直流電動機PWM控制系統(tǒng)設計 摘要 直流電機由于具有速度控制容易，啟、制動性能良好，且在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點而在冶金、機械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應用。直流電動機轉速的控制方法可分為兩類，即勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時受到磁飽和的限制，高速時受到換向火花和換向器結構強度的限制;而且由于勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。調(diào)節(jié)電阻R即可改變端電壓，達到調(diào)速目的。但這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速方法效率低。隨著電力電子技術的進步，發(fā)展了許多新的電樞電壓控制方法，其中PWM(脈寬調(diào)制)是常用的一種調(diào)速方法。其基本原理是用改變電機電樞(定子)電壓的接通和斷開的時間比(占空比)來控制馬達的速度，在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當電機通電時，其速度增加；電機斷電時，其速度減低。脈沖寬度調(diào)制PWM(Pulse Width Modulation),就是指保持開關周期T不變，調(diào)節(jié)開關導通時間t對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術。PWM控制技術以其控制簡單,靈活和動態(tài)響應好的優(yōu)點而成為電力電子技術等領域最廣泛應用的控制方式。本文利用SG1525集成PWM控制器設計了一個基于PWM控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用了電流轉速雙閉環(huán)控制，并且設計了完善的保護措施，既保障了系統(tǒng)的可靠運行，又使系統(tǒng)具有較高的動、靜態(tài)性能。 只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間，即可使電機的速度達到并保持以穩(wěn)定值。最近幾年來，隨著微電子技術和計算機技術的發(fā)展及單片機的廣泛應用，使調(diào)速裝置向集成化、小型化和智能化方向發(fā)展。 本電機調(diào)速系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制方式，與晶閘管調(diào)速相比技術先進可減少對電源的污染。為使整個系統(tǒng)能正常安全地運行, 過流、過載、過壓、欠壓保護電路, 另外還有過壓吸收電路。確保了系統(tǒng)可靠運行。關鍵詞：脈沖寬度調(diào)制,開關,直流調(diào)速系統(tǒng),雙閉環(huán)控制1系統(tǒng)內(nèi)容簡介 直流電機由于具有速度控制容易，啟、制動性能良好，且在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點而在冶金、機械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應用。直流電動機轉速的控制方法可分為兩類，即勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時受到磁飽和的限制，高速時受到換向火花和換向器結構強度的限制;而且由于勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。調(diào)節(jié)電阻R即可改變端電壓，達到調(diào)速目的。但這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速方法效率低。隨著電力電子技術的進步，發(fā)展了許多新的電樞電壓控制方法，其中PWM(脈寬調(diào)制)是常用的一種調(diào)速方法。