畢業(yè)設(shè)計（論文）直流電動機PWM控制系統(tǒng)設(shè)計

1、畢業(yè)設(shè)計論文畢業(yè)設(shè)計論文設(shè)計（論文）題目：設(shè)計（論文）題目： 直流電動機直流電動機 pwm 控制系統(tǒng)設(shè)計控制系統(tǒng)設(shè)計 下下 達達 日日 期：期： 2011 年年 12 月月 5 日日開開 始始 日日 期期： 2011 年年 12 月月 5 日日完完 成成 日日 期期： 2012 年年 1 月月 5 日日指指 導導 教教 師師： 學學 生生 專專 業(yè)業(yè)： 電電氣氣自自動動化化 班班 級級： 自動化自動化 0902 班班 學學 生生 姓姓 名名： 教教研研室室主主任任： 電電氣氣工工程程 系系畢業(yè)論文畢業(yè)論文陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 一、

2、設(shè)計（論文）內(nèi)容及要求：（一）設(shè)計（論文）內(nèi)容本設(shè)計采用 pwm 控制技術(shù)，利用斬波原理改變脈沖寬度，改變直流電動機兩端的直流平均電壓的大小，來實現(xiàn)對直流電動機的速度控制。（二）要求1pwm 控制器（或單片機）為核心。2運用 pwm 控制器（單片機）為核心，構(gòu)建控制系統(tǒng)電路。3. 利用 pwm 控制器（單片機）、大功率開關(guān)器件、隔離電路、驅(qū)動芯片等硬件，設(shè)計建立直流電動機 pwm 控制系統(tǒng)，力求實用、簡單、經(jīng)濟。4. 保護電路二、技術(shù)指標：1、采用速度、電流雙閉環(huán)控制以提高系統(tǒng)控制精度；2、輸出信號穩(wěn)定，以此來驅(qū)動大功率開關(guān)器件；3、控制信號通過 pwm 控制器（單片機）對功率開關(guān)進行控制，使

3、其滿足按要求進行速度調(diào)節(jié)的要求。4、 電動機額定數(shù)據(jù)為：10kw、220v、55a、1000r/min，電樞電阻 ra 為0.5，ce=0.122vmin/r 時間常數(shù)：tl=0.02s,tm=0.16s。5、調(diào)速范圍 d=10。6、穩(wěn)態(tài)指標：無靜差。7、動態(tài)指標：電流超調(diào)量不大于 5%；轉(zhuǎn)速超調(diào)量不大于 10%。三、主要參考資料：1 電機控制專用集成電路 譚建成主編 機械工業(yè)出版社2 電氣傳動的脈寬調(diào)制控制技術(shù) 吳守箴主編 機械工業(yè)出版社3 電力電子技術(shù) 王兆安 黃俊主編 機械工業(yè)出版社4 電力拖動自動控制系統(tǒng) 陳伯時主編 機械工業(yè)出版社5 自動控制原理與系統(tǒng) 孔凡才主編 機械工業(yè)出版社6

4、單片機原理與應(yīng)用 王津主編 重慶大學出版社陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 進進 程程 計計 劃劃 表表序號起止日期計劃完成內(nèi)容實際完成情況檢查簽名1 12 23 34 45 512.5-12.912.5-12.912.12-12.1612.12-12.1612.19-12.2312.19-12.2312.25-12.2912.25-12.291.1-1.51.1-1.5任務(wù)下達，查閱資料任務(wù)下達，查閱資料控制方案確定控制方案確定控制系統(tǒng)設(shè)計控制系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)計算及繪制系統(tǒng)圖參數(shù)計算及繪制系統(tǒng)圖編寫論文資料并完善編寫論文資料并完善 直流電動機

5、pwm 控制系統(tǒng)設(shè)計 摘 要直流電機由于具有速度控制容易，啟、制動性能良好，且在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點而在冶金、機械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。直流電動機轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類，即勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時受到磁飽和的限制，高速時受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強度的限制;而且由于勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。調(diào)節(jié)電阻 r 即可改變端電壓，達到調(diào)速目的。但這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速方法效率低。隨著電力電子技術(shù)的進步，發(fā)展了許多新的電樞電壓控制方法，其中pwm(脈寬調(diào)制)是常用的一種調(diào)速方法。其基

6、本原理是用改變電機電樞(定子)電壓的接通和斷開的時間比(占空比)來控制馬達的速度，在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當電機通電時，其速度增加；電機斷電時，其速度減低。脈沖寬度調(diào)制pwm(pulse width modulation),就是指保持開關(guān)周期 t 不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導通時間 t 對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)。pwm 控制技術(shù)以其控制簡單,靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)等領(lǐng)域最廣泛應(yīng)用的控制方式。本文利用 sg1525 集成 pwm 控制器設(shè)計了一個基于 pwm 控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用了電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制，并且設(shè)計了完善的保護措施，既保障了系統(tǒng)的可靠運行，又使系統(tǒng)具有較高的動、靜態(tài)性能。只

