【正文】 滿足按要求進(jìn)行速度調(diào)節(jié)的要求。 2． 運(yùn)用 PWM 控制器（單片機(jī)）為核心，構(gòu)建控制 系統(tǒng)電路 。 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 設(shè)計(jì)（論文）題目： 基于 PWM 專用集成芯片控制的直流電動(dòng)機(jī) 系統(tǒng) 下 達(dá) 日 期： 20xx 年 月 日 開(kāi) 始 日 期： 20xx 年 月 日 完 成 日 期： 20xx 年 月 日 指 導(dǎo) 教 師： 高文華 學(xué) 生 專 業(yè)： 電氣自動(dòng)化 班 級(jí)： 自動(dòng)化 1207 班 學(xué) 生 姓 名： 王飛 教 研室主任： 王永康 電氣工程 學(xué)院 畢業(yè)論文 陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 一、 設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容及要求： （一）設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容 本設(shè)計(jì)采用 PWM 控制技術(shù)，利用斬波原理改變脈沖寬度，改變直流電動(dòng)機(jī)兩端的直流平均電壓的大小，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的速度控制。 （二）要求 1． PWM 控制器（或單片機(jī)）為核心。 3. 利用 PWM 控制器（單片機(jī)）、大功率開(kāi)關(guān)器件、隔離電路、驅(qū)動(dòng)芯片等硬件，設(shè)計(jì)建立直流電動(dòng)機(jī) PWM 控制系統(tǒng)，力求實(shí)用、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。 電動(dòng)機(jī)額定數(shù)據(jù)為： 10kW、 220V、 55A、 1000r/min，電樞電阻 Ra 為 ， Ce= 調(diào)速范圍 D=10。 動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量不大于 5%；轉(zhuǎn)速超調(diào)量不大于 10%。 致謝 ............................................................................................................................................... 26 2 摘 要 直流電機(jī)由于具有速度控制容易，啟、制動(dòng)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(mén)中得到廣泛應(yīng)用。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 。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。 但這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速方法效率低 。其基本原理是用改變電機(jī)電樞 (定子 )電壓的接通和斷開(kāi)的時(shí)間比 (占空比 )來(lái)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。 PWM 控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單 ,靈活和動(dòng)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。 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。 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(duì)電源的污染。確保了系統(tǒng)可靠運(yùn)行。直流電動(dòng)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。而且由于勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。調(diào)節(jié)電阻 R 即可改變端電壓，達(dá)到調(diào)速目的。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。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。 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)。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(lái)控制模擬信號(hào)，可以大幅度降低成本和功耗。本設(shè)計(jì)采用直流極式控制的橋式 PWM 變換器。 2） 開(kāi)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。 4） 若是與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。 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。已完全取代了 VM 系統(tǒng)。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。圖 1 是直流 PWM 系統(tǒng)原理框圖。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(jí)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?？刂撇糠植捎?SG1731（ 脈寬調(diào)制芯片 SG1731 具有欠壓鎖定、故障關(guān)閉和軟起動(dòng)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。 ）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。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)，能達(dá)到比較理想的檢測(cè)效果。 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。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)。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。 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。這是一個(gè) 5 雙閉環(huán)系統(tǒng)，有電流環(huán)和速度環(huán)。控制部分采用 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。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)。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。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。 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。 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； 6 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。 Us/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)斷時(shí)間 toff之和）， α為占空比， α= ton/T。 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)。圖中，四只 GTR 分為兩組， 1VT 和 4VT 為一組， 2VT 和 3VT為另一組。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 4 所示。 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。則電樞電壓 U 的平 8 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 /T1 即 avU =ρ SU 可見(jiàn)， ρ 可在 1到 +1之間變化。 a).正向電動(dòng)運(yùn)行波形 b).反向電動(dòng)運(yùn)行波形 9 3 單元電路設(shè)計(jì) PWM 驅(qū)動(dòng)裝置控制電路 如 圖 5 所示 為 PWM 驅(qū)動(dòng)裝置控制電路框圖。 圖 5 PWM 驅(qū)動(dòng)裝置控制電路 SG1731 集成 PWM 控制器的脈寬調(diào)制 SG1731PWM 集成電路的內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖 6所示。此線路的原理是將一個(gè)直流電壓信號(hào)與三角波電壓疊成后，形成脈寬調(diào)制方波，在經(jīng)橋式功放電路輸出 PWM 電壓。 10 該集成電路需要 2 組電源：一組正負(fù) Vs（接 16 和 9 腳），用于芯片的控制電路；另一組正負(fù) V0(接 14腳和 11腳 )，用于橋式功放驅(qū)動(dòng)電路，此功放級(jí)電路可輸出正負(fù) 100mA 的電流，功放輸出為 12 腳和 13 腳。其振蕩角頻率由電容 C（接 6 腳和地之間）和外供正、負(fù)參考電壓 2V 正、 2V 負(fù)（ 2腳和 7腳）決定： 式中： VU=（ 2VUv+2VVV）。 A3 為偏差信號(hào)放大器，其正，負(fù)相輸入端（ 3腳和 4腳）用于將給定信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行比較，得到控制系統(tǒng)的誤差信號(hào)，加、減電路 對(duì)三角波電壓和偏差信號(hào)放大器輸出電壓進(jìn)行疊加，實(shí)現(xiàn)三角波電平的垂直平行移動(dòng)，垂直平行后的三角波電平與正（或負(fù)）門(mén)檻電壓電平 +VT(或 VT)進(jìn)行比較，這樣芯片功放級(jí)輸出的便是 PWM 電壓。偏差放大器的正、負(fù)相輸入端和輸出端均引出芯片， 4腳 5腳間接反饋電抗，通過(guò)配置不同的輸出回路阻抗和反饋回路阻抗，可以構(gòu)成不