其基本原理是用改變電機電樞(定子)電壓的接通和斷開的時間比(占空比)來控制馬達的速度，在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當電機通電時，其速度增加；電機斷電時，其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間，即可使電機的速度達到并保持一穩(wěn)定值。利用數(shù)字輸出對模擬電路進行控制的一種有效技術，尤其是在對電機的轉速控制方面，可大大節(jié)省能量。 PWM 具有很強的抗噪性，且有節(jié)約空間、比較經(jīng)濟等特點。模擬控制電路有以下缺陷:模擬電路容易隨時間漂移，會產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以及對噪聲敏感等。而在用了PWM技術后，避免了以上的缺陷，實現(xiàn)了用數(shù)字方式來控制模擬信號，可以大幅度降低成本和功耗。 1.1 PWM調(diào)速方案的優(yōu)越性 自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器直流電機調(diào)速系統(tǒng)，PWM的H型屬于調(diào)壓調(diào)速，PWM的H橋能實現(xiàn)大功率調(diào)速；國內(nèi)的超大功率調(diào)速還要依靠可控硅實現(xiàn)可控整流來實現(xiàn)直流電機的調(diào)壓調(diào)速。本設計采用直流極式控制的橋式PWM變換器。與V-M系統(tǒng)相比在很多方面有較大的優(yōu)越性：1）主電路線路簡單，需用的功率器件少。2）開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電極損耗及發(fā)熱都較小。3）低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，調(diào)速范圍寬，可達1:20000左右。4）若是與快速響應的電機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗干擾能力強。5）功率開關器件工作在開關狀態(tài)，通道損耗小，當開關頻率適中時，關損耗也不大，因而裝置效率高。6）直流電機采用不控整流時，電網(wǎng)功率因素比相控整流器高。由于由以上優(yōu)點直流PWM系統(tǒng)應用日益廣泛，特別在中、小容量的高動態(tài)性能中。已完全取代了V-M系統(tǒng)。為達到更好的機械特性要求，一般直流電動機都是在閉環(huán)控制下運行。經(jīng)常采用的閉環(huán)系統(tǒng)有轉速負反饋和電流截至負反饋。 1.2、直流電機PWM調(diào)速基本原理 PWM方式是在大功率開關晶體管的基極上，加上脈沖寬度可調(diào)的方波電壓，控制開關管的導通時間t，改變占空比，達到控制目的。圖1是直流PWM系統(tǒng)原理框圖。這是一個雙閉環(huán)系統(tǒng)，有電流環(huán)和速度環(huán)。在此系統(tǒng)中有兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級連接，即以轉速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出作為PWM的控制電壓。核心部分是脈沖功率放大器和脈寬調(diào)制器?？刂撇糠植捎肧G1525（脈寬調(diào)制芯片SG1525具有欠壓鎖定、故障關閉和軟起動等功能,因而在中小功率電源和電機調(diào)速等方面應用較廣泛。SG1525是電壓型控制芯片,利用電壓反饋的方法控制PWM信號的占空比,整個電路成為雙極點系統(tǒng)的控制問題,簡化了補償網(wǎng)絡的設計。）集成控制器產(chǎn)生兩路互補的PWM脈沖波形，通過調(diào)節(jié)這兩路波形的寬度來控制H電路中的GTR通斷時間，便能夠實現(xiàn)對電機速度的控制。為了獲得良好的動、靜態(tài)品質，調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器并對系統(tǒng)進行了校正。檢測部分中，采用了霍爾片式電流檢測裝置對電流環(huán)進行檢測，轉速還則是采用了測速電機進行檢測，能達到比較理想的檢測效果。 2.系統(tǒng)概述2.1 系統(tǒng)構成 本系統(tǒng)主要有信號發(fā)生電路、PWM速度控制電路、電機驅動電路等幾部分組成。整9 個系統(tǒng)上采用了轉速、電流雙閉環(huán)控制結構，如圖1所示。