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直流电机PWM控制调速系统设计
一、摘要
脉冲宽度调制PWM(PulseWidthModulation),就是指保持开关周期T不变,调节开关
导通时间t对脉冲的宽度进行调制的技术。PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的
优点而成为电力电子技术等领域最广泛应用的控制方式。本文利用SG1525集成PWM控制器
设计了一个基于PWM控制的直流调速系统,本系统采用了电流转速双闭环控制,并且设计了
完善的保护措施,既保障了系统的可靠运行,又使系统具有较高的动、静态性能。
二、设计目的和意义
在当今的社会生活中,电子科学技术的运用越来越深入到了各行各业之中,并得到了
长足的发展和进步,自动化控制系统更是的到了广泛的应用,其中一项重要的应用就是——自
动调速系统。相较于交流电动机,直流电动机结构复杂、价格昂贵、制造困难且不容易维护,
但由于直流电动机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力强,适宜在广泛的范围内
平滑调速,所以直流调速系统至今仍是自调速系统中的重要形式。而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。
三、设计原理
1.PWM基本原理
脉冲宽度调制(PWM)是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计
数器的使用,方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然
是数字的,因为在给定的任何时刻,满幅值的直流供电要么完全有(ON),要么完全无(OFF)。
电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即
是直流供电被加到负载上的时候,断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够,任何模拟
值都可以使用PWM进行编码。简而言之,就是用改变电机电枢(定子)电压的接通和断开的时
间比(占空比)来控制马达的速度,在脉宽调速系统中,当电机通电时,其速度增加;电机断电
时,其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间,即可使电机的速度达到并保持一
稳定值。
2.直流电机PWM调速基本原理
PWM方式是在大功率开关晶体管的基极上,加上脉冲宽度可调的方波电压,控制开关
管的导通时间t,改变占空比,达到控制目的。图1是直流PWM系统原理框图。这是一个双
闭环系统,有电流环和速度环。在此系统中有两个调节器,分别调节转速和电流,二者之间实
行串级连接,即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入,再用电流调节器的输出作为PWM
的控制电压。核心部分是脉冲功率放大器和脉宽调制器。控制部分采用SG1525(脉宽调制芯
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片SG1525具有欠压锁定、故障关闭和软起动等功能,因而在中小功率电源和电机调速等方面应
用较广泛。SG1525是电压型控制芯片,利用电压反馈的方法控制PWM信号的占空比,整个电路
成为双极点系统的控制问题,简化了补偿网络的设计。)集成控制器产生两路互补的PWM脉冲波
形,通过调节这两路波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间,便能够实现对电机速度的控
制。为了获得良好的动、静态品质,调节器采用PI调节器并对系统进行了校正。检测部分中,
采用了霍尔片式电流检测装置对电流环进行检测,转速还则是采用了测速电机进行检测,能达
到比较理想的检测效果。
图1、直流电动机PWM系统原理图
图2、控制电路的原理图
图2为控制电路的原理图。图中,V为大功率晶体管,C1、R1
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