCmotorwithSG3525.Theimportanceofthetextisthepartswhicharecomposedthesystem.Anotherimportanceistheprinciplesofworkingabouteveryparts.Keyword:DCspeedregulation；Double-loop；PWM；SG3525；DCmoter；目錄摘要Abstract前言1第1章直流調速系統(tǒng)的方案設計21.1設計技術指標要求21.2現(xiàn)行方案的討論與比較21.3選擇PWM控制調速系統(tǒng)的理由41.4選擇IGBT的H橋型主電路的理由41.5采用轉速、電流雙閉環(huán)的理由5第2章PWM控制直流調速系統(tǒng)主電路設計62.1主電路結構設計62.1.1PWM變換器介紹62.1.2泵升電路132.2參數(shù)設計132.2.1IGBT的參數(shù)132.2.2緩沖電路參數(shù)142.2.3泵升電路參數(shù)14第3章PWM控制直流調速系統(tǒng)控制電路設計153.1PWM信號發(fā)生器153.1.1SG3525芯片的主要特點153.1.2SG3525引腳各端子功能163.1.3SG3525的工作原理183.2轉速、電流雙閉環(huán)設計183.2.1轉速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的組成183.2.2轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性193.2.3電流調節(jié)器設計223.2.4速度調節(jié)器設計24第4章系統(tǒng)實驗驗證264.1系統(tǒng)結框圖264.2系統(tǒng)工作原理264.3系統(tǒng)單元調試274.3.1基本調試274.3.2脈寬發(fā)生單元的整定274.3.3轉速反饋調節(jié)器、電流反饋調節(jié)器的整定284.4實驗結果284.4.1開環(huán)機械特性測試284.4.2閉環(huán)機械特性測試29結束語30參考文獻31致謝32-1-PWM控制直流調速系統(tǒng)設計前言在現(xiàn)代科學技術革命過程中，電氣自動化在20世紀的后四十年曾進行了兩次重大的技術更新。一次是元器件的更新，即以大功率半導體器件晶閘管取代傳統(tǒng)的變流機組，以線形組件運算放大器取代電磁放大器件。后一次技術更新主要是把現(xiàn)代控制理論和計算機技術用于電氣工程，控制器由模擬式進入了數(shù)字式。在前一次技術更新中，電氣系統(tǒng)的動態(tài)設計仍采用經典控制理論的方法。而后一次技術更新是設計思想和理論概念上的一個飛躍和質變，電氣系統(tǒng)的結構和性能亦隨之改觀。在整個電氣自動化系統(tǒng)中，電力拖動及調速系統(tǒng)是其中的核心部分。現(xiàn)代的電力拖動控制系統(tǒng)都是由慣性很小的晶閘管、電力晶體管或其他電力電子器件以及集成電路調節(jié)器等組成的。經過合理的簡化處理，整個系統(tǒng)一般都可以用低階近似。而以運算放大器為核心的有源校正網絡（調節(jié)器），和由R、C等元件構成的無源校正網絡相比,又可以實現(xiàn)更為精確的比例、微分、積分控制規(guī)律,于是就有可能將各種各樣的控制系統(tǒng)簡化和近似成少數(shù)典型的低階系統(tǒng)結構。如果事先對這些典型系統(tǒng)作比較深入的研究,把它們的開環(huán)對數(shù)頻率特性當作預期的特性,弄清楚它們的參數(shù)和系統(tǒng)性能指標的關系,寫成簡單的公式或制成簡明的圖表,則在設計實際系統(tǒng)時,只要能把它校正或簡化成典型系統(tǒng)的形式,就可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來進行參數(shù)計算,這樣,就建立了工程設計方法的可能性。目前，隨著大功率電力電子器件的迅速發(fā)展，交流變頻調速技術已日臻成熟并日漸成為實際應用的主流，但這并不意味著傳統(tǒng)的直流調速技術已經完全退出了實際應用的舞臺。相反，近幾年交流變頻調速在控制精度的提高上遇到了瓶頸，于是直流調速的優(yōu)勢就顯現(xiàn)了出來。直流調速仍然是目前最可靠，精度最高的調速方法。譬如在對控制精度有較高要求的造紙，轉臺，輪機定位等系統(tǒng)中仍離不開直流調速裝置，因此加強對直流調速系統(tǒng)的研究還是很有必要的。鑒于直流調速系統(tǒng)在國民經濟和工農業(yè)生產以及國防事業(yè)中的重要作用，有必要對直流調速系統(tǒng)作進一步的研究和開發(fā)。-2-第1章直流調速系統(tǒng)的方案設計1.1設計技術指標要求1.直流電動機：型號：DJ15功率：485W電樞電壓：220V電樞電流：1.2A額定轉數(shù)：1600rpm2.調速范圍：1：12003.起動時超調量：電流超調量:%5i；轉速超調量:%5n1.2現(xiàn)行方案的討論與比較直流電動機的調速方法有三種：（1）調節(jié)電樞供電電壓U。改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動機額定轉速向下變速，屬恒轉矩調速方法。對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統(tǒng)來說，這種方法最好。aI變化遇到的時間常數(shù)較小，能快速響應，但是需要大容量可調直流電源。（2）改變電動機主磁通。改變磁通可以實現(xiàn)無級平滑調速，但只能減弱磁通進行調速（簡稱弱磁調速），從電機額定轉速向上調速，屬恒功率調速方法。fI變化時間遇到的時間常數(shù)同aI變化遇到的相比要大得多，響應速度較慢，但所需電源容量小。（3）改變電樞回路電阻R。在電動機電樞回路外串電阻進行調速的方法，設備簡單，操作方便。但是只能進行有級調速，調速平滑性差，機械特性較軟；空載時幾乎沒什么調速作用；還會在調速電阻上消耗大量電能。