直流电机PWM调速控制系统设计

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；双闭环直流电机PWM调速控制系统2AbstractTothepowerelectronicsandmotortechnologyasthefoundation,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直流电机PWM调速控制系统1目录第一章直流调速系统的现状及其发展趋势……………………11.1直流调速系统的现状…………………………………………11.2直流调速系统的发展趋势…………………………………………1第二章课题方案分析………………………………………32.1直流电动机的调速方法介绍………………………………………32.2选择PWM控制系统的理由………………………………………52.3采用转速电流双闭环的理由……………………………………52.4设计技术指标要求………………………………………………6第三章直流调速系统的组成与工作原理……………………73.1无静差直流调速系统组成及其原理……………………………73.2转速、电流双闭环直流调速系统的组成及其原理………………7第四章PWM控制直流调速系统主电路设计…………………104.1主电路结构设计………………………………………………104.1.1电路组成及系统分析………………………………………104.1.2电路总体介绍………………………………………………114.2主电路工作原理…………………………………………………124.2.1降压斩波电路与电机的电动状态……………………………124.2.2升压斩波电路与电机的制动状态……………………………124.2.3半桥电路与电机的电动和制动运行状态……………………124.2.4电机可逆运行的实现………………………………………134.3PWM变换器介绍………………………………………………134.4参数设计………………………………………………………204.4.1IGBT管的参数………………………………………………204.4.2缓冲电路参数………………………………………………21直流电机PWM调速控制系统2第五章PWM控制直流调速系统控制电路设计………………225.1控制电路设计………………………………………………………225.1.1SG3525的应用………………………………………………225.1.2SG3525芯片的主要特点……………………………………225.1.3SG3525引脚各端子功能……………………………………245.1.4SG3525的工作原理…………………………………………265.2LM1413的应用……………………………………………………275.3脉冲变压器的应用…………………………………………………275.4速度调节器（ST-1）………………………………………………275.5电枢电流调节器（LT-1）…………………………………………295.6速度变换单元（FBS）……………………………………………315.7电流检测…………………………………………………………325.8脉冲变压器………………………………………………………325.9给定单元…………………………………………………………32心得体会………………………………………………………33致谢……………………………………………………………34参考文献………………………………………………………35附录一…………………………………………………………36直流电机PWM调速控制系统1第一章直流调速系统的现状及其发展趋势1.1直流调速系统的现状直流电力拖动和交流电力拖动在19世纪先后诞生。在20世纪上半叶的年代里，鉴于直流拖动具有优越的调速性能，高性能可调速拖动都采用直流电机，而约占电力拖动总容量80%以上的不变速拖动系统则采用交流电机，这种分工在一段时期内已成为一种举世公认的格局。交流调速系统的多种方案虽然早已问世，并已获得实际应用，但其性能却始终无法与直流调速系统相匹敌。第一是控制理论的发展，出现了最优控制、自适用控制、智能控制等，相应的拖动系统也在实践中逐步形成。其二是电子器件的发展，带来了拖动控制系统组成结构的重大变化。过去采用旋转交流机组来实现直流电动机的平滑调速，而直流发动机的励磁又采用交磁功率放大机、磁放大器进行控制；由于这样的系统存在一系列的缺点，因此在50年代又出现了水印整流器装置，不仅在经济性和可靠性上有所提高，而且在技术性能上也显示了很大的优越性。另外，集成运算放大器和众多的电子模块的出现，不断促进了控制系统结构的变化。其三是八十年代计算机技术和通信技术的发展，开创了拖动控制系统蓬勃发展的新时代。8位-32位单片机的相继出现并应用于控制系统，使其结构更加简单、功能更强，可靠性更高。从传统系统来讲，虽然近几年来交流电机调速技术迅猛发展，在许多方面正向直流电机调速技术领域扩展，但是直流传动控制系统的一些理论仍然是交流传动的基础。对于直流传动系统来讲。他也在不断地更新和发展，如完全数字化的控制装置已成功的用于生产。以微机作为控制系统的核心部件，并具有控制、检测、监视、故障处理等多功能电气传动系统正在形成和不断完善。1.2直流调速系统的发展趋势由于直流电动机具有良好的机械特性，能在大范围内平滑调速、启动、制动和正反转等，目前在传动领域中仍占主要地位。现急需在以下几个方面提高我国直流电气传动装置的水平。直流电机PWM调速控制系统21、提高传动的单机容量。我国现有容量为7000KW，国外则早已制成14500KW的传动装置。2、提高电力电子器件的生产水平，增加品种。3、控制单元水平急需提高。目前国内的传动装置仍使用小规模集成运算放大器和组件，触发装置甚至还是用分离元件，国外的装置已实现完全数字化，采用16位或32位单片机，实现了数字触发、数字调节、故障自诊断参数自寻化状态监视保护及自复原等各种功能。4、应形成标准模块化的结构和一系列控制单元，采用16位或32位单元，便于工程设计人员选用。5、加强装置的功能，进一步提高可靠性，工艺更加合理，维护方便。直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统正逐步取代直流调速系统。然而，直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，还是应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。在实际中许多需要无级调速的生产机械常常对静差率提出较严格的要求，不能允许很大的静差率。例如，由于龙门刨床加工各种材质的工件，刀具切入工件和退出工件时为避免刀具和工件碰坏，有调节速度的要求；又由于毛坯表面不平，加工时负载常有波动，为了保证加工精度和表面光洁度，不允许有较大的速率变化。因此，龙门刨床工作台电气传动系统一般要求调速范围D=20～40，静差率S≤5%，动态速降，快速起、制动。多机架热连轧机，各机架轧辊分别由单独的电动机拖动，钢材在几个机架内同时轧制，为了保证被轧金属的每秒流量相等，不致造成钢材拉断或拱起，各机架出口线速度需保持严格的比例关系。根据以上轧钢工艺要求，一般须使电力拖动系统的调速范围D=10时，静差率S≤0.2%～0.5%，动态速降，恢复时间。在上述情况下，开环调速系统是不能满足要求的。虽然直流调速系统有一定的不足，但它仍是交流调速系统的基础，因此在未来的发展中直流调速系统依旧是不能忽略的。直流电机PWM调速控制系统3第二章课题方案分析2.1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。aI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。fI变化时间遇到的时间常数同aI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