在系統(tǒng)中設置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級連接，即以轉速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出作為PWM的控制電壓。從閉環(huán)反饋結構上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，是內(nèi)環(huán)，按典型型系統(tǒng)設計；轉速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，成為外環(huán)，按典型型系統(tǒng)設計。為了獲得良好的動、靜態(tài)品質，調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器并對系統(tǒng)進行了校正。檢測部分中，采用了霍爾片式電流檢測裝置對電流環(huán)進行檢測，轉速還則是采用了測速電機進行檢測，達到了比較理想的檢測效果。主電路部分采用了以GTR為可控開關元件、H橋電路為功率放大電路所構成的電路結構。 PWM方式是在大功率開關晶體管的基極上，加上脈沖寬度可調(diào)的方波電壓，控制開關管的導通時間t，改變占空比，達到控制目的。圖1是直流PWM系統(tǒng)原理框圖。這是一個雙閉環(huán)系統(tǒng)，有電流環(huán)和速度環(huán)。核心部分是脈沖功率放大器和脈寬調(diào)制器?？刂撇糠植捎肧G1525集成控制器產(chǎn)生兩路互補的PWM脈沖波形，通過調(diào)節(jié)這兩路波形的寬度來控制H電路中的GTR通斷時間，便能夠實現(xiàn)對電機速度的控制。圖1 直流電動機PWM系統(tǒng)原理圖圖2 控制電路的原理圖 圖2為控制電路的原理圖。圖中，V為大功率晶體管，C1、R1、VD1為過電壓吸收電路。由SG1525集成PWM控制器產(chǎn)生的PWM信號，經(jīng)驅動電路隔離放大后，驅動晶體管。輸出的PWM電壓平均值按下式變化，其中的值由SG1525定頻調(diào)寬法，即T1+T2=T保持一定，使T1在0T范圍內(nèi)變化來調(diào)節(jié)。 系統(tǒng)的直流主回路電源VD，經(jīng)三相橋式不可控整流濾波電路供電。當被流電機的額定功率較小時，VD 也可由單相橋式不可控整流濾波電路供電。系統(tǒng)由主開關器件V的PWM 斬波渡控制，在電感L左端形成主控回路的PWM脈寬可調(diào)控電壓Ua ，Ua 再經(jīng) LC濾波得到直流電機兩端的平直直流電壓Va PWM驅動裝置是利用大功率晶體管的開關特性來調(diào)制固定電壓的直流電源，按一個固定的頻率來接通和斷開，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”與“斷開”時間的長短，通過改變11直流伺服電動機電樞上電壓的“占比空”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉速。因此，這種裝置又稱為“開關驅動裝置”。 2.2直流電動機的脈寬調(diào)制的工作原理 直流無刷電機由電動機、轉子位置傳感器和電子開關線路三部分組成。直流電源通過開關線路向電動機定子繞組供電，電動機轉子位置由位置傳感器檢測并提供信號去觸發(fā)開關線路中的功率開關元件使之導通或截止，從而控制電動機的轉動。在應用實例中，磁極旋轉，電樞靜止，電樞繞組里的電流換向借助于位置傳感器和電子開關電路來實現(xiàn)。電機的電樞繞組作成三相，轉子由永磁材料制成，與轉子軸相連的位置傳感器采用霍爾傳感器。3600范圍內(nèi)，兩兩相差1200安裝，共安裝三個。為了提高電機的特性，電機采用二相導通星形三相六狀態(tài)的工作方式。開關電路采用三相橋式接線方式。 PWM驅動裝置是利用大功率晶體管的開關特性來調(diào)制固定電壓的直流電源，按一個固定的頻率來接通和斷開，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”與“斷開”時間的長短，通過改變直流伺服電動機電樞上電壓的“占比空”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉速。因此，這種裝置又稱為“開關驅動裝置”。 