双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计

一、 摘要：

直流电机由于具有速度控制容易，启、制动性能良好，且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工业等工业部门中得到广泛应用。直流时机转速的控制方法可以分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。本文主要研究直流调速系统，它主要由三部分组成，包括控制部分、功率部分、直流电动机。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单等特点，一直在传动领域占有统治地位。

本文对双闭环可逆直流PWM调速系统进行了较深入的研究，从直流调整系统原理出发，逐步建立了闭环直流PWM调整系统的模型。

二、 双闭环可逆直流脉宽PWM调速系统设计

1. 设计分析

双闭环调整系统的传动系统结构图：

直流PWM控制系统是直流脉宽调制式调速控制系统的简称，与晶闸管直流调速系统的区别在于用直流PWM变换器取代了晶闸管变流装置，作为系统的功率驱动器，系统构成原理图如下所示：

直流PWM传动系统结构图

其中属于脉宽调制调速系统主要由调制波发生器GM、脉宽调制器UPM、逻辑延时环节DLD和电力晶体管基极的驱动器GD和脉宽调制（PWM）变换器组成。最关键的部件为脉宽调制器。

模拟式脉宽调制器本质为电压-脉冲变换装置，它是由一个运算放大器和几个输入信号构成电压比较器。去处放大器工作在开环状态，在电流调节器的输出控制信号Uс的控制下，产生一个等幅、宽度受Uс控制的方波脉冲序列，为PWM变频器提供所需的脉冲信号。脉宽调制器按所加输入端调制信号不同，可分为锯齿波脉宽、三角波脉宽调制器。目前就用较多脉宽调制信号由数字方法来产生，如专用集成PWM控制电路及单片微机所构成的脉宽调制器。 双闭环调速系统的结构图

直流双闭环调速系统的结构图如图1所示，转速调节器与电流调节器串极联结，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去控制PWM装置。其中脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速，达到设计要求。

２　现代驱动与控嗣　

双闭环可逆直流脉宽调速系统设计　

李萍厉红朱涛　

北京信息科技大学（１００１９２）　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ＤＣ　ＰＷＭ　Ｒｅｖｅｒｓｉｂｌｅ　Ｓｐｅｅｄ　Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　Ｄｏｕｂｌｅ　Ｃｌｏｓｅｄ　Ｌｏｏｐｓ　

ＬＩＰｉｎｇ　ＬＩＨｏｎｇ　ＺＨＵ　Ｔａｏ　Ｂｅｉｊ　ｉｎｇ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　

摘要：利用Ｈ桥式电路结构，采用脉宽调制技术，　实现直流电动机四象限可逆运行。为提高系统的调速精　度和可靠性，采用转速、电流双闭环ＰＩ控制器，并设计了　带死区的ＰＷＭ脉冲发生电路、检测与保护电路以及Ｈ桥　主电路。经空载和带载测试，证明了系统的动、静态性能　指标能够满足直流电机在工业现场的应用。　关键词：直流脉宽调速双闭环直流电动机　电　路设计　中图分类号：ＴＭ３０６文献标识码：Ａ　ＤＯＩ编码：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎｌ００６－２８０７．２０１３．０４．００６　Ａｂｓｔｒａｃｔ：４－・ｑｕｒｄｒａｎｔ　ＰＷＭ（ｐｕｌｓｅ－－ｗｉｄｔｈ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＤＣ　ｍｏｔｏｒ　ｗａｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　Ｈ－　Ｂｒｉｄｇｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｎｄ　ｐｕｌｓｅ—ｗｉｄｔｈ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｓｐｅｅｄ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｏｕｂｌｅ　ｃｌｏｓｅｄ　ｌｏｏｐｓ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｗａｓ　ａｄｏｐｔｅｄ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｔｈｅ　ＰＷＭ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｗｉｔｈ　ｄｅａｄ　ｂａｎｄ，ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｈ—Ｂｒｉｄｇｅ　ｍａｉｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ．Ａｆｔｅｒ　ｂｅｉｎｇ　ｔｅｓｔｅｄ　ｕｎｄｅｒ　ｎｏ—ｌｏａｄ　ａｎｄ　ｆｕｌｌ—ｌｏａｄ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｉｃ　ａｎｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｐｅｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｒｅ　ｓａｔｉｓｆｉｅｄ　ｆｏｒ　ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＤＣ　ＰＷＭ　ｓｐｅｅｄ－ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ｄｏｕｂｌｅ　ｃｌｏｓｅｄ　ｒｉｎｇｓ　ＤＣ　ｍｏｔｏｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｅｓｉｇｎ　

