基于IGBT直流斩波电机调速系统

1 直流调速系统结构和原理

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。利用可控硅的开关特性，控制其通断时间从而实现斩波，以改变转子两端的电压来调节直流电机的转速。

2 设计直流斩波调速电路

2.1调速方案选择

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。

其中，直流斩波是常用的一种调速方法。其基本原理是用改变电机电枢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。直流斩波电路实际上就是直流PWM电路，这是PWM控制技术应用较早也成熟较早的一类电路。基于IGBT等位代表全控型器件的不断完善给这种控制技术也提供了强大的物质支持。本系统正是基于IGBT的直流斩波电路作为直流电机调速系统。

2.2设计与分析

该直流电动机的直流斩波调速系统主要由信号发生电路、IGBT驱动电路和主电路三大部分组成。下面详细介绍各部分电路的设计。

2.2.1 信号发生电路

U 1T L4941234567

8

9

10111213141516R 11k Ω

R 21k Ω

R 31k Ω

C1

100nF

R 45k ΩKe y =A

50%

R 55k ΩKe y =A

50%

6

5

431

2

V CC

15V

V CC

7

Output

图2-1 信号发生电路

信号发生电路，是整个电路的控制电路，是整个电路的关键部分。没有这部分，就没法实现斩波电路的控制，实现直流电机的调速。通过可调节的信号产生的电路，产生相应的信号，通过IGBT 的驱动电路来控制IGBT 的通断，实现直流斩波，就能达到直流电动机调速的目的。

该系统是同过脉冲宽度调制来实现斩波控制的。信号发生电路是由脉冲宽度控制器TL494、可调电阻和其他电路元件组成，如图1所示。

图2-2 TL494结构图

TL494 是一种频率固定的脉冲调制控制电路，集成了开关电源控制所需要的主要模块，如图2所示。内部线性的锯齿波振荡器频率由2 个外部元器件决定，RT 和CT 。近似的振荡频率可以由下面公式决定：

图2-3 TL494时序图

输出脉冲宽度调制是通过在CT 上的正锯齿波和2 个控制信号中的任意一个比较而实现的。驱动晶体管Q1 和Q2 的或非门，当双稳态触发器的时钟输入是低电平的时候才使能，即锯齿波电压大于控制信号时。因此，增大控制信号的幅度会相应的减少输出脉冲的宽度，如图3所示。

信号发生电路中，通过调节电路的R5即RT，改变TL494的振荡频率，而使Q1输出地脉冲宽度发生变化。以引脚9输出地Q1脉冲驱动驱动电路，实现斩波电路的可调节控制。

2.2.2 IGBT的驱动电路

图2-4 IGBT结构、简化等效电路和电气符号

U 3

R 6200Ω

R 720Ω

R 92kΩR 102kΩC210nF

C310nF Q1

Q2Q3

-15V

VCC

15V

VCC

VEE

65

4

321

8

7Input

Output

图2-5 IGBT 驱动电路

IGBT 是一个三端器件，具有栅极G 、集电极C 和发射极E 。由图4可看出，IGBT 是用双极型晶体管与MOSFET 组成的达林顿管结构，相当于MOSFET 驱动的厚基层PNP 晶体管。 IGBT 是一种场控器件，其开通和关断是由栅极和发射机间的电压决定。该电压大于开启电压时，MOSFET 内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT 导通。当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET 内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT 关断。

本系统驱动电路为IGBT 光电隔离门极驱动电路，如图5所示。为使IGBT 工作稳定，驱动电路按要求使用+15V 和—15V 正、反偏压的双电源供电。为使驱动电路与信号电路隔离，采用抗噪能力强、响应快的光耦合器件。输入信号通过U3光耦合器件引入驱动电路，然后通过推拉式的电路，向IGBT 集电极提供电流。由于IGBT 的转移特性，当其集电极电流增加到一定值时，其栅射电压就会突然上升，这样，IGBT 就导通了。集电极电流下降到一定值或被撤除时，栅射电压不足，IGBT 又断开。

在信号电路发出信号时，驱动电路的光耦器件U3被驱动，驱动电路被接通，向IGBT 集电极提供电流，IGBT 就导通了。光耦器件恢复，驱动电流提供的基极电流被切断，IGBT 就关断。

2.2.3 主电路