7、要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間，即可使電機的速度達到并保持以穩(wěn)定值。最近幾年來，隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展及單片機的廣泛應(yīng)用，使調(diào)速裝置向集成化、小型化和智能化方向發(fā)展。本電機調(diào)速系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制方式，與晶閘管調(diào)速相比技術(shù)先進可減少對電源的污染。為使整個系統(tǒng)能正常安全地運行, 過流、過載、過壓、欠壓保護電路, 另外還有過壓吸收電路。確保了系統(tǒng)可靠運行。關(guān)鍵詞：脈沖寬度調(diào)制,開關(guān) ,直流調(diào)速系統(tǒng) ,雙閉環(huán)控制abstract the pulse width modulation pulse width modulation (pwm), is refers to remain unch

8、anged, the adjustment period t switch conduction time to switch on the pulse width of the t modulation technique. pwm control technology with its simple, flexible and dynamic response and become the advantages of power electronic technology is the most widely used in fields such as control. using pw

9、m controller design sg1525 integration based on pwm control dc speed control system, the system adopts the current speed double closed loop control, and design the perfect protection measures, which guarantee the system run reliably, and enables the system with high static and dynamic performance.ke

10、y words: pulse width modulation ,switch , speed control system , double closed loop control 目目 錄錄1 1系統(tǒng)內(nèi)容簡介系統(tǒng)內(nèi)容簡介 .71.1 pwm 調(diào)速方案的優(yōu)越性 .81.2、直流電機 pwm 調(diào)速基本原理.82.2.系統(tǒng)概述系統(tǒng)概述 .92.1 系統(tǒng)構(gòu)成 .92.2 直流電動機的脈寬調(diào)制的工作原理 .1123 主回路 .123 3單元電路設(shè)計單元電路設(shè)計 .1431 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)電路 .14311 電路原理.143.2 pwm 驅(qū)動裝置控制電路 .16321 恒頻波形發(fā)生器.173.2

11、.2 脈寬調(diào)制器.173.2.3 系統(tǒng)的故障關(guān)閉功能.193.2.4 系統(tǒng)波形與控制方式分析.193.2.5 脈沖分配電路.213.2.6 基極驅(qū)動電路.2133、相關(guān)數(shù)據(jù)分析.22總結(jié)總結(jié) .24參參 考考 文文 獻獻 .25教師評語與成績教師評語與成績 .261系統(tǒng)內(nèi)容簡介直流電機由于具有速度控制容易，啟、制動性能良好，且在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點而在冶金、機械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。直流電動機轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類，即勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時受到磁飽和的限制，高速時受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強度的限制;而且由于勵磁線圈電感較大，

12、動態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。調(diào)節(jié)電阻 r 即可改變端電壓，達到調(diào)速目的。但這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速方法效率低。隨著電力電子技術(shù)的進步，發(fā)展了許多新的電樞電壓控制方法，其中 pwm(脈寬調(diào)制)是常用的一種調(diào)速方法。其基本原理是用改變電機電樞(定子)電壓的接通和斷開的時間比(占空比)來控制馬達的速度，在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當電機通電時，其速度增加；電機斷電時，其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間，即可使電機的速度達到并保持一穩(wěn)定值。利用數(shù)字輸出對模擬電路進行控制的一種有效技術(shù)，尤其是在對電機的轉(zhuǎn)速控制方面，可大大節(jié)省能量。pwm 具有很強的抗噪性，且有節(jié)

13、約空間、比較經(jīng)濟等特點。模擬控制電路有以下缺陷:模擬電路容易隨時間漂移，會產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以及對噪聲敏感等。而在用了 pwm技術(shù)后，避免了以上的缺陷，實現(xiàn)了用數(shù)字方式來控制模擬信號，可以大幅度降低成本和功耗。1.1 pwm 調(diào)速方案的優(yōu)越性自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器直流電機調(diào)速系統(tǒng)，pwm 的 h 型屬于調(diào)壓調(diào)速，pwm 的h 橋能實現(xiàn)大功率調(diào)速；國內(nèi)的超大功率調(diào)速還要依靠可控硅實現(xiàn)可控整流來實現(xiàn)直流電機的調(diào)壓調(diào)速。本設(shè)計采用直流極式控制的橋式 pwm 變換器。與 v-m 系統(tǒng)相比在很多方面有較大的優(yōu)越性：1）主電路