PWM控制的示意圖如圖2所示，可控開關S以一定的時間間隔重復地接通和斷開，當S接通時，供電電源US通過開關S施加到電動機兩端，電源向電機提供能量，電動機儲能；當開關S斷開時，中斷了供電電源US向電動機電流繼續(xù)流通。圖3 PWM控制示意圖 電壓平均值Uas可用下式表示： Uas= tonUs/T=Us （1-1）式中，ton為開關每次接通的時間，T為開關通斷的工作周期，（即開關接通時間ton和關12 斷時間toff之和），為占空比，= ton/T。 由式（1-1）可見，改變開關接通時間ton和開關周期T的比例也即改變脈沖的占空比，電動機兩端電壓的平均值也隨之改變，因而電動機轉速得到了控制。23 主回路 在系統(tǒng)主電路部分，采用的是以大功率GTR為開關元件、H橋電路為功率放大電路所構成的電路結構。如圖2所示。圖中，四只GTR分為兩組，1VT和4VT為一組，2VT和3VT為另一組。同一組中的兩只GTR同時導通，同時關斷，且兩組晶體管之間可以是交替的導通和關斷。欲使電動機M向正方向轉動，則要求控制電壓kU為正，各三極管基極電壓波形如圖3所示。欲使電動機反轉，則使控制電壓kU為負即可2。GTR是一種雙極性大功率高反壓晶體管，它大多用作功率開關使用,而且 GTR是一種具有自關斷能力的全控型電力半導體器件，這一特性可以使各類變流電路的控制更加方便和靈活，線路結構大為簡化。圖4雙極式H型PWM變換電路圖5 雙極式PWM變換電路的電壓、電流波形 （a）,(b) 三極管基極電壓波形(c) 電樞電壓波形（d）電樞電流波形(e) 重負載時ai波形(f) E>SU時ai波形 設矩形波的周期為T，正向脈沖寬度為1t，并設=1t/T為占空比。則電樞電壓U的平均值avU=（2-1）SU=（21t/T-1）SU，并定義雙極性雙極式脈寬放大器的負載電壓系數(shù)為 =avU/SU=21t/T-1即 avU=SU可見，可在-1到+1之間變化。 雙極式PWM變換器的優(yōu)點：1、電流一定連續(xù)；2、可使電機在四象限中運行；3、電動機停止時有微振電流，能消除正、反向時的靜摩擦死區(qū)；4、低速時，每個晶體管的驅動脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導通；5、低速平穩(wěn)性好，低速范圍可達20000左右。a).正向電動運行波形 b).反向電動運行波形3單元電路設計 31 轉速、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)電路311電路原理 在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中設置了兩個調(diào)節(jié)器，轉速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，電流調(diào)節(jié)器的輸出控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。電流調(diào)節(jié)器在里面稱作內(nèi)環(huán)，轉速調(diào)節(jié)器在外面稱作外環(huán)，這樣就形成轉速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖7所示。檢測部分中，采用了霍爾片式電流檢測裝置對電流環(huán)進行檢測，轉速 15 則是采用了測速電機進行檢測。 為了獲得良好的靜、動態(tài)性能，轉速和電流兩個調(diào)節(jié)器都采用PI 調(diào)節(jié)器。PI調(diào)節(jié)器的輸出由兩部分組成，第一部分是比例部分，第二部分是積分部分。把比例運算電路和積分電路組合起來就構成了比例積分調(diào)節(jié)器，如圖6所示?？芍猆O=-I1R1-R0C1 1 Uidt I1=I0=Ui/R0 U0=-R1Ui/R0- R0C1/1Uidt 當突加輸入信號Ui時，開始瞬間電容C1相當于短路，反饋回路中只有電阻R1，此時相當于比例調(diào)節(jié)器，它可以毫無延遲地起調(diào)節(jié)作用，故調(diào)節(jié)速度快；而后隨著電容C1被充電而開始積分，U0線性增長，直到穩(wěn)態(tài)。