四象限斩波调速系统设计

目录

摘要 (1)

1系统工作原理 (2)

1.1结构与调速原理 (2)

1.2调速方案选择 (2)

1.3调速电路方案 (3)

1.4控制方案选择 (3)

2主电路的设计与分析 (3)

2.1 主电路的各个部分电路 (3)

2.1.1 整流电路 (4)

2.1.2 斩波调速电路 (5)

2.1.3 保护电路设计 (6)

2.2 主电路参数及选型技术要求 (7)

2.2.1变压器参数计算 (7)

2.2.2整流元件选择 (7)

2.2.3滤波电容选择 (8)

2.2.4 IGBT 的选择 (8)

2.2.5保护元件的选用 (8)

2.2.6反馈电路参数选择 (9)

3控制电路的设计与分析 (10)

3.1 触发电路的设计与分析 (11)

3.2脉宽调制（PWM ）控制的设计与分析 (11)

3.2.1 欠压锁定功能 (12)

3.2.2系统的故障关闭功能 (13)

3.2.3软起动功能 (13)

3.2.4 波形的产生及控制方式分析 (13)

3.3 延时驱动电路的设计 (13)

3.4 ASR 和ACR 调节器设计 (14)

3.4.1 ASR （速度调节器） (14)

3.4.2 ACR （电流调节器） (15)

3.5控制电路参数选择 (16)

3.5.1振荡器T R 、T C 选择 (16)

3.5.2电阻10R 、11R 、0R 的选择 (16)

3.5.3放大器的参数选择 (17)

3.5.4 电阻12R 及13R 选择 (17)

3.5.5继电接触器电路的选择与计算 (17)

4总电路图 (17)

总结体会 (19)

参考文献 (21)

摘要

长期以来，直流电机以其良好的线性特性、优异的控制性能等特点成为大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择。特别随着计算机在控制领域和高开关频率、全控型第二代电力半导体器件的发展，以及脉宽调制(PWM)直流调速技术的应用，直流电机得到广泛应用。直流电动机转速的控制方法可分励磁控制法与电枢电压控制法两类。励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制；而且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法，调节电阻R 即可改变端电压，达到调速目的。然而这种传统的调压调速方法效率低。

目前,市场上用的最多的IGBT直流斩波器,它是属于全控型斩波器，它的主导器件采用国际上先进的电力电子器件IGBT，由门极电压控制，从根本上克服了晶闸管斩波器及GTR 斩波器的缺点。该斩波器能为煤矿窄轨电机车配套的调速装置针对不同的负载对象，做一些少量的改动又可用于其它要求供电电压可调的直流负载上。与可控硅脉冲

调速方式和电阻调速方式相比，具有明显的优点。

关键字：直流电动机调速直流斩波

1系统工作原理

直流电机斩波调速控制系统的原理框图如图1-1所示.

图1-1 调速系统原理框图

1.1结构与调速原理

直流电机由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件构成。其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械整流部件。由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或者塑料成型为一个整体。各换向片间互相绝缘。换向器质量对运行可靠性有很大影响。

直流电机斩波调速原理是利用可控硅整流调压来达直流电机调速的目的，利用交流电相位延迟一定时间发出触发信号使可控硅导通即为斩波，斩波后的交流电经电机滤波后其平均电压随斩波相位变化而变化。为了达到控制直流电机目的，在控制回路加入了速度、电压、电流反馈环路和PID调节器来防止电机由于负载变化而引起的波动和对电机速度、电压、电流超常保护。

1.2调速方案选择

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

保持一个稳定值。最近几年来，随着微电子技术和计算机技术的发展及单片机的广泛应用，使调速装置向集成化、小型化和智能化方向发展。

1.3调速电路方案

本电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。为使整个系统能正常安全地运行, 设计了过流、过载、过压、欠压保护电路, 另外还有过压吸收电路。确保了系统可靠运行。

1.4控制方案选择

直流电动机转速的控制方法可分为励磁控制法与电枢电压控制法两类。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。如: 由交流电源供电, 使用晶闸管进行相控调压; 使用硅整流器将交流电整流成直流或由蓄电池等直流电源供电, 再由PWM 斩波器进行斩波调压等。

PWM 驱动装置与传统晶闸管驱动装置比较, 具有下列优点: 需用的大功率可控器件少, 线路简单; 调速范围宽; 电流波形系数好, 附加损耗小; 功率因数高。可以广泛应用于现代直流电机伺服系统中。本系统是基于PWM 控制的直流电机控制系统。

2主电路的设计与分析

2.1 主电路的各个部分电路

四象限斩波调速系统的组成如图2-1所示。由主电路、控制及保护电路、信号检测电路三大部分组成。二极管整流桥把输入的交流电变为直流电，电阻为起动限流电阻，C 为滤波电容。可逆PWM变换器主电路系采用MOSFET所构成的H型结构形式，它是由四个功率IGBT管（T1、T2、T3、T4）和四个续流二极管（D1、D2、D3、D4）组成的双极式PWM 可逆变换器，根据脉冲占空比的不同，在直流电机M上可得到正或负的直流电压。