直流電動(dòng)機(jī)pwm 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-文庫(kù)吧
2025-09-03 09:20 本頁(yè)面
【正文】 接，即以轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，是內(nèi)環(huán)，按典型Ⅰ 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，成為外環(huán)，按典型Ⅱ 型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 為了獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)，調(diào)節(jié)器均采用 PI 調(diào)節(jié)器并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了校正。檢測(cè)部分中，采用了霍爾片式電流檢測(cè)裝置對(duì)電流環(huán)進(jìn)行檢測(cè)，轉(zhuǎn)速還則是采用了測(cè)速電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，達(dá)到了比較理想的檢測(cè)效果。主電路部分采用了以 GTR 為可控開(kāi)關(guān)元件、 H 橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)。 PWM 方式是在大功率開(kāi)關(guān)晶體管的基極上，加上脈沖寬度可調(diào) 的方波電壓，控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間 t，改變占空比，達(dá)到控制目的。圖 1是直流 PWM 系統(tǒng)原理框圖。這是一個(gè)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? 用 SG1525集成控制器產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的 PWM 脈沖波形，通過(guò)調(diào)節(jié)這兩路波形的寬度來(lái)控制 H 電路中的 GTR 通斷時(shí)間，便能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制。 圖 1 直流電動(dòng)機(jī) 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，C R VD1為過(guò)電壓吸收電路。由 SG1525集成 PWM 控制器 產(chǎn)生的 PWM 信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后，驅(qū)動(dòng)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 0～ T范圍內(nèi)變化來(lái)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(dāng)被流電機(jī)的額定功率較小時(shí)， 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(kāi)關(guān)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(jī)兩端的平直直流電壓 Va PWM 驅(qū)動(dòng)裝置是利用大功率晶體管的開(kāi)關(guān) 特性來(lái)調(diào)制固定電壓的直流電源，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi) “ 接通 ” 與 “ 斷開(kāi) ” 時(shí)間的長(zhǎng)短，通過(guò)改變 11直流伺服電動(dòng)機(jī)電樞上電壓的 “ 占比空 ” 來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 。因此，這種 裝置又稱為 “ 開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置 ” 。 直流電動(dòng)機(jī)的脈寬調(diào)制的工作原理 直流無(wú)刷電機(jī)由電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)線路三部分組成。直流電源通過(guò)開(kāi)關(guān)線路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置由位置傳感器檢測(cè)并提供信號(hào)去觸發(fā)開(kāi)關(guān)線路中的功率開(kāi)關(guān)元件使之導(dǎo)通或截止，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。在 應(yīng)用實(shí)例中，磁極旋轉(zhuǎn) ，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(kāi)關(guān)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。電機(jī)的電樞繞組作成三相，轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，與轉(zhuǎn)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(gè)。為了提高電機(jī)的特性，電機(jī)采用二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的工作方式。開(kāi)關(guān)電路采用三相橋式接線方式。 PWM 驅(qū)動(dòng)裝置是利用大功率晶體管的開(kāi)關(guān)特性來(lái)調(diào)制固定電壓的直流電源，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi) “ 接通 ” 與 “ 斷開(kāi) ” 時(shí)間的長(zhǎng)短，通過(guò)改變直流伺服電動(dòng)機(jī)電樞上電壓 的 “ 占比空 ” 來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，這種裝置又稱為 “ 開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置 ” 。 PWM 控制的示意圖如圖 2所示，可控開(kāi)關(guān) S 以一定的時(shí)間間隔重復(fù)地接通和斷開(kāi)，當(dāng) S 接通時(shí)，供電電源 US通過(guò)開(kāi)關(guān) S 施加到電動(dòng)機(jī)兩端，電源向電機(jī)提供能量，電動(dòng)機(jī)儲(chǔ)能；當(dāng)開(kāi)關(guān) S 斷開(kāi)時(shí)，中斷了供電電源 US 向電動(dòng)機(jī)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=αUs （ 11） 式中， ton 為開(kāi)關(guān)每次接通的時(shí)間 ， T 為開(kāi)關(guān)通斷的工作周期，（即開(kāi)關(guān) 接通時(shí)間 ton 和關(guān) 12 斷時(shí)間 toff 之和），α 為占空比， α= ton/T 。 由式（ 11）可見(jiàn)，改變開(kāi)關(guān)接通時(shí)間 ton 和開(kāi)關(guān)周期 T 的比例也即改變脈沖的占空比，電動(dòng)機(jī)兩端電壓的平均值也隨之改變，因而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速得到了控制。 2． 3 主回路 在系統(tǒng)主電路部分，采用的是以大功率 GTR 為開(kāi)關(guān)元件、 H 橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)。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(shí)導(dǎo)通，同時(shí)關(guān)斷，且兩組晶 體管之間可以是交替的導(dǎo)通和關(guān)斷。欲使電動(dòng)機(jī) M 向正方向轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，則使控制電壓 kU 為負(fù)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(kāi)關(guān)使用 ,而且 GTR 是一種 具有自關(guān)斷能力的全控型電力半導(dǎo)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(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)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(fù)載時(shí) ai 波形 (f) ESU 時(shí) ai 波形 設(shè)矩形波的周期為 T，正向脈沖寬度為 1t，并設(shè)λ=1t/T 為占空比。則電樞電壓 U 的平均值 avU=（ 2λ 1）SU=（ 21t/T1） SU，并定義雙極性雙極式脈寬放大器的負(fù)載電壓系數(shù) 為 ρ=avU/SU=21t/T 1 即 avU=ρSU 可見(jiàn)， ρ 可在 1到 +1之間變化。 雙極式 PWM 變換器的優(yōu)點(diǎn)： 電流一定連續(xù)； 可使電機(jī)在四象限中運(yùn)行； 電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微振 電流，能消除正 、反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)； 低速時(shí)，每個(gè)晶體管的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬 ，有利于保證晶體管可靠導(dǎo)通； 低速平穩(wěn)性好，低速范圍可達(dá) 20200左右。 a).正向電動(dòng)運(yùn)行波形
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