圖6 PI調(diào)節(jié)器電路 轉速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導調(diào)節(jié)器，它使轉速跟隨其給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時實現(xiàn)轉速無靜差，對負載變化起抗擾作用，其輸出限幅值決定電機允許的最大電流。電流調(diào)節(jié)器使電流緊緊跟隨其給定電壓變化，對電網(wǎng)電壓的波動起及時抗擾作用，在轉速動態(tài)過程中能夠獲得電動機允許的最大電流，從而加快動態(tài)過程，當電機過載甚至堵轉時，限制電樞電流的最大值，起快速的自動保護作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動恢復正常。 圖7轉速、電流調(diào)節(jié)電路圖 ASR轉速調(diào)節(jié)器ACR電流調(diào)節(jié)器GT觸發(fā)裝置M 直流電動機TG測速發(fā)電機TA電流互感器UPE-電力電子變換器Un*-轉速給定電壓Un-轉速反饋電壓Ui*-電流給電壓Ui-電流反饋電壓 圖中，來自速度給定電位器給定的信號Un*與速度反饋信號Un比較后，偏差為Un= Un*-Un，送到速度調(diào)節(jié)器ASR的輸入端。速度調(diào)節(jié)器的輸出Ui*作為電流調(diào)節(jié)器ACR的給定信號，與電流反饋信號Ui比較后，偏差為Un= Ui*-Ui，送到電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入端，電流調(diào)節(jié)器的輸出Uct送到觸發(fā)器，以控制可控整流器，整流器為電動機提供直流電壓Ud.。 3.2 PWM驅動裝置控制電路 PWM kHz圖6為PWM驅動裝置控制電路框圖。該控制電路包括恒頻波形發(fā)生器、脈寬調(diào)制器、脈沖分配電路等脈寬調(diào)速系統(tǒng)所特有的電路。圖8 PWM驅動裝置控制電路框圖 321恒頻波形發(fā)生器 它的作用是產(chǎn)生頻率恒定的振蕩信號作為時間比較的基準，其波形可以是三角形波或鋸齒波。PWM波由具有輸出的PWM控制器產(chǎn)生。 3.2.2脈寬調(diào)制器 SG1525為單片脈寬調(diào)制型控制器芯片，具有輸出5.1V 的基準穩(wěn)壓電源，誤差放大器、振蕩頻率在100 400kHz范圍內(nèi)的鋸齒波振蕩器、軟啟動電路、關閉電路、脈寬調(diào)制比較器、RS寄存器以及保護電路等。它解決了PWM電路的集成化問題，在實例中用此芯片來實現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)速。在具體的電路中，首先對位置傳感器信號進行整形，形成所需要的前后沿很陡，具有一定寬度的波形。經(jīng)微分電路微分，產(chǎn)生的微分脈沖去觸發(fā)時基電路LM555，形成占空比為2:1的方波，方波頻率約為200Hzo 此方波頻率計算公式為:f= n * p/ 60式中Y1為電機的額定轉速r/min, f為位置傳感器輸出信號的頻率、P為電機的極對數(shù)。方波經(jīng)濾波器濾波后，形成直流電壓送人脈寬調(diào)制器，與脈寬調(diào)制器的反饋電壓進行比較，利用得到的誤差信號去控制脈寬調(diào)制器輸出的調(diào)制方波脈沖的寬度變化，即PWM輸出脈沖占空比的變化，利用占空比的變化調(diào)整加在電機電樞繞組上的電壓，改變電壓隨即改變電機電流，轉速依據(jù)電流的大小來改變。 結束語：在應用實例中，PWM對調(diào)速系統(tǒng)來說，有如下優(yōu)點:系統(tǒng)的響應速度和穩(wěn)定精度等指標比較好;電樞電流的脈動量小，容易連續(xù)，而且可以不必外加濾波電抗也可以平穩(wěn)工作;系統(tǒng)的調(diào)速范圍寬;使用元件少、線路簡單。 它的作用是實現(xiàn)電壓、脈寬的轉換（V/M），即形成PWM信號。SG1525集成控制器由R2 和Rp1分壓給出EA(+)(2引腳)的系統(tǒng)設定值電壓。這就要求提供此電壓的基準電源VREF有較高精度。VREF受15引腳VCC1電源電壓的影響。VCC1是標準三端集成穩(wěn)壓器的輸入電壓。VREF是穩(wěn)壓器的輸出電壓 Vcc。低于7V或嚴重欠電壓時，VREF的精度值(51V1% )就得不到保證；為防止EA(+)設定值電壓波動導致系統(tǒng)失控，在器件內(nèi)部設置有欠壓鎖定功能。