14、線路簡單，需用的功率器件少。2）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電極損耗及發(fā)熱都較小。 3）低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，調(diào)速范圍寬，可達1:20000左右。4）若是與快速響應(yīng)的電機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗干擾能力強。5）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通道損耗小，當開關(guān)頻率適中時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率高。6）直流電機采用不控整流時，電網(wǎng)功率因素比相控整流器高。由于由以上優(yōu)點直流 pwm 系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的高動態(tài)性能中。已完全取代了 v-m 系統(tǒng)。為達到更好的機械特性要求，一般直流電動機都是在閉環(huán)控制下運行。經(jīng)常采用的閉環(huán)系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速負反饋和電流截至負反饋。1.2

15、、直流電機 pwm 調(diào)速基本原理 pwm 方式是在大功率開關(guān)晶體管的基極上，加上脈沖寬度可調(diào)的方波電壓，控制開關(guān)管的導通時間 t，改變占空比，達到控制目的。圖 1 是直流 pwm 系統(tǒng)原理框圖。這是一個雙閉環(huán)系統(tǒng)，有電流環(huán)和速度環(huán)。在此系統(tǒng)中有兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級連接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出作為 pwm 的控制電壓。核心部分是脈沖功率放大器和脈寬調(diào)制器。控制部分采用 sg1525（脈寬調(diào)制芯片 sg1525 具有欠壓鎖定、故障關(guān)閉和軟起動等功能,因而在中小功率電源和電機調(diào)速等方面應(yīng)用較廣泛。sg1525 是電壓型控制芯片,利用

16、電壓反饋的方法控制 pwm 信號的占空比,整個電路成為雙極點系統(tǒng)的控制問題,簡化了補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。）集成控制器產(chǎn)生兩路互補的 pwm 脈沖波形，通過調(diào)節(jié)這兩路波形的寬度來控制 h 電路中的 gtr 通斷時間，便能夠?qū)崿F(xiàn)對電機速度的控制。為了獲得良好的動、靜態(tài)品質(zhì)，調(diào)節(jié)器采用 pi 調(diào)節(jié)器并對系統(tǒng)進行了校正。檢測部分中，采用了霍爾片式電流檢測裝置對電流環(huán)進行檢測，轉(zhuǎn)速還則是采用了測速電機進行檢測，能達到比較理想的檢測效果。2.2.系統(tǒng)概述系統(tǒng)概述2.1 系統(tǒng)構(gòu)成 本系統(tǒng)主要有信號發(fā)生電路、pwm 速度控制電路、電機驅(qū)動電路等幾部分組成。整個系統(tǒng)上采用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，如圖 1 所示。在

17、系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級連接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出作為 pwm 的控制電壓。從閉環(huán)反饋結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，是內(nèi)環(huán)，按典型型系統(tǒng)設(shè)計；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，成為外環(huán)，按典型型系統(tǒng)設(shè)計。為了獲得良好的動、靜態(tài)品質(zhì)，調(diào)節(jié)器均采用 pi 調(diào)節(jié)器并對系統(tǒng)進行了校正。檢測部分中，采用了霍爾片式電流檢測裝置對電流環(huán)進行檢測，轉(zhuǎn)速還則是采用了測速電機進行檢測，達到了比較理想的檢測效果。主電路部分采用了以 gtr 為可控開關(guān)元件、h橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)。pwm 方式是在大功率開關(guān)晶體管的基極上，加上脈沖寬度可調(diào)的方波

18、電壓，控制開關(guān)管的導通時間 t，改變占空比，達到控制目的。圖 1 是直流 pwm 系統(tǒng)原理框圖。這是一個雙閉環(huán)系統(tǒng)，有電流環(huán)和速度環(huán)。核心部分是脈沖功率放大器和脈寬調(diào)制器?？刂撇糠植捎?sg1525 集成控制器產(chǎn)生兩路互補的 pwm 脈沖波形，通過調(diào)節(jié)這兩路波形的寬度來控制 h 電路中的 gtr 通斷時間，便能夠?qū)崿F(xiàn)對電機速度的控制。圖 1 直流電動機 pwm 系統(tǒng)原理圖123456abcd654321dcbatitlenumberrevisionsizebdate:24-sep-2010sheet of file:h:songmydesign1mydesign1.ddbdrawn by:ea

19、-1ea+23osc4ct5rt6ro78910vo111gnd12vcc13vo214vcc115vref16u1sg1525r1r2r3r4r5r6r7r8r9r10q1d1d2d3d4d5c1c2c3c412vf15vl1res1mmetertgmeter12vocon2c8圖 2 控制電路的原理圖 圖 2 為控制電路的原理圖。圖中，v 為大功率晶體管，c1、 r1 、vd1 為過電壓吸收電路。由 sg1525 集成 pwm 控制器產(chǎn)生的 pwm 信號，經(jīng)驅(qū)動電路隔離放大后，驅(qū)動晶體管。輸出的 pwm 電壓平均值按下式變化，其中的值由 sg1525 定頻調(diào)寬法，即 t1+t2=t 保持一

