畢業(yè)設(shè)計(jì)精品]PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì).doc

IPWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要在電氣時(shí)代的今天，電動(dòng)機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪衅鹬种匾淖饔?。直流電機(jī)是最常見的一種電機(jī)，在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。研究直流電機(jī)的控制和測(cè)量方法，對(duì)提高控制精度和響應(yīng)速度、節(jié)約能源等都具有重要意義。電機(jī)調(diào)速問題一直是自動(dòng)化領(lǐng)域比較重要的問題之一。不同領(lǐng)域?qū)τ陔姍C(jī)的調(diào)速性能有著不同的要求，因此，不同的調(diào)速方法有著不同的應(yīng)用場(chǎng)合。本文基于PWM的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)出應(yīng)用于直流電動(dòng)機(jī)的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。首先描述了變頻器的發(fā)展歷程，提出了PWM調(diào)速方法的優(yōu)勢(shì)，指出了未來(lái)PWM調(diào)速方法的發(fā)展前景，點(diǎn)出了研究PWM調(diào)速方法的意義。應(yīng)用于直流電機(jī)的調(diào)速方式很多，其中以PWM變頻調(diào)速方式應(yīng)用最為廣泛，而PWM變頻器中，H型PWM變頻器性能尤為突出，作為本次設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論，本文將對(duì)PWM的理論進(jìn)行詳細(xì)論述。在此基礎(chǔ)上，本文將做出SG3525單片機(jī)控制的H型PWM變頻調(diào)速系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，然后對(duì)各個(gè)部分分別進(jìn)行論證，力圖在每個(gè)組成單元上都達(dá)到最好的系統(tǒng)性能。關(guān)鍵詞：直流調(diào)速；雙閉環(huán)；PWM；SG3525；直流電機(jī)IIDC-drivespeedsystemwithPWMABSTRACTInelectricaltimestoday,theelectricmotorintheindustryandagricultureproduction,thepeopledailylifeisplayingtheveryvitalrole.Thedirectcurrentmachineisthemostcommononekindofelectricalmachinery,obtainsthewidespreadapplicationinvariousdomains.Theresearchdirectcurrentmachinescontrolandthemeasuringtechnique,toincreasethecontrolprecisionandthespeedofresponse,thefrugalenergyandsoonhavetheimportantmeaning.Aproblemaboutspeed-modulationofDCmotorisveryimportantinthefieldautomatic.Therequeststotheeffectafterthespeed-modulationoftheDCmotoraredifferentindifferentfields.Then,differentspeed-modulationwaysareusingindifferentfields.ThispaperresearchesDC-drivespeedsystemwithadual-converteranddual-closed-loopbasedPWM,discussinganewcontrolmethodthatcombinesPWMwithDC-drive,designsappliesindirectcurrentmotorsdoubleclosedloopcurrentvelocitymodulationsystem.DCmotorisusedverygenerallybecauseitsspeed-modulationeffectisverygoodanditsspeed-modulationiseasilytoberealized.PWMtheoryisusedmostgenerallyamongthespeed-modulationways.ThetextwillintroducetheH-PWMwaymostly.WewilltrytodomodulationtotheDCmotorwithSG3525.Theimportanceofthetextisthepartswhicharecomposedthesystem.Anotherimportanceistheprinciplesofworkingabouteveryparts.Keyword:DCspeedregulation；Double-loop；PWM；SG3525；DCmoter；目錄摘要Abstract前言1第1章直流調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)21.1設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求21.2現(xiàn)行方案的討論與比較21.3選擇PWM控制調(diào)速系統(tǒng)的理由41.4選擇IGBT的H橋型主電路的理由41.5采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的理由5第2章PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)62.1主電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)62.1.1PWM變換器介紹62.1.2泵升電路132.2參數(shù)設(shè)計(jì)132.2.1IGBT的參數(shù)132.2.2緩沖電路參數(shù)142.2.3泵升電路參數(shù)14第3章PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)控制電路設(shè)計(jì)153.1PWM信號(hào)發(fā)生器153.1.1SG3525芯片的主要特點(diǎn)153.1.2SG3525引腳各端子功能163.1.3SG3525的工作原理183.