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
IGBT
D 3
S1
M
Input
3
2
脉冲信号
图2-6 主电路
主电路是一个基于IGBT 降压直流斩波电路，可通过IGBT 的通断，控制电机两端电压的变化，从而达到直流调速的目的。

如图6所示。

本电路选取的 IGBT 型号为IRG4IBC30S ，参数为VCES=600V ，VCE(on)typ.= 1.4V ，VGE = 15V ，IC = 18A ，属于N 型IGBT 。

图2-7 降压斩波电路
图7为跟主电路一样的降压斩波电路的电路图，当t=0
时，IGBT （即图中的V ）的发射机E 和栅极G 上达到启动电压而导通，电源E 向负载供电，U0=E ，I0按指数规律上升; t=t1时，IGBT 关断，I0经VD 续流，U0近似为零，I0呈指数规律下降。

其中，电感L 的作用是使I0连续且脉动小。

降压斩波电路工作波形如图2-8 所示。

电流连续时，负载电压平均值
其中，a ——导通占空比，简称占空比或导通比。

U0最大为E ，减小a ，U0随之减小。

图2-8 降压斩波电路工作波形
通过IGBT通断时间控制，占空比改变了，再经过降压斩波，直流电机的电枢电压也得到可调节相应改变，从而直流电机的转速也就得到了调节。

2.2.4 总电路图
U 1T L49412345678
9
10111
213141516IGBT
U 3
R 11kΩ
R 21kΩ
R 31kΩ
C1100nF
R 45kΩKe y=A
50%R 5
5kΩ
Ke y=A 50%
R 6200Ω
R 720Ω
R 92kΩR 102kΩ
C2
10nF
C310nF
Q1
Q2Q3
D 1
D 2
D 3
R 11200Ω
S1
M
3
5
241
76
810
9
1113
14VCC
15V
1216
15
17
19
Input
-15V
VCC
VCC
15V
VCC 0
图2-9 基于IGBT 直流斩波直流电机调速系统总电路图
3 电路调试
电路调试对电路设计来说有着至关重要的作用，通过调试可以发现电路中各种在表面上看不出的问题，可帮助我们改良电路使其能够更好地工作。

3.1 信号发生电路的调试
按图1接好电路，Vcc 端接+15V 电源，根据TL494输出信号频率的计算公式：
调节6号脚的电阻R5，通过示波器观测输出端，使其频率等于5.7KHz 。

改变5号脚电容的值也可以改变频率，试用电阻调节明显更加方便。

调节电位器R4可以改变输出方波的占空比，范围是10%--90%。

3.2 驱动电路的调试
由于控制IGBT 通断需要的电压较大，用芯片TL494直接驱动是不行的。

为了确保IGBT 能够正常通断，设计它的导通和关断电压分别为+15V 和-15V 。

驱动电路如图4所示，信号通过光电耦合器进入到电路中，Q2和Q3分别输出-15V 和+15V 的电压。

3.3 完整电路调试
当信号发生电路和驱动电路都没有问题时，便可以把电路全都连接起来。

斩波电路的输入端接220V的直流，另一端接电机，电机的励磁绕组接220V直流。

接好电路后就可以一边调节信号方波的占空比一边观察电机转速的变化。

通过观察得到下表数据：
表3-1
占空比
10 20 30 40 50 60 70 80 90
(%)
转速
162.2 334.6 470.9 621.7 748.9 887.3 1046 1194 1360
(n/min)
4结论
现在，直流斩波器广泛应用于生产、生活等实际情况当中，从中国大面积，多人口，低技术，少能源等国情出发，大力发展直流电技术，结合电力电子技术，这对改善我国科技现状水平，提高经济效益将起着重要作用。

电力投资的持续增长，因此直流斩波器在电力电子行业有着巨大的发展潜力，它的传统领域和新领域节前景非常广阔直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。

励磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速时受到磁饱和限制，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，所以这种控制方法用得很少。

大多数应用场合都使用电枢电压控制法。

随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中，直流斩波便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。

直流斩波调速控制的基本原理是按一个固定频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内接通和断开的时间比(占空比)来改变直流电机电枢上电压的"占空比"，从而改变平均电压，控制电机的转速。

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，即可控制电机转速。

而且采用直流斩波技术构成的无级调速系统．启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。

心得体会
做电力电子课程设计，使我实在受益匪浅。

一开始，接触这个课题时我还不知道应该从何下手，很多东西不知道应该如何实现。

在图书馆、专业课书和网上查资料，请教同学，再经过1个星期的努力，设计的基于IGBT的斩波直流调速系统终于完成了。

通过这次设计加深了我对电力电子技术这门课程的了解，特别是直流斩波技术这一部分，以前总是觉得理论结合不了实际，但通过这次设计使我认识到了理论结合实际的重要性。

但由于我知识的限制，设计还有很多不足之处，希望老师指出并教导。

在设计过程中，对电路图的研究，也增强了我们的思考能力；在使用软件绘制电路图的过程中，学到了很多实用的技巧；在对课题研究和资料查阅时，也开阔了我们的视野，了解了不少电力电子、电机拖动相关的知识。

从开始任务到查找资料，到设计电路图，到最后的实际接线过程中，我们更深入地了解了电力电子技术，学到了课堂上学习不到的知识，如脉冲调制控制器的原理、IGBT的驱动电路等等。

课程设计是培养学生综合运用所学知识和实践能力,使课堂理论知识与实际运用相结合的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。

很感激学校给了我们这次动手实践的机会，让我们学生有了一个共同学习，增长见识，开拓视野的机会，也感谢老师对我们的指导，我会以这次课程设计作为对自己的激励，继续努力学习。

辽宁工程技术大学
参考文献
1 电力电子技术第5版王兆安刘进军主编机械工业出版社
2 电机拖动自动控制系统第3版陈伯时主编机械工业出版社
3 电机与拖动第二版唐介主编高等教育出版社
11。