20、定，使 t1 在 0t 范圍內(nèi)變化來調(diào)節(jié)。 ua=ududttudttt1211 系統(tǒng)的直流主回路電源 vd，經(jīng)三相橋式不可控整流濾波電路供電。當被流電機的額定功率較小時，vd 也可由單相橋式不可控整流濾波電路供電。系統(tǒng) 由主開關(guān)器件 v 的 pwm 斬波渡控制 ，在電感 l 左端形成主控回路的 pwm 脈寬可調(diào)控電壓 ua ，ua 再經(jīng) lc濾波得到直流電機兩端的平直直流電壓 va pwm 驅(qū)動裝置是利用大功率晶體管的開關(guān)特性來調(diào)制固定電壓的直流電源，按一個固定的頻率來接通和斷開，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”與“斷開”時間的長短，通過改變直流伺服電動機電樞上電壓的“占比空”來改變平均電壓

21、的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。因此，這種裝置又稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。2.2 直流電動機的脈寬調(diào)制的工作原理直流無刷電機由電動機、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。直流電源通過開關(guān)線路向電動機定子繞組供電，電動機轉(zhuǎn)子位置由位置傳感器檢測并提供信號去觸發(fā)開關(guān)線路中的功率開關(guān)元件使之導通或截止，從而控制電動機的轉(zhuǎn)動。在應(yīng)用實例中，磁極旋轉(zhuǎn)，電樞靜止，電樞繞組里的電流換向借助于位置傳感器和電子開關(guān)電路來實現(xiàn)。電機的電樞繞組作成三相，轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，與轉(zhuǎn)子軸相連的位置傳感器采用霍爾傳感器。3600 范圍內(nèi)，兩兩相差 1200 安裝，共安裝三個。為了提高電機的特性，電機采用二相導通星形三相六狀態(tài)

22、的工作方式。開關(guān)電路采用三相橋式接線方式。pwm 驅(qū)動裝置是利用大功率晶體管的開關(guān)特性來調(diào)制固定電壓的直流電源，按一個固定的頻率來接通和斷開，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”與“斷開”時間的長短，通過改變直流伺服電動機電樞上電壓的“占比空”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。因此，這種裝置又稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。 pwm 控制的示意圖如圖 2 所示，可控開關(guān) s 以一定的時間間隔重復地接通和斷開，當 s 接通時，供電電源 us 通過開關(guān) s 施加到電動機兩端，電源向電機提供能量，電動機儲能；當開關(guān) s 斷開時，中斷了供電電源 us 向電動機電流繼續(xù)流通。圖 3 pwm 控制示意圖電壓平

23、均值 uas 可用下式表示： uas= tonus/t=us （1-1）式中，ton 為開關(guān)每次接通的時間，t 為開關(guān)通斷的工作周期，（即開關(guān)接通時間 ton 和關(guān)斷時間 toff 之和）， 為占空比，= ton/t。由式（1-1）可見，改變開關(guān)接通時間 ton 和開關(guān)周期 t 的比例也即改變脈沖的占空比，電動機兩端電壓的平均值也隨之改變，因而電動機轉(zhuǎn)速得到了控制。23 主回路在系統(tǒng)主電路部分，采用的是以大功率 gtr 為開關(guān)元件、h 橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)。如圖 2 所示。圖中，四只 gtr 分為兩組，和為一組，和1vt4vt2vt為另一組。同一組中的兩只 gtr 同時導通，同

24、時關(guān)斷，且兩組晶體管之間可以是交替3vt的導通和關(guān)斷。欲使電動機 m 向正方向轉(zhuǎn)動，則要求控制電壓為正，各三極管基極電ku壓波形如圖 3 所示。欲使電動機反轉(zhuǎn)，則使控制電壓為負即可。ku2gtr 是一種雙極性大功率高反壓晶體管，它大多用作功率開關(guān)使用,而且 gtr 是一種具有自關(guān)斷能力的全控型電力半導體器件，這一特性可以使各類變流電路的控制更加方便和靈活，線路結(jié)構(gòu)大為簡化。圖 4 雙極式 h 型 pwm 變換電路圖 5 雙極式 pwm 變換電路的電壓、電流波形 （a）,(b) 三極管基極電壓波形 (c) 電樞電壓波形 （d）電樞電流波形 (e) 重負載時 波形 (f) e 時波形aisuai設(shè)

25、矩形波的周期為t，正向脈沖寬度為，并設(shè) =/t 為占空比。則電樞電壓 u 的1t1t平均值=（2-1）=（2/t-1），并定義雙極性雙極式脈寬放大器的負載電壓avusu1tsu系數(shù)為 =/=2/t-1avusu1t即 =avusu可見， 可在-1 到+1 之間變化。雙極式 pwm 變換器的優(yōu)點：1、電流一定連續(xù)；2、可使電機在四象限中運行；3、電動機停止時有微振電流，能消除正、反向時的靜摩擦死區(qū)；4、低速時，每個晶體管的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導通；5、低速平穩(wěn)性好，低速范圍可達 20000 左右。 a).正向電動運行波形 b).反向電動運行波形3 3單元電路設(shè)計單元電路設(shè)計31

