PWM直流调速系统设计

PWM ft流脉宽调速系统设计

1 PWM调速系统的主要问题

1.1什么是PWM

脉冲宽度调制（PWM）,是英文“ Pulse Width Modulation ”的缩写，简称脉

宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅

极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，

这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数

字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。

PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点•由于当今科学技术的发展已经没有了

学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM 控制技术发展的主要方向之一。

1.2 PWM的优越性

自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关

控制方式，形成了脉宽调制变换器一直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系

统，或直流PWM S速系统。与V-M系统相比，PWM S统在很多方面有较大的优越性：1）主电路线路简单，需用的功率器件少。

2）开怪频率咼，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。

3）低速性能好，稳速精度高，调速围宽，可达 1 : 10000左右。

4）若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）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当的时候，开关损耗也不大，因而装置效率较高

6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。

由于有上述优点，直流PWM S速系统的应用日益广泛，特别是在中、小容量

的高动态性能系统中，已经完全取代了V-M系统。

1.3 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形

脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压

调制成频率一定、 宽度可以改变的脉冲电压序列， 从而可以改变平均输出电压的

大小，以调节电机转速。

PWM

变换器电路有多种形式，可以分为不可逆和可逆两大类，本次设计中要

求使用可逆电路，最常用的可逆电路就是桥式可逆

PWM 变换器

桥式（亦称 H 形）电路，如图 1-1所示。这是，电动机

M 两端电压U AB 的极

性随开关器件驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单级式、受限 单级式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆

PWM 变换器。 双极式控制可逆 PWM 变换器的4个驱动电压波形如图

1-2所示，它们的关系

是：U gi U g4 U g2

U g3。在一个开关周期，当

0 t t on 时，U AB U S ，电枢电 流i d 沿回路1流通；当t on t T 时，驱动电压反相，

i d 沿回路2经二极管续流,

U AB U S 。因此，U AB 在一个周期具有正负相间的脉冲波形，这是双极式名称的 由来。

图1-1桥式可逆PWM 变换器

图1-2也绘出了双极式控制时的输出电压和电流波形。 i d1相当于一般负载的

情况，脉动电流的方向始终为正；

i d2相当于轻载情况，电流可以在正负方向之

间脉动，但平均值仍为正，等于负载电流。在不同情况下，器件的导通，电流的 方向与回路都和有制动电流通路的不可逆

PWM 变换器相似。电动机的正反转则体

现在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。当正脉冲比较宽时，

t on T

，则U AB 的平均

2

vri

二 ---------

Mcnot

丕'•：

-Ui

值为正，电动机正转，反之则反转；如果正、负脉冲相等，t on T，平均输出电压为零，则电动机停止。图1-2所示的波形是电动机正转时的情况。

电压、输出电压和电流波形

双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为

U d yU s T^t on U s （半1）U s （1-1）

若占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相同，则在双极式控制的

可逆变换器中 2 1，就和不可逆变换器中的关系不一样了。

1

调速时，的可调围为0~1，相应的，为-1~+1。当 -时，为正，电动

2

1 1

机正转；当时，为负，电动机反转；当-时，0，电动机停止。但

2 2

电动机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电

流也是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电动机的损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有好处，在电动机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。

双极式控制的桥式可逆PWM变换器有下列优点：

1 ）电流一定连续。

2 ）可使电动机在四象限运行

3 ）电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区。

4 ）低速平稳性好，系统的调速围可达1：20000左右。

5 ）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导

通。

1.4 PWM控制器结构

本次设计采用集成脉宽调制器SG2524作为PWM言号发生的核心元件。由集

成脉宽调制器组成的脉冲信号发生电路简单、功能完善，可产生频率超过500kHz

的PWM永冲信号，而且频率与脉宽独立可调，此芯片部由基准电压源、误差放大器、限流保护器、比较器、振荡器、触发器、两个或非门和两个集电极开路的三极管组成。基准电压为5V，基准源负载能力达50mA它的振荡频率f由外接电

阻R t和电容C t决定，电阻R t的选取围为1.8 k至U 100 k ，电容G的选取围在0.001 F到0.1 F 之间，对应着f 1.3/（R t C t）可以得到频率围在130Hz到722kHz 的PWM永冲信号。C t上的正向锯齿波和误差放大器输出地控制电压信号通过比较器比较后，获得脉宽可调的脉冲输出。该电路可采用2种输出方式：单端PWM

方式：当输出端的两个三极管并联应用时，输出频率与振荡频率相同，占空比为