大功率直流电机PWM调速系统设计.doc

直流电机PWM调速系统设计 1 绪论 在电气时代的今天，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。直流电机是最常见的一种电机，在各领域中得到广泛应用。研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。电机调速问题一直是自动化领域比较重要的问题之一。不同领域对于电机的调速性能有着不同的要求，因此，不同的调速方法有着不同的应用场合。 直流电机它具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，从而对直流电机的调速提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速，改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求。但对于直流电动机，采用传统的调速系统主要有以下缺陷：模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。 伴随着电力电子技术的不断发展，开关速度更快、控制更容易的全控性功率器件 MOSFET 和 IGBT 成为主流，PWM 表 现出了越大的优越性：主电路线路简单，需用的功率器件少；开关频率高，电流容易连续，谐 波少，电机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达 1:10000 左右； 若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；功率开关器件工作 在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。本设计采用 PWM 技术来对直流电机进行 调速，与一般直流调速相比，既减少了对电源的污染，而且使控制过程更简单方便，减少了对 人力资源的使用，又因为线路的简单化、功率器件需用的减少，使系统的维护、维修变得更加 简单了，但动、静态性能却提高了。 1.1 直流电机PWM调速系统原理图 同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。由于闭环系统的这些优点因此选用闭环系统。 如图，通过单片机控制器产生PWM矩形波，PWM矩形波经过驱动电路的放大对直流电机进行PWM控制，由速度传感器对电机进行测速，并将测得的速度反馈到输入端即让反馈信号与给定量进行比较。从而达到对直流电机的较为精确的控制。  图1 直流电机PWM调速系统原理图 1.2 系统设计方框图 图2直流电机PWM调速系统设计方框图 1.3 系统设计原理 脉宽调制技术是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量，PWM控制技术的理论基础为：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需 要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。如下图，令周期T一定，改变的大小的控制方式称为PWM控制。 图3 PWM控制方式输出波形 直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为 式中 Ua——电枢供电电压（V）； Ia ——电枢电流（A）； Ф——励磁磁通（Wb）； Ra——电枢回路总电阻（Ω）； CE——电势系数， ，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。 由式（1）可以看出，式中Ua、Ra、Ф三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：(1)改变电枢回路总电阻Ra；；(2)改变电枢供电电压Ua；(3)改变励磁磁通Ф。 在本设计中因为Ф和Ra一定，故只能改变电枢供电电压来控制直流电机的转速。而通过PWM方式，通过控制其占空比（），而（），即可控制电枢供电电压。从而改变转速n。 2方案论证 2.1 PWM信号发生电路设计方案 （1）、分立电子元件组成的PWM信号发生器 这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PWM信号电路。它是最早期的方式，现在已经被淘汰了。 （2）、软件模拟法 利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现PWM信号输出。采用单片机软件编程生成PWM信号，具有两个定时器T0和T1。并通过对定时器T0和T1的设置，可输出不同占空比的脉冲波形。其控制简单，价格便宜，且控制功能多。 （3）、专用PWM集成电路 从PWM控制技