26、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)電路311 電路原理 在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，電流調(diào)節(jié)器的輸出控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。 電流調(diào)節(jié)器在里面稱作內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外面稱作外環(huán)，這樣就形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖 7 所示。檢測部分中，采用了霍爾片式電流檢測裝置對電流環(huán)進行檢測，轉(zhuǎn)速則是采用了測速電機進行檢測。 為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個調(diào)節(jié)器都采用 pi 調(diào)節(jié)器。pi 調(diào)節(jié)器的輸出由兩部分組成，第一部分是比例部分，第二部分是積分部分。把比例運算電路和積分電路組合起來就構(gòu)成了比例積分調(diào)節(jié)器，如圖 6所示?？芍?/p>

27、uo=-i1r1-uidtr0c11i1=i0=ui/r0u0=-r1ui/r0- r0c1/1uidt當突加輸入信號 ui 時，開始瞬間電容 c1 相當于短路，反饋回路中只有電阻 r1，此時相當于比例調(diào)節(jié)器，它可以毫無延遲地起調(diào)節(jié)作用，故調(diào)節(jié)速度快；而后隨著電容 c1被充電而開始積分，u0 線性增長，直到穩(wěn)態(tài)。 圖 6 pi 調(diào)節(jié)器電路轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速跟隨其給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時實現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，對負載變化起抗擾作用，其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。 電流調(diào)節(jié)器使電流緊緊跟隨其給定電壓變化，對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾作用，在轉(zhuǎn)速動態(tài)過程中能夠獲得電動機允許的最大電流

28、，從而加快動態(tài)過程， 當電機過載甚至堵轉(zhuǎn)時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復正常。 圖 7 轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)電路圖asr 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 acr 電流調(diào)節(jié)器 gt 觸發(fā)裝置 m 直流電動機 tg 測速發(fā)電機 ta 電流互感器upe-電力電子變換器 un*-轉(zhuǎn)速給定電壓un-轉(zhuǎn)速反饋電壓 ui*-電流給定電壓 ui-電流反饋電壓圖中，來自速度給定電位器給定的信號 un*與速度反饋信號 un 比較后，偏差為un= un*-un，送到速度調(diào)節(jié)器 asr 的輸入端。速度調(diào)節(jié)器的輸出 ui*作為電流調(diào)節(jié)器 acr 的給定信號，與電流反饋信號 ui 比較后，偏差為un=

29、 ui*-ui，送到電流調(diào)節(jié)器 acr 的輸入端，電流調(diào)節(jié)器的輸出 uct 送到觸發(fā)器，以控制可控整流器，整流器為電動機提供直流電壓 ud.。3.2 pwm 驅(qū)動裝置控制電路pwm khz 圖 6 為 pwm 驅(qū)動裝置控制電路框圖。該控制電路包括恒頻波形發(fā)生器、脈寬調(diào)制器、脈沖分配電路等脈寬調(diào)速系統(tǒng)所特有的電路。圖 8 pwm 驅(qū)動裝置控制電路框圖321 恒頻波形發(fā)生器它的作用是產(chǎn)生頻率恒定的振蕩信號作為時間比較的基準，其波形可以是三角形波或鋸齒波。pwm 波由具有輸出的 pwm 控制器產(chǎn)生。3.2.2 脈寬調(diào)制器sg1525 為單片脈寬調(diào)制型控制器芯片，具有輸出 5.1v 的基準穩(wěn)壓電源，誤

30、差放大器、振蕩頻率在 100 400khz 范圍內(nèi)的鋸齒波振蕩器、軟啟動電路、關(guān)閉電路、脈寬調(diào)制比較器、rs 寄存器以及保護電路等。它解決了 pwm 電路的集成化問題，在實例中用此芯片來實現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)速。在具體的電路中，首先對位置傳感器信號進行整形，形成所需要的前后沿很陡，具有一定寬度的波形。經(jīng)微分電路微分，產(chǎn)生的微分脈沖去觸發(fā)時基電路 lm555，形成占空比為 2:1 的方波，方波頻率約為 200hzo此方波頻率計算公式為:f= n * p/ 60 式中，y1 為電機的額定轉(zhuǎn)速 r/min, f 為位置傳感器輸出信號的頻率、p 為電機的極對數(shù)。方 波 經(jīng) 濾波器濾波后，形成直流電壓送人脈寬調(diào)制