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)設(shè)計(jì)183.2.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的組成183.2.2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性193.2.3電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)223.2.4速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)24第4章系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證264.1系統(tǒng)結(jié)框圖264.2系統(tǒng)工作原理264.3系統(tǒng)單元調(diào)試274.3.1基本調(diào)試274.3.2脈寬發(fā)生單元的整定274.3.3轉(zhuǎn)速反饋調(diào)節(jié)器、電流反饋調(diào)節(jié)器的整定284.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果284.4.1開環(huán)機(jī)械特性測(cè)試284.4.2閉環(huán)機(jī)械特性測(cè)試29結(jié)束語(yǔ)30參考文獻(xiàn)31致謝32-1-PWM控制直流調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)前言在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)革命過程中，電氣自動(dòng)化在20世紀(jì)的后四十年曾進(jìn)行了兩次重大的技術(shù)更新。一次是元器件的更新，即以大功率半導(dǎo)體器件晶閘管取代傳統(tǒng)的變流機(jī)組，以線形組件運(yùn)算放大器取代電磁放大器件。后一次技術(shù)更新主要是把現(xiàn)代控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)用于電氣工程，控制器由模擬式進(jìn)入了數(shù)字式。在前一次技術(shù)更新中，電氣系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)仍采用經(jīng)典控制理論的方法。而后一次技術(shù)更新是設(shè)計(jì)思想和理論概念上的一個(gè)飛躍和質(zhì)變，電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能亦隨之改觀。在整個(gè)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)中，電力拖動(dòng)及調(diào)速系統(tǒng)是其中的核心部分?，F(xiàn)代的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)都是由慣性很小的晶閘管、電力晶體管或其他電力電子器件以及集成電路調(diào)節(jié)器等組成的。經(jīng)過合理的簡(jiǎn)化處理，整個(gè)系統(tǒng)一般都可以用低階近似。而以運(yùn)算放大器為核心的有源校正網(wǎng)絡(luò)（調(diào)節(jié)器），和由R、C等元件構(gòu)成的無(wú)源校正網(wǎng)絡(luò)相比,又可以實(shí)現(xiàn)更為精確的比例、微分、積分控制規(guī)律,于是就有可能將各種各樣的控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化和近似成少數(shù)典型的低階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。如果事先對(duì)這些典型系統(tǒng)作比較深入的研究,把它們的開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性當(dāng)作預(yù)期的特性,弄清楚它們的參數(shù)和系統(tǒng)性能指標(biāo)的關(guān)系,寫成簡(jiǎn)單的公式或制成簡(jiǎn)明的圖表,則在設(shè)計(jì)實(shí)際系統(tǒng)時(shí),只要能把它校正或簡(jiǎn)化成典型系統(tǒng)的形式,就可以利用現(xiàn)成的公式和圖表來(lái)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算,這樣,就建立了工程設(shè)計(jì)方法的可能性。目前，隨著大功率電力電子器件的迅速發(fā)展，交流變頻調(diào)速技術(shù)已日臻成熟并日漸成為實(shí)際應(yīng)用的主流，但這并不意味著傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術(shù)已經(jīng)完全退出了實(shí)際應(yīng)用的舞臺(tái)。相反，近幾年交流變頻調(diào)速在控制精度的提高上遇到了瓶頸，于是直流調(diào)速的優(yōu)勢(shì)就顯現(xiàn)了出來(lái)。直流調(diào)速仍然是目前最可靠，精度最高的調(diào)速方法。譬如在對(duì)控制精度有較高要求的造紙，轉(zhuǎn)臺(tái)，輪機(jī)定位等系統(tǒng)中仍離不開直流調(diào)速裝置，因此加強(qiáng)對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的研究還是很有必要的。鑒于直流調(diào)速系統(tǒng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及國(guó)防事業(yè)中的重要作用，有必要對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)作進(jìn)一步的研究和開發(fā)。