【正文】 .. 18 4 相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算 ............................................................................................................................ 19 總結(jié) ............................................................................................................................................... 23 參 考 文 獻(xiàn) ................................................................................................................................. 24 附錄一 ............................................................................................................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 致謝 ............................................................................................................................................... 26 2 摘 要 直流電機(jī)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(diǎn)而在冶金、機(jī)械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類，即勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。勵(lì)磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時(shí)受到磁飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制 。而且由于勵(lì)磁線圈電感較大，動態(tài)響應(yīng)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(dá)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(shù)的進(jìn)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(jī)電樞 (定子 )電壓的接通和斷開的時(shí)間比 (占空比 )來控制馬達(dá)的速度，在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中 ，當(dāng) 電機(jī)通電時(shí)，其速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，其速度減低。 脈沖寬度調(diào)制 PWM(Pulse Width Modulation),就是指保持開關(guān)周期 T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間 t對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。 PWM 控制技術(shù)以其控制簡單 ,靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)等領(lǐng)域最廣泛應(yīng)用的控制方式。本文利用 SG1731集成 PWM 控制器設(shè)計(jì)了一個(gè)基于 PWM 控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用了電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制，并且設(shè)計(jì)了完善的保護(hù)措施，既保障了系統(tǒng)的可靠運(yùn)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(shí)間，即可使電機(jī)的速度達(dá)到并保持以穩(wěn)定值。最近幾年來，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及單片機(jī)的廣泛應(yīng)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(jī)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(shù)先進(jìn)可減少 對電源的污染。為使整個(gè)系統(tǒng)能正常安全地運(yùn)行 , 過流、過載、過壓、欠壓保護(hù)電路 , 另外還有過 壓吸收電路。確保了系統(tǒng)可靠運(yùn)行。 關(guān)鍵詞 ：脈沖寬度調(diào)制 ,開關(guān) ,直流調(diào)速系統(tǒng) ,雙閉環(huán)控制 ，基極驅(qū)動，不可控整流 1 系統(tǒng)內(nèi)容簡介 直流電機(jī)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(diǎn)而在冶金、機(jī)械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類，即勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。勵(lì)磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時(shí)受到磁飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制 。而且由于勵(lì)磁線圈電感較大，動態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電 3 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(dá)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(shù)的進(jìn)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(jī)電樞 (定子 )電壓的接通和斷開的時(shí)間比 (占空比 )來控制馬達(dá)的速度，在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，其速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，即可使電機(jī)的速度達(dá)到并保持一穩(wěn)定值。利用數(shù)字輸出對模擬電路進(jìn)行控制的一種有效技術(shù)，尤其是在對電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方面，可大大節(jié)省能量。 PWM 具有很強(qiáng)的抗噪性，且有節(jié)約空間、比較經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。模擬控制電路有以下缺陷 :模擬電路容易隨時(shí)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(shù)后，避免了以上的缺陷，實(shí)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。 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(guān)控制方 式，形成了脈寬調(diào)制變換器 — 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)， PWM 的 H 型屬于調(diào)壓調(diào)速， PWM 的 H橋能實(shí)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(shí)現(xiàn)可控 整流來實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。本設(shè)計(jì)采用直流極式控制的橋式 PWM 變換器。與 VM 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(guān)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(dá) 1:20xx0左右。 4） 若是與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。 5） 功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通道損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適中時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率高。 6） 直流電機(jī)采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因素比相控整流器高。 由于由以上優(yōu)點(diǎn)直流 PWM 系統(tǒng)應(yīng)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 VM 系統(tǒng)。為達(dá)到更好的機(jī)械特性要求，一般直流電動機(jī)都是在閉環(huán)控制下運(yùn)行。經(jīng)常采用的閉環(huán)系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流截至負(fù)反饋。 4 直流電機(jī) PWM 調(diào)速基本原理 PWM 方式是在大功率開關(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)。在此系統(tǒng)中有兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級連接，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。核心部分是脈沖功率放大器和脈寬調(diào)制器。控制部分采用 SG1731（ 脈寬調(diào)制芯片 SG1731 具有欠壓鎖定、故障關(guān)閉和軟起動等功能 ,因而在中小功率電源和電機(jī)調(diào)速等方面應(yīng)用較廣泛。 SG1731 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(gè)電路成為雙極點(diǎn)系統(tǒng)的控制問題 ,簡化了補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。 ）集成控制器產(chǎn)生兩路互補(bǔ)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(shí)間，便能夠?qū)崿F(xiàn)對電機(jī)速度的控制。為了獲得良好的 動、靜態(tài)品質(zhì)，調(diào)節(jié)器采用 PI調(diào)節(jié)器并對系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行檢測，轉(zhuǎn)速還則是采用了測速電機(jī)進(jìn)行檢測，能達(dá)到比較理想的檢測效果。 2 系統(tǒng)概述 調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成 本系統(tǒng)主要有信號發(fā)生電路、 PWM 速度控制電路、電機(jī)驅(qū)動電路等幾部分組成。 整個(gè)系統(tǒng)上采用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，如圖 1所示。在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級連接，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、靜態(tài)品質(zhì)，調(diào)節(jié)器均采用 PI 調(diào)節(jié)器并對系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行檢測，轉(zhuǎn)速還則是采用了測速電機(jī)進(jìn)行檢測，達(dá)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(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) 5 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?SG1525 集成控制器產(chǎn)生兩路互補(bǔ)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(shí)間，便能夠?qū)崿F(xiàn)對電機(jī)速度的控制。 圖 1 直流電動機(jī) PWM 系統(tǒng)原理圖 直流電動機(jī)的脈寬調(diào)制的工作原理 直流無刷電機(jī)由電動機(jī)、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。直流電源通過開關(guān)線路向電動機(jī)定子繞組供電，電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置由位置傳感器檢測并提供信號去觸發(fā)開關(guān)線路中的功率開關(guān)元件使之導(dǎo)通或截止，從而控制 電動機(jī)的轉(zhuǎn)動。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關(guān)電路來實(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。開關(guān)電路采用三相橋式接線方式。