31、器，與脈寬調(diào)制器的反饋電壓進行比較，利用得到的誤差信號去控制脈寬調(diào)制器輸出的調(diào)制方波脈沖的寬度變化，即 pwm 輸出脈沖占空比的變化，利用占空比的變化調(diào)整加在電機電樞繞組上的電壓，改變電壓隨即改變電機電流，轉(zhuǎn)速依據(jù)電流的大小來改變。結(jié)束語：在應(yīng)用實例中，pwm 對調(diào)速系統(tǒng)來說，有如下優(yōu)點:系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定精度等指標比較好;電樞電流的脈動量小，容易連續(xù)，而且可以不必外加濾波電抗也可以平穩(wěn)工作;系統(tǒng)的調(diào)速范圍寬;使用元件少、線路簡單。它的作用是實現(xiàn)電壓、脈寬的轉(zhuǎn)換（v/m），即形成 pwm 信號。sg1525 集成控制器由 r2 和 rp1 分壓給出 ea(+)(2 引腳 )的系統(tǒng)設(shè)定值電壓。

32、這就要求提供此電壓的基準電源 vref 有較高精度。 vref 受 15 引腳 vcc1 電源電壓的影響。vcc1 是標準三端集成穩(wěn)壓 器的輸入 電壓。vref 是穩(wěn)壓器的輸出電壓 vcc。低于 7v 或嚴重欠電壓時，vref 的精度 值(51v1% )就 得不到 保 證 ；為防止 ea(+)設(shè)定值電壓波動導致 系統(tǒng)失控 ，在器件內(nèi)部設(shè)置有欠壓鎖定功能。出現(xiàn)欠電壓時 ，欠電壓鎖定功能使圖 7 中 a 端 線 由低 電 壓 上 升 為 邏 輯 高 電壓 經(jīng) “或 ”一“或 非”門輸出轉(zhuǎn)化為 p1= p2=； =1；p1 和 p2 的邏輯低電壓使輸出驅(qū)動晶體管 t1dcbadcb1p12p和 t2

33、 截止，p1 和 p2 的邏輯高電壓使晶體管 t 和 t 的集電極對地導通。控制器 11 和 l4 引腳的輸出電壓脈沖消失( v01=v02 = 0)，功率驅(qū)動 電路輸出至主開關(guān)管 v 的控制驅(qū)動脈沖消失，主開關(guān)管關(guān)斷使直流電機停轉(zhuǎn)。 欠電壓使 a 端線高電壓傳遞到 t3 晶體管基極，t3 導通為 8 引腳外接電容 c3，提供放電的路徑。c3 經(jīng) t3 發(fā)射極電阻放電為零電壓后，限制了比較器 c 的 pwm 脈沖電壓輸出 ，該脈沖電壓上升為恒定的邏輯高電壓 。pwm 高電壓經(jīng) pwm 鎖存器輸出到 d 端線仍為恒定的邏輯高壓 ，c3 電容重 新充 電之 前，d 端線 的高 電壓不會發(fā)生變化。d

34、 與 a 同為高電壓 雙重封鎖 v01 和 v02 為零出。欠電壓消失后，欠電壓鎖定功能使 a 恢復低電壓正常值，a 的低電壓使管恢復截止。c3 電容由 50a 電流源緩慢充電。c3 充電對pwm 和 d 端線脈沖寬度產(chǎn)生影響。同時對 v01 和 v02 產(chǎn)生影響 ，其結(jié)果是使 v01 和 v02脈沖由窄緩慢變寬。只有 c3 充電結(jié)束后 v01 和 v02 脈沖寬度才不再受 c3 充電的影響。參見圖 8 和圖 9。圖 9 sg1525 集成 pwm 控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖由于 v01 和 v02 脈沖寬度受 c3 充電影響緩慢加寬，欠電壓消失后的功率驅(qū)動脈沖也是由窄變寬的 ，主開關(guān)管斬波輸出的直流

35、電壓 va 呈現(xiàn)出由小變大的趨勢，而不是躍變?yōu)槟骋还潭ㄖ惦妷?。這種軟啟動方式 ，使系統(tǒng)主回路電機及開關(guān)器件避免承受過大的沖擊渲涌電流。c3 一般選用幾微法的電解電容器.3.2.3 系統(tǒng)的故障關(guān)閉功能 為便于從直流電機主回路接受檢測到的故障信號，例如，電機過電流 ，過電壓，vd直流失壓等故障信號 ，集成控制器內(nèi)部 t3 晶體管基極經(jīng)-50k13 電阻連接 1 引腳。外部故障信號使 va 穩(wěn)壓管導通時，穩(wěn)壓管導通電流在 r6 兩端產(chǎn)生邏輯高電壓 ，此邏輯高電壓使 t3 管基極上升為邏輯高電壓。由于 t3 基極與 a 端線相連，故障信號產(chǎn)生的關(guān)閉過程與欠 電壓鎖定過程類似。即使 p1 =p2=0，