龙源期刊网

直流电机PWM可逆调速系统设计

作者：郭小龙

来源：《山东工业技术》2016年第02期

摘 要：旋转电机的形式主要有三种：直流电机、异步电机、同步电机。其中，直流电机由于具有较为完善的启动性能和宽广平滑的调速特性在生产和生活的各个领域得到广泛的应用。本文对直流电机的调速方法进行了分析，重点对PWM控制的直流电机调速系统进行了设计。

关键词：直流电机；PWM；调速

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.02.158

0 引言

直流电机是形成最早的一种电机形式，广泛应用于交运、航天、自动化等各种领域中。早期的直流电机控制系统由各种非线性电子电路组成，结构复杂、功能单一，限制了其应用。随着电力电子技术的发展和进步，脉冲宽度调制技术（Pulse-Width Modulation，简称PWM）逐渐成熟，在很大程度上带动了直流电机的发展。PWM的主要原理是通过控制半导体器件的通断来产生一系列幅度相同、宽度不等的矩形波，根据等面积定则可以通过控制这些矩形波的宽度来模拟各种形式的信号，即PWM通过控制半导体器件的通断时间来控制输出电压的幅值和频率。

随着电子技术、信息技术和控制技术的发展，采用芯片对直流电机的速度进行调节逐渐得到应用。芯片在直流电机调速系统中的主要作用是产生PWM调制信号，还具有一定的其他控制功能。单片机以其占地面积小、能耗低、价格便宜、使用简便而成为直流电机调速系统的第一选择。

1 直流电机的调速方法

根据直流电机的基本工作原理，其转速主要由三个条件决定：端电压U、主磁通Φ和电枢回路内阻R，根据这三个条件可以将直流电机的调速方法分为三种。

（1）改变端电压U调速。直流电机的转速与其端电压U正相关，调节端电压U的高低可以连续得调节转速的快慢，在调节的过程中，电机的转矩近似保持恒定。采用这种方式，可以获得比较快的响应速度和比较平滑的速度特性，但是需要装置额外的可调电源，价格较高。

摘 要

以电力电子学和电机调速技术为基础，本文设计了一种基于直流脉宽调速控制技术的直流电机调速系统。为了得到较好的动静态性能，该控制系统采用了双闭环控制，同时速度调节器和电流调节器都选用PI调节器。

本调速系统采用半桥型电路作为主电路,它相当于降压斩波电路和升压斩波电路的串联组合,选用全控型器件IGBT作开关器件。控制电路以集成PWM控制器SG3525为核心,3525输出的脉宽调制信号经LM1413放大后作为IGBT的驱动信号。实验证明本调试系统直流电压大小调节和电机可逆运行的实现非常方便，并具有较硬的静特性和机械特性。

关键词: 升/降压斩波电路；SG3525；直流脉宽调速

PWM直流脉宽调速系统的设计

2

Abstract

On the basis of Power Electronic and electric motor speed adjusting technology, the calibrator

designs a speed adjusting system in which Pulse Width Modulation (PWM) controlling technology

is used to control D.C. motor. Dual closed loop controlling technic is alse adopted so that the

sysetem has satisfactory steady-state and dynamic characters. The system uses single chip micro

computer as an auxiliary unit.

Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) is selected as power semiconductor on-off element in