改變電阻調速缺點很多，目前很少采用，僅在有些起重機、卷揚機及電車等調速性能要求不高或低速運轉時間不長的傳動系統(tǒng)中采用。弱磁調速范圍不大，往往是和調壓調速配合使用，在額定轉速以上作小范圍的升速。對于要求在一定范圍內無級平滑-3-調速的系統(tǒng)來說，以調節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。因此，自動控制的直流調速系統(tǒng)往往以調壓調速為主速。改變電樞電壓調速是直流調速系統(tǒng)采用的主要方法，調節(jié)電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下三種：（1）旋轉變流機組。用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調的直流電壓。（2）靜止可控整流器。用靜止的可控整流器，如汞弧整流器和晶閘管整流裝置，產生可調的直流電壓。（3）直流斬波器或脈寬調制變換器。用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調制的方法產生可調的直流平均電壓。由于旋轉變流機組缺點太多，采用汞弧整流器和閘流管這樣的靜止變流裝置來代替旋轉變流機組，形成所謂的離子拖動系統(tǒng)。離子拖動系統(tǒng)克服旋轉變流機組的許多缺點，而且縮短了響應時間，但是由于汞弧整流器造價較高，體積仍然很大，維護麻煩，尤其是水銀如果泄漏，將會污染環(huán)境，嚴重危害身體健康。目前，采用晶閘管整流供電的直流電動機調速系統(tǒng)（即晶閘管電動機調速系統(tǒng)，簡稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止Ward-Leonard系統(tǒng)）已經成為直流調速系統(tǒng)的主要形式。但是，晶閘管整流器也有它的缺點，主要表現(xiàn)在以下方面：（1）晶閘管一般是單向導電元件，晶閘管整流器的電流是不允許反向的，這給電動機實現(xiàn)可逆運行造成困難。必須實現(xiàn)四象限可逆運行時，只好采用開關切換或正、反兩組全控型整流電路，構成V-M可逆調速系統(tǒng)，后者所用變流設備要增多一倍。（2）晶閘管元件對于過電壓、過電流以及過高的du/dt和di/dt十分敏感，其中任意指標超過允許值都可能在很短時間內元件損壞，因此必須有可靠的保護裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時還應保留足夠的余量，以保證晶閘管裝置的可靠運行。（3）晶閘管的控制原理決定了只能滯后觸發(fā)，因此，晶閘管可控制整流器對交流電源來說相當于一個感性負載，吸取滯后的無功電流，因此功率因素低，特別是在深調速狀態(tài)，即系統(tǒng)在較低速運行時，晶閘管的導通角很小，使得系統(tǒng)的功率因素很低，并產生較大的高次諧波電流，引起電網電壓波形畸變，殃及附近的用電設備。如果采用晶閘管整流裝置的調速系統(tǒng)在電網中所占容量比重較大，將造成所謂的“電力公害”。為此，應采取相應的無功補償、濾波和高次諧波的抑制措施。（4）晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動的，而且脈波數(shù)總是有限的。如果主-4-電路電感不是非常大，則輸出電流總存在連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，因而機械特性也有連續(xù)和斷續(xù)兩段，連續(xù)段特性比較硬，基本上還是直線；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈現(xiàn)出顯著的非線性。由于以上種種原因，所以選擇了脈寬調制變換器進行改變電樞電壓的直流調速系統(tǒng)。1.3選擇PWM控制系統(tǒng)的理由脈寬調制器UPW采用美國硅通用公司（SiliconGeneral）的第二代產品SG3525，這是一種性能優(yōu)良，功能全、通用性強的單片集成PWM控制器。由于它簡單、可靠及使用方便靈活，大大簡化了脈寬調制器的設計及調試，故獲得廣泛使用。PWM系統(tǒng)在很多方面具有較大的優(yōu)越性：1）PWM調速系統(tǒng)主電路線路簡單，需用的功率器件少。2）開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較小。3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調速范圍廣，可達到1：10000左右。4）如果可以與快速響應的電動機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗擾能力強。5）功率開關器件工作在開關狀態(tài)，導通損耗小，當開關頻率適當時，開關損耗也不大，因而裝置效率較高。6）直流電源采用不可控整流時，電網功率因數(shù)比相控整流器高。變頻調速很快為廣大電動機用戶所接受，成為了一種最受歡迎的調速方法，在一些中小容量的動態(tài)高性能系統(tǒng)中更是已經完全取代了其他調速方式。由此可見，變頻調速是非常值得自動化工作者去研究的。在變頻調速方式中，PWM調速方式尤為大家所重視，這是我們選取它作為研究對象的重要原因。1.4選擇IGBT的H橋型主電路的理由IGBT的優(yōu)點：1）IGBT的開關速度高，開關損耗小。2）在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。3）IGBT的通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。4）IGBT的輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類似。5）與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時可-5-保持開關頻率高的特點。在眾多PWM變換器實現(xiàn)方法中，又以H型PWM變換器更為多見。這