直流电动机PWM控制系统设计

皖西学院课程设计任务书系别：机电学院专业：电气工程及其自动化学生姓名：吴渊博学号：2011011147课程设计题目：直流电机PWM控制系统设计起迄日期:6月9日~6月20日课程设计地点:机电学院实验室指导教师:汪明珠下达任务书日期:2013年6月9日1.摘要直流电机由于具有速度控制容易，启、制动性能良好，宜在大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。直流电动机常用的调速控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法，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。本课程设计的直流电动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。通过介绍双闭环PWM直流调速系统原理基础上，根据系统的动、静态性能指标采用工程设计方法设计调节器参数。并运用MATLAB的Simulink和PowerSystem工具箱、面向系统电气原理结构图的仿真方法，实现了转速电流双闭环PWM直流调速系统的建模与仿真。给出了PWM直流可逆调速系统的仿真模型和仿真结果，验证了仿真模型及调节器参数设置的正确性。关键词：直流调速；PWM；双闭环；PI调节2.系统概述2.1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系统原理图图2为控制电路的原理图。图中，V为大功率晶体管，C1、R1、VD1为过电压吸收电路。由SG1525集成PWM控制器产生的PWM信号，经驱动电路隔离放大后，驱动晶体管。输出的PWM电压平均值按下式变化，其中的值由SG1525定频调宽法，即T1+T2=T保持一定，使T1在0～T范围内变化来调节。Ua=UdTTUdTTT1211Ud系统的直流主回路电源VD，经三相桥式不可控整流滤波电路供电。当被控直流电机的额定功率较小时，VD也可由单相桥式不可控整流滤波电路供电。系统由主开关器件V的PWM斩波渡控制，在电感L左端形成主控回路的PWM脉宽可调控电压Ua，Ua再经LC滤波得到直流电机两端的平直直流电压Va。图2系统结构图2.2直流电动机的脉宽调制的工作原理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3PWM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2所示。图中，四只GTR分为两组，1VT和4VT为一组，2VT和3VT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kU为正，各三极管基极电压波形如图3所示。欲使电动机反转，则使控制电压kU为负即可。图4双极式H型PWM变换电路图5双极式PWM变换电路的电压、电流波形设矩形波的周期为T，正向脉冲宽度为1t，并设λ=1t/T为占空比。则电枢电压U的平均值avU=（2λ-1）SU=（21t/T-1）SU，并定义双极性双极式脉宽放大器的负载电压系数为ρ=avU/SU=21t/T-1即avU=ρSU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。3.单元电路设计3．1转速、电流双闭环调节电路3．1．1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6所示。可知UO=-I1R1-R0C11∫UidtI1=I0=Ui/R0U0=-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6PI调节器电路3．1．2转速、电流调节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7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TA–电流互感器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.。3.2PWM驱动装置控制电路图8PWM驱动装置控制电路框图3.3.1恒频波形发生器它的作用是产生频率恒定的振荡信号作为时间比较的基准，其波形可以是三角形波或锯齿波。PWM波由具有输出的PWM控制器产生。3.3.2脉宽调制器它的作用是实现电压、脉宽的转换（V/M），即形成PWM信号。SG1525集成控制器由R2和Rp1分压给出EA(+)(2引脚)的系统设定值电压。这就要求提供此电压的基准电源VREF有较高精度。VREF受15引脚VCC1电源电压的影响。VCC1是标准三端集成稳压器的输入电压。VREF是稳压器的输出电压Vcc。低于7V或严重欠电压时，VREF的精度值(5．1V±1%)就得不到保证；为防止EA(+)设定值电压波动导致系统失控，在器件内部设置有欠压锁定功能。出现欠电压时，欠电压锁定功能使图7中A端线由低电压上升为逻辑高电压．经“或”一“或非”门输出转化为P1=P2=DCBA=DCB1；P1=2P=1；P1和P2的逻辑低电压使输出驱动晶体管T1和T2截止，P1和P2的逻辑高电压使晶体管T和T的集电极对地导通。控制器11和l4引脚的输出电压脉冲消失(V01=V02=0)，功率驱动电路输出至主开关管V的控制驱动脉冲消失，主开关管关断使直流电机停转。欠电压使A端线高电压传递到T3晶体管基极，T3导通为8引脚外接电容C3，提供放电的路径。C3经T3发射极电阻放电为零电压后，限制了比较器C的PWM脉冲电压输出，该脉冲电压上升为恒定的逻辑高电压。PWM高电压经PWM锁存器输出到D端线仍为恒定的逻辑高压，C3电容重新充电之前，D端线的高电压不会发生变化。D与A同为高电压．双重封锁V01和V02为零出。欠电压消失后，欠电压锁定功能使A恢复低电压正常值，A的低电压使管恢复截止。C3电容由50µA电流源缓慢充电。C3充电对PWM和D端线脉冲宽度产生影响。同时对V01和V02产生影响，其结果是使V01和V02脉冲由窄缓慢变宽。只有C3充电结束后V01和V02脉冲宽度才不再受C3充电的影响。参见图8和图9。图9SG1525集成PWM控制器的内部结构图由于V01和V02脉冲宽度受C3充电影响缓慢加宽，欠电压消失后的功率驱动脉冲也是由窄变宽的，主开关管斩波输出的直流电压Va呈现出由小变大的趋势，而不是跃变为某一固定值电压。这种软启动方式，使系统主回路电机及开关器件避免承受过大的冲击渲涌电流。C3一般选用几微法的电解电容器.3.3.3系统的故障关闭功能为便于从直流电机主回路接受检测到的故障信号，例如，电机过电流，过电压，VD直流失压等故障信号，集成控制器内部T3晶体管基极经-50k13电阻连接1引脚。外部故障信号使Va稳压管导通时，稳压管导通电流在R6两端产生逻辑高电压，此逻辑高电压使T3管基极上升为逻辑高电压。由于T3基极与A端线相连，故障信号产生的关闭过程与欠电压锁定过程类似。即使P1=P2=0，T1和T2晶体管截止；P1=2P=1，1T和2T导通。V01=V02=0；关闭驱动脉冲使主开关管V关断，Va=0，电机停转。另外，故障信号使，导通提供8引脚㈩脚C3电容的放电路径，C3放电到零电压为软启动作好准备。故障消除后T3截止,C3由电流源缓慢充电，V01和V02脉冲由窄变宽，由低值逐渐升高到某固定值，电机在不承受过大启动电流的状态下．平稳上升到某固定转速。3.3.4系统波形与控制方式分析系统控制器输出的控制脉冲电压V01和V02(11和14脚)的上跳时间，由一个锯齿波电压V+的谷点时刻确定。即V01和V02总是在锯齿渡电压V+取最小值时，由逻辑低电平上跳为逻辑高电平(图3)。为保证V01和V02不同时出现逻辑高电压(每间隔一个锯齿波出现一次)，Vo1和Vo2的频率设置为锯齿波电压频率的二分之一。图2中，FF触发器在CP脉冲控帝葺下输出Q和Q两个二分频计数脉冲分别至不同或