出現(xiàn)欠電壓時，欠電壓鎖定功能使圖7中 A 端線由低電壓上升為邏輯高電壓經(jīng)“或”一“或非”門輸出轉化為P1= P2=DCBA=DCB1；P1 =2P=1；P1 和P2的邏輯低電壓使輸出驅動晶體管T1和T2 截止，P1和P2的邏輯高電壓使晶體管T和T的集電極對地導通?？刂破?1 和l4引腳的輸出電壓脈沖消失( V01=V02 = 0)，功率驅動電路輸出至主開關管V的控制驅動脈沖消失，主開關管關斷使直流電機停轉。 欠電壓使A端線高電壓傳遞到T3晶體管基極，T3導通為8引腳外接電容C3，提供放電的徑C3經(jīng)T3發(fā)射極電阻放電為零電壓后，限制了比較器C的PWM 脈沖電壓輸出 ，該脈沖電壓上升為恒定的邏輯高電壓。 PWM 高電壓經(jīng) PWM 鎖存器輸出到D端線仍為恒定的邏輯高壓，C3 電容重新充電之前，D端線的高電壓不會發(fā)生變化。D與 A同為高電壓雙重封鎖V01和V02為零出欠電壓消失后，欠電壓鎖定功能使A恢復低電壓正常值，A的低電壓使管恢復截止。C3電容由50A 電流源緩慢充電。C3充電對PWM 和D端線脈沖寬度產(chǎn)生影響。同時對V01和V02產(chǎn)生影響，其結果是使V01和V02脈沖由窄緩慢變寬。只有C3充電結束后V01和V02脈沖寬度才不再受C3充電的影響。參見圖8和圖9。圖9 SG1525集成PWM控制器的內(nèi)部結構圖 由于V01和V02脈沖寬度受C3充電影響緩慢加寬，欠電壓消失后的功率驅動脈沖也是由窄變寬的，主開關管斬波輸出的直流電壓Va呈現(xiàn)出由小變大的趨勢，而不是躍變?yōu)槟骋还潭ㄖ惦妷骸＿@種軟啟動方式，使系統(tǒng)主回路電機及開關器件避免承受過大的沖擊渲涌電流。C3 一般選用幾微法的電解電容器. 3.2.3系統(tǒng)的故障關閉功能 為便于從直流電機主回路接受檢測到的故障信號，例如，電機過電流，過電壓，VD直流失壓等故障信號，集成控制器內(nèi)部T3晶體管基極經(jīng)-50k13電阻連接1引腳。外部故障信號使Va穩(wěn)壓管導通時，穩(wěn)壓管導通電流在R6兩端產(chǎn)生邏輯高電壓，此邏輯高電壓使T3管基極上升為邏輯高電壓。由于T3基極與 A端線相連，故障信號產(chǎn)生的關閉過程與欠電壓鎖定過程類似。即使P1 =P2=0，T1和T2晶體管截止；P1=2P=1， T2T導通。V01=V02=0；關閉驅動脈沖使主開關管V關斷，Va =0，電機停轉。另外，故障信號使，導通提供8引腳腳C3電容的放電路徑，C3放電到零電壓為軟啟動作好準備。故障消除后T3截止,C3由電流源緩慢充電，V01和V02脈沖由窄變寬，由低值逐漸升高到某固定值，電機在不承受過大啟動電流的狀態(tài)下平穩(wěn)上升到某固定轉速。3.2.4系統(tǒng)波形與控制方式分析 系統(tǒng)控制器輸出的控制脈沖電壓V01和V02 (11和14腳)的上跳時間，由一個鋸齒波電壓V+的谷點時刻確定。即V01和V02總是在鋸齒渡電壓V+取最小值時，由邏輯低電平上跳為邏輯高電平(圖3)。為保證V01和V02不同時出現(xiàn)邏輯高電壓 (每間隔一個鋸齒波出現(xiàn)一次)，Vo1和Vo2的頻率設置為鋸齒波電壓頻率的二分之一。圖2中，F(xiàn)F 觸發(fā)器在CP脈沖控帝葺下輸出Q和Q兩個二分頻計數(shù)脈沖分別至不同或一或非門口B輸入端，即可達到上述頻率設置的目地。CP脈沖出現(xiàn)的時刻與鋸齒波峰點對齊，CP后沿下跳時刻與谷點對齊，這樣可保證CP與鋸齒渡的同步同頻率變化。CP與鋸齒波V+的同步同頻率設置功能，由OSC振蕩器完成。CP實際是由雙門限比較器將鋸齒波電壓整形后的。OSC輸出波形參見圖3。 Vo1和Vo2脈沖的后沿下跳時刻由鋸齒渡V+ 的上升沿區(qū)間和V一電壓的交點確定，當V +上升到V+V-的臨界對應時刻時，Vo1或Vo2脈沖由邏輯高電平跳變?yōu)檫壿嫷碗娖健Ｕ`差放大器 EA的輸出電壓V-，可由2引腳設定電位器Rp1調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)Rp1使V-等于V+的谷點電壓時，Vo1和Vo2的脈寬縮減為零，Vo1= Vo2=0；調(diào)節(jié)RP1使V-等于V+的蜂點電壓時，Vo1和Vo2的脈寬達到最大值。