直流电动机脉宽调速控制系统的设计

课题名称直流电动机脉宽调速系统设计及实现

专业电气工程及其自动化

班级电气①班

学生姓名夏禹

学号 **********

指导教师吴生彪

一：设计原理

1.系统设计原理

脉宽调制技术是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量，PWM 控制技术的理论基础为：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

直流电动机的转速n 和其他参量的关系可表示为

a a a

e U I R n C -=Φ∑ （1）

式中 Ua ——电枢供电电压（V ）；

Ia ——电枢电流（A ）；

Ф——励磁磁通（Wb ）；

Ra ——电枢回路总电阻（Ω）；

CE ——电势系数， ，p 为电磁对数，a 为电枢并联支路数，N 为导体数。 由式（1）可以看出，式中Ua 、Ra 、Ф三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：

(1)改变电枢回路总电阻Ra ；；(2)改变电枢供电电压Ua ；(3)改变励磁磁通Ф

下图为PMW 直流电机设计框图

2.PWM基本原理

脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。简而言之，就是用改变电机电枢(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。

3.直流电机PWM调速基本原理

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。在此系统中有两个调节器，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。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（脉宽调制芯片SG1525具有欠压锁定、故障关闭和软起动等功能,因而在中小功率电源和电机调速等方面应用较广泛。SG1525是电压型控制芯片,利用电压反馈的方法控制PWM信号的占空比,整个电路成为双极点系统的控制问题,简化了补偿网络的设计。）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。为了获得良好的动、静态品质，调节器采用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，能达到比较理想的检测效果。

图1 直流电动机PWM系统原理图

二：方案选择及论证

1 方案选择

1.1 改变电枢回路电阻调速

可以通过改变电枢回路电阻来调速，此时转速特性公式为

n=U-【I(R+Rw)】/KeФ（2）

式中Rw为电枢回路中的外接电阻（Ω）。

当负载一定时，随着串入的外接电阻Rw的增大，电枢回路总电阻R=(Ra+Rw)增大，电动机转速就降低。Rw的改变可用接触器或主令开关切换来实现。

这种调速方法为有级调速，转速变化率大，轻载下很难得到低速，效率低，故现在这种调速方法已极少采用，本次设计不采用。

1.2 改变励磁电流调速

当电枢电压恒定时，改变电动机的励磁电流也能实现调速。由式1-1可看出，电动机的转速与磁通Ф（也就是励磁电流）成反比，即当磁通减小时，转速n升高；反之，则n降低。与此同时，由于电动机的转矩Te是磁通Ф和电枢电流Ia 的乘积（即Te=CTФIa），电枢电流不变时，随着磁通Ф的减小，其转速升高，转矩也会相应地减小。所以，在这种调速方法中，随着电动机磁通Ф的减小，其转矩升高，转矩也会相应地降低。在额定电压和额定电流下，不同转速时，电动机始终可以输出额定功率，因此这种调速方法称为恒功率调速。

为了使电动机的容量能得到充分利用，通常只是在电动机基速以上调速时才采用这种调速方法。本次设计不采用。

1.3 采用PWM 控制的调速方法

图2为PWM 降压斩波器的原理电路及输出电压波形。在图2a 中，假定晶体 管V1先导通T1，秒(忽略V1的管压降，这期间电源电压Ud 全部加到电枢上)，然后关断T2秒(这期间电枢端电压为零)。如此反复，则电枢端电压波形如图1b 中所示。电动机电枢端电压Ua 为其平均值。

图2 PWM 降压斩波器原理电路及输出电压波形

a) 原理图 b)输出电压波形

1112a d d d T T U U U U T T T α===+ (3)

式(3)中

11

12T T T T T α=

=+ （4）

α为一个周期T 中，晶体管V1导通时间的比率，称为负载率或占空比。使用下面三种方法中的任何一种，都可以改变α的值，从而达到调压的目的：

(1)定宽调频法：T1保持一定，使T2在0～∞范围内变化；

(2)调宽调频法：T2保持一定，使T1在0～∞范围内变化

(3)定频调宽法：T1+T2=T 保持一定，使T ，在0～T 范围内变化。 不管哪种方法，α的变化范围均为0≤α≤l ，因而电枢电压平均值Ua 的调节范围为0～Ud ，均为正值，即电动机只能在某一方向调速，称为不可逆调速。当需要电动机在正、反向两个方向调速运转，即可逆调速时，就要使用图1—3a 所示的桥式(或称H 型)降压斩波电路。

在图3a 中，晶体管V1、V4是同时导通同时关断的，V2、V3也是同时导通同时关断的，但V1与V2、V3与V4都不允许同时导通，否则电源Ud 直通短路。设V1、V4先同时导通T1秒后同时关断，间隔一定时间(为避免电源直通短路。该间隔时间称为死区时问)之后，再使V2、V3同时导通T2秒后同时关断，如此反复，则电动机电枢端电压波形如图2b 所示。