36、t1 和 t2 晶體管截止 ； =1， 和p12p1t導通。v01 =v02 =0；關(guān)閉驅(qū)動脈沖使主開關(guān)管 v 關(guān)斷，va =0，電機停轉(zhuǎn)。2t 另外，故障信號使，導通提供 8 引腳腳 c3 電容的放電路徑 ，c3 放電到零電壓為軟啟動作好準備。故障消除后 t3 截止,c3 由電流源緩慢充電，v01 和 v02 脈沖由窄變寬 ，由低值逐漸升高到某固定值，電機在不承 受過大啟動電流的狀態(tài)下平穩(wěn)上升到某固定轉(zhuǎn)速。3.2.4 系統(tǒng)波形與控制方式分析 系統(tǒng)控制器輸出的控制脈沖電壓 v01 和 v02 (11 和 14 腳)的上跳時間，由一個鋸齒波電壓 v+的谷點時刻確定。即 v01 和 v02 總是在

37、鋸齒渡電壓 v+取最小值 時，由邏輯低電平上跳為邏輯高電平(圖 3)。為保證 v01 和 v02 不同時出現(xiàn)邏輯高電壓 (每間隔一個鋸齒波出現(xiàn)一次)，vo1和 vo2的頻率設(shè)置為鋸齒波電壓頻率的二分之一。圖 2 中，ff 觸發(fā)器在 cp 脈沖控帝葺下輸出 q 和兩個二分頻計數(shù)脈沖分別至不同或一或非門口 b 輸入端，q即可達到上述頻率設(shè)置的目地。cp 脈沖出現(xiàn)的時刻與鋸齒波峰點對齊， cp 后沿下跳時刻與谷點對齊，這樣可保證 cp 與鋸齒渡的同步同頻率變化。cp 與鋸齒波 v+的 同步同頻率設(shè)置功能 ，由 osc 振蕩器完成。cp 實際是由雙門限比較器將鋸齒波電壓整形后的。osc 輸出波形參見圖

38、 3。 vo1和 vo2脈沖的后沿下跳時刻由鋸齒渡 v+ 的上升沿區(qū)間和 v 一電壓的交點確定，當 v +上升到 v+v-的臨界對應(yīng)時刻時，vo1或 vo2脈沖由邏輯高電平跳變?yōu)檫壿嫷碗娖?。誤差放大器 ea 的輸出電壓 v-，可由 2 引腳設(shè)定電位器 rp1 調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié) rp1 使 v-等于 v+的谷點電壓時 ，vo1和 vo2的脈寬縮減為零，vo1= vo2=0；調(diào)節(jié) rp1 使 v-等于 v+的蜂點電壓時 ，vo1和 vo2的脈寬達到最大值。由于 v-電壓由 v+的谷點到峰點電壓調(diào)節(jié)時，和v +交點在鋸齒波上升沿移動所對應(yīng)的時間為t1，vo1 和 vo2 的最大脈沖寬度也為t1。 v+ 與

39、 v-的交點比較功能由 c 比較器(圖 2)完成，當 v+v-時，c 比較器輸出的 pwm 渡形由邏輯低電平變?yōu)楦唠娖剑籿+v-時(v+下降沿交點)，c 比較器輸出 pwm 波由邏輯高電平變?yōu)榈碗娖?，為保證 pwm 波寬不致于太窄，用 pwm 鎖存器鎖存高電平值，并在 cp脈沖下跳時對鎖存器清零。以 進行下一個比較點的鎖存。經(jīng) pwm 鎖存器輸出到“或”一“或非”門 c 輸入端的脈沖最小寬度與 cp 同寬。集成控制器與系統(tǒng)工作波形圖見圍 3。系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)過程分析如 下 ：圖 10 sg1525 各點波形與 pwm 斬波調(diào)壓波形調(diào)節(jié)電位器 rp1 使誤差放大器輸出一固定的 v-電壓在 v+的谷

40、點和 v-與 v+交點對應(yīng)的區(qū)間內(nèi)有固定的 vo1 +vo2脈沖(11 和 14 腳并接獲 vo1 +vo2)輸出到功率驅(qū)動電路，主開關(guān)管 v 以某固定脈寬斬波輸出 ua，濾波輸由 rp1 調(diào)節(jié)確定的直流電壓 va 值到直流電機，電機保持其穩(wěn)定轉(zhuǎn)速運行。當電機因某種擾動固察使轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，例如，負載變化使轉(zhuǎn)速下降，則由系統(tǒng)檢測反饋的 vf電壓值跟隨下降 ，vf經(jīng) r3 及串聯(lián)二極管(此二極管可防止調(diào)試系統(tǒng)時 正負極接反形成正反饋)使誤差放大器 ea(-)反相輸入端電位下降，誤差電壓e=ea(+)-ea(-)增大(方向由 ea(+)指向 ea(-)，誤差放大器對e 的比例積分運算(ea 誤差放