由于V-電壓由V+的谷點到峰點電壓調(diào)節(jié)時，和V +交點在鋸齒波上升沿移動所對應的時間為t1，Vo1 和Vo2的最大脈沖寬度也為t1。V+ 與V-的交點比較功能由C比較器(圖2)完成，當V+V-，C比較器輸出的PWM 渡形由邏輯低電平變?yōu)楦唠娖?；V+V-時(V+下降沿交點)，C比較器輸出PWM波由邏輯高電平變?yōu)榈碗娖?，為保證PWM波寬不致于太窄，用PWM鎖存器鎖存高電平值，并在CP脈沖下跳時對鎖存器清零。以進行下一個比較點的鎖存。經(jīng)PWM鎖存器輸出到“或”一“或非”門C輸入端的脈沖最小寬度與CP同寬。集成控制器與系統(tǒng)工作波形圖見3。系統(tǒng)的自動 調(diào)節(jié)過程分析如下： 圖10 SG1525各點波形與PWM斬波調(diào)壓波形 調(diào)節(jié)電位器RP1使誤差放大器輸出一固定的V-電壓在V+的谷點和V-與V+交點對應的區(qū)間內(nèi)有固定的Vo1 +Vo2脈沖(11和14腳并接獲Vo1+Vo2)輸出到功率驅動電路，主開關管V以某固定脈寬斬波輸出Ua，濾波輸由RP1調(diào)節(jié)確定的直流電壓Va值到直流電機，電機保持其穩(wěn)定轉速運行。當電機因某種擾動固察使轉速發(fā)生變化時，例如，負載變化使轉速下降，則由系統(tǒng)檢測反饋的Vf電壓值跟隨下降，Vf經(jīng)R3及串聯(lián)二極管(此二極管可防止調(diào)試系統(tǒng)時正負極接反形成正反饋)使誤差放大器EA(-)反相輸入端電位下降，誤差電壓E=EA(+)-EA(-)增大(方向由EA(+)指向EA(-)，誤差放大器對E的比例積分運算(EA誤差放大器的輸出9引腳和反相輸入引腳間接有 R4、C2構成的比例積分反饋網(wǎng)絡)輸出電壓V-值上升，V-的上升使V +V-的交點時刻(鋸齒披上升沿交點)后移。Vo1+Vo2和U。脈沖寬度均變寬，Ua的濾波平均值電壓Va按比例積分規(guī)律增大, Va增大使電機轉速回升，當電機轉速回升到Rp1設定值EA(+)所對應的穩(wěn)定狀態(tài)時，E調(diào)節(jié)為零，V-停止比例積分變化，系統(tǒng)進入新和穩(wěn)態(tài)運行。3.2.5 脈沖分配電路 在可逆PWM變換器中，上、下兩個晶體管經(jīng)常交替工作，如圖10所示。由于晶體管存在關斷時間，因此有可能能造成在一個晶體管未完全關斷時，另一個晶體管已導通，從而使電源短路。為了避免這種情況發(fā)生，根據(jù)功率轉換電路的工作要求，設置了大功率晶體管的導通次序，即脈沖分配電路，使大；功率晶體管能按照指定的順序導通。 在圖11中，晶體管V1、V4是同時關斷的，V2、V3也是同時導通同時關斷的，但V1與V2、V3與V4都不允許同時導通，否則電源Ud直通短路。設V1、V4先同時導通T1秒后同時關斷，間隔一定時間之后，再使V2、V3同時導通T2秒后同時關斷，如此反復，則電動機電樞端電壓波形如圖11（b）所示。圖11脈沖分配電路電動機電樞端電壓的平均值為Ua= UdT TUdTTTT)11 2(2121=（2-1）Ud 由于01，Ua值的范圍是-UdUd，因而電動機可以在正反兩個方向調(diào)速運轉。3.2.6基極驅動電路 系統(tǒng)采用的功率驅動電路取決于主開關管V的器件類別。用不同類別的主開關其功率驅動電路也不同。本系統(tǒng)采用BJT功率晶體管的驅動電路。圖2是驅動 BJT功率晶體管的一種用的雙電源光電耦合驅動電路，其工作原理如下。 Vo1+Vo2為邏輯低電平時，T4晶體管止集電極輸出高電平至T3基極，穩(wěn)壓管W與T3均導通，使集電極為低電平。一般可設計T3集電極低電平為負值，例如，設計Vca=Vw+VCESa-VCC=2.6V，受VC3負位制約；BJT基極電位(A點)為VC3+VEB2=-2V(此時T1管VBE1-VEB2=O6V反偏電壓截止)。BJT發(fā)射極連于電容C的聯(lián)交點B，可獲得直流懸浮零電位VB(VCCVc)=0( Vc=2Vcc C CC )。該直流懸浮零電位使 BJT基極發(fā)射極間有2V的反向偏置電壓，以保證BJT的可靠關斷。因BJT發(fā)極與電感L相連，電容C還有效隔斷驅動路和L強電電路的直流電聯(lián)系。 Vo1+Vo2為高電平時，T4導通，T3和穩(wěn)壓管關斷，Vcc經(jīng)R3和T1管基極、發(fā)射極向BJ提供基極開通電流，T2管承受VBE1=-VEB2反壓截止。