-2-第1章直流調(diào)速系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求1.直流電動(dòng)機(jī)：型號(hào)：DJ15功率：485W電樞電壓：220V電樞電流：1.2A額定轉(zhuǎn)數(shù)：1600rpm2.調(diào)速范圍：1：12003.起動(dòng)時(shí)超調(diào)量：電流超調(diào)量:%5i；轉(zhuǎn)速超調(diào)量:%5n1.2現(xiàn)行方案的討論與比較直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種：（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下變速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說，這種方法最好。aI變化遇到的時(shí)間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需要大容量可調(diào)直流電源。（2）改變電動(dòng)機(jī)主磁通。改變磁通可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，但只能減弱磁通進(jìn)行調(diào)速（簡(jiǎn)稱弱磁調(diào)速），從電機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法。fI變化時(shí)間遇到的時(shí)間常數(shù)同aI變化遇到的相比要大得多，響應(yīng)速度較慢，但所需電源容量小。（3）改變電樞回路電阻R。在電動(dòng)機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。但是只能進(jìn)行有級(jí)調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性較軟；空載時(shí)幾乎沒什么調(diào)速作用；還會(huì)在調(diào)速電阻上消耗大量電能。改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多，目前很少采用，僅在有些起重機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長(zhǎng)的傳動(dòng)系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速范圍不大，往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑-3-調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主速。改變電樞電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下三種：（1）旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。（2）靜止可控整流器。用靜止的可控整流器，如汞弧整流器和晶閘管整流裝置，產(chǎn)生可調(diào)的直流電壓。（3）直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。由于旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組缺點(diǎn)太多，采用汞弧整流器和閘流管這樣的靜止變流裝置來(lái)代替旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，形成所謂的離子拖動(dòng)系統(tǒng)。離子拖動(dòng)系統(tǒng)克服旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組的許多缺點(diǎn)，而且縮短了響應(yīng)時(shí)間，但是由于汞弧整流器造價(jià)較高，體積仍然很大，維護(hù)麻煩，尤其是水銀如果泄漏，將會(huì)污染環(huán)境，嚴(yán)重危害身體健康。目前，采用晶閘管整流供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（即晶閘管電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止Ward-Leonard系統(tǒng)）已經(jīng)成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。但是，晶閘管整流器也有它的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下方面：（1）晶閘管一般是單向?qū)щ娫?，晶閘管整流器的電流是不允許反向的，這給電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行造成困難。必須實(shí)現(xiàn)四象限可逆運(yùn)行時(shí)，只好采用開關(guān)切換或正、反兩組全控型整流電路，構(gòu)成V-M可逆調(diào)速系統(tǒng)，后者所用變流設(shè)備要增多一倍。（2）晶閘管元件對(duì)于過電壓、過電流以及過高的du/dt和di/dt十分敏感，其中任意指標(biāo)超過允許值都可能在很短時(shí)間內(nèi)元件損壞，因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時(shí)還應(yīng)保留足夠的余量，以保證晶閘管裝置的可靠運(yùn)行。（3）晶閘管的控制原理決定了只能滯后觸發(fā)，因此，晶閘管可控制整流器對(duì)交流電源來(lái)說相當(dāng)于一個(gè)感性負(fù)載，吸取滯后的無(wú)功電流，因此功率因素低，特別是在深調(diào)速狀態(tài)，即系統(tǒng)在較低速運(yùn)行時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角很小，使得系統(tǒng)的功率因素很低，并產(chǎn)生較大的高次諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備。如果采用晶閘管整流裝置的調(diào)速系統(tǒng)在電網(wǎng)中所占容量比重較大，