41、大器的輸出 9 引腳和反相輸入引腳間接有 r4、c2構(gòu)成的比例積分反饋網(wǎng)絡(luò))輸出電壓 v-值上升，v-的上升使 v +v-的交 點時刻(鋸齒披上升沿交點)后移。vo1 +vo2和 u。脈沖寬度均變寬，ua 的濾波平均值電壓 va 按比例積分規(guī)律增大, va 增大使電機轉(zhuǎn)速回升，當電機轉(zhuǎn)速回升到 rp1 設(shè)定值 ea(+)所對應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)時，e 調(diào)節(jié)為零，v-停止比例積分變化，系統(tǒng)進入新和穩(wěn)態(tài)運行。3.2.5 脈沖分配電路在可逆 pwm 變換器中，上、下兩個晶體管經(jīng)常交替工作，如圖 10 所示。由于晶體管存在關(guān)斷時間，因此有可能能造成在一個晶體管未完全關(guān)斷時，另一個晶體管已導通，從而使電源短路。

42、為了避免這種情況發(fā)生，根據(jù)功率轉(zhuǎn)換電路的工作要求，設(shè)置了大功率晶體管的導通次序，即脈沖分配電路，使大；功率晶體管能按照指定的順序?qū)?。在圖 11 中，晶體管 v1、v4 是同時關(guān)斷的，v2、v3 也是同時導通同時關(guān)斷的，但 v1與 v2、v3 與 v4 都不允許同時導通，否則電源 ud 直通短路。設(shè) v1、v4 先同時導通 t1 秒后同時關(guān)斷，間隔一定時間之后，再使 v2、v3 同時導通 t2 秒后同時關(guān)斷，如此反復，則電動機電樞端電壓波形如圖 11（b）所示。圖 11 脈沖分配電路電動機電樞端電壓的平均值為ua=（2-1）ududttudtttt) 112(2121由于 01，ua 值的范圍

43、是-udud，因而電動機可以在正反兩個方向調(diào)速運轉(zhuǎn)。3.2.6 基極驅(qū)動電路系統(tǒng)采用的功率驅(qū)動電路取決于主開關(guān)管 v 的器件類別。用不同類別的主開關(guān)其功率驅(qū)動電路也不同。 本系統(tǒng)采用 bjt 功率晶體管的驅(qū)動電路。 圖 2 是驅(qū)動 bjt 功率晶體管的一種用的雙電源光電耦合驅(qū)動電路，其工作原理如下。vo1 +vo2為邏輯低電平時，t4晶體管止集電極輸出高電平至 t3基極，穩(wěn)壓管 w 與t3均導通 ，使集電極為低電平。一般可設(shè)計 t3集電極低電平為負值，例如，設(shè)計vca=vw+vcesa-vcc=2.6v，受 vc3負位制約；bjt 基極 電位(a 點)為 vc3+veb2=-2v(此時t1 管

44、 vbe1-veb2=o6v 反偏電壓截止)。bjt 發(fā)射極連于電容 c 的聯(lián)交點 b，可獲得直流懸浮零電位 vb (vccvc)=0( vc=2vcc)。該直流懸浮零電位使 bjt 基極發(fā)射極間ccc有 2v 的反向偏置電壓，以保證 bjt 的可靠關(guān)斷。因 bjt 發(fā)極與電感 l 相連，電容 c 還有效隔斷驅(qū)動路和 l 強電電路的直流電聯(lián)系。vo1 +vo2為高電平時，t4導通 ，t3和穩(wěn)壓管關(guān)斷，vcc 經(jīng) r3和 t1管基極 、發(fā)射極向 bjt 提供基極開通電流，t2管承受 vbe1=-veb2反壓截止。r1 限制 bjt 導通基流的大小。r2在 bjt 關(guān)斷瞬間，限制電容 c 經(jīng) bjt 發(fā)射極、基極，t2發(fā)射極、集電極，負電源回路的反向恢復電流峰值。 調(diào)試圖 2 中的 r5，可改變 vo1 +vo2脈沖的幅值 ，以適應(yīng)輸入光電耦合電路的參 敬定額要求 。圖 12 電路的適應(yīng)性較強 也可用于 igbt 絕緣柵雙極晶體管的功率驅(qū)動電路 。 圖 12 基極驅(qū)動電路 33、相關(guān)數(shù)據(jù)分析該系統(tǒng)調(diào)速精度與調(diào)速范圍要求不高。本系統(tǒng)采用三相(1)ct,rt，rd 的選取 sg1525 集成控制器可輸出 01400khz 的脈沖頻率 ，對應(yīng) ct= 00010.1 f，rt=2 150k取值 。一般對于 bjt 和 gto 器件可取 f=1khz 以下，igbt 器件取