R1限制BJT導通基流的大小。R2在BJT關斷瞬間，限制電容C經(jīng)BJT發(fā)射極、基極，T2發(fā)射極、集電極，負電源回路的反向恢復電流峰值。 調(diào)試圖2中的 R5，可改變Vo1+Vo2脈沖的幅值，以適應輸入光電耦合電路的參敬定額要求。圖12電路的適應性較強也可用于IGBT絕緣柵雙極晶體管的功率驅動電路。圖12 基極驅動電路3.3、相關數(shù)據(jù)分析該系統(tǒng)調(diào)速精度與調(diào)速范圍要求不高。本系統(tǒng)采用三相 (1)CT,RT，RD的選取 SG1525集成控制器可輸出01400kHz的脈沖頻率，對應CT= 00010.1F，RT=2 150k取值。一般對于BJT和GTo器件可取f=1kHz以下，IGBT器件取f= 10kHz左右。f與CT,RT，RD的關系用下式確定。 f=l(t1+ t2)=1(067R1CTR1+1.3RDCT) 例如f= lkHz，T= 0001s，取定t= 002s，t2=016s，可算得Ce=0.122Vmin/r時RT與RD分別為RT = t1067Ct0.00090670011061= 134kRD=t213CT= 0000113001610 =77kt2一般應取遠小于t1的值,否則影響脈沖占空比(t1(t1+ t2)和斬波效率。此處的占空比最大值為00009(00001+00009)=0.9。（2）R2和RP1的選取 VREF(16腳)輸出的最大電流為50mA，一般在40mA 以下取值。若取定IREF=15mA變化，RP1設為零值時可算得R2為R2= VREFIREF=51V5mA=lkRP1設置為最大值時可算得RP1+ R2= VREFIREF=5.1VlmA =5.1kRP1 = 41k（3）其它引腳器件的確定 R5電阻的選取要用調(diào)試方法確定，一般選取一個可調(diào)電位器Rw和一個固定的R串聯(lián)組成Rs=Rw+R 的結構。當Rw調(diào)為零時，R的大小要足以限制功率驅動電路的輸入電流不 超過允許值。例如，功率驅動電路要求Vo1+Vo2=3V驅動輸入電流最大允許值為50mA，忽略圖2中Tt或T2導通壓降最小值(sat)，可算得R5電阻應為R5=(Vcc1-Vo)Io= (1 5V50mA = 024k. 可選取R5=300,略大于計算值的電阻。由于R5上有較大的電流，還要注意其瓦數(shù)的選擇此處可選PR5(Vcc1-Vo)Io = 0.6W。 總結 該系統(tǒng)調(diào)速精度與調(diào)速范圍要求不是很高，但與傳統(tǒng)的晶閘管可控調(diào)速系統(tǒng)相比，它具有調(diào)速范圍寬、快速性能好、功率因數(shù)高、結構簡單等優(yōu)點，使之以廣泛應用于各行各業(yè)的直流調(diào)速系統(tǒng)當中。本系統(tǒng)采用了脈寬調(diào)制器SG1525來完成，它解決了PWM電路的集成化問題，在實例中就可用此芯片來實現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)速。 經(jīng)過的努力，終于圓滿的完成了本課程設計。通過親身體驗做課程設計的目的，在于通過理論與實際的結合，進一步提高我們觀察、分析和解決問題的實際工作能力。大三了，馬上就要面對社會開始工作，理論的學習我們或許已經(jīng)掌握的很好，但實際的工作能力就是有待提高的了， 通過本次設計以便積累一些經(jīng)驗對我們來說肯定是很有利的。參考文獻1黃俊，王兆安電力電子技術（第4版）北京：機械工業(yè)出版社，2000 2趙良炳.現(xiàn)代電力電子技術基礎.北京：清華大學出版社，1995 27 3張立，趙永健.現(xiàn)代電力電子技術.北京：科學出版社,1992 4王志良.電力電子新器件及其應用技術.北京：國防工業(yè)出版社，1995（來源于Internet ）5張東立.直流拖動系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社，1996 6孔凡才.自動控制原理與系統(tǒng)（第三版）.北京：機械工業(yè)出版社，2007 7吳守箴等.電氣傳動的脈寬調(diào)制控制技術.北京：機械工業(yè)出版社，1995 （來源于Internet ）8陳伯時。電力拖動自動控制系統(tǒng)（第3版）。機械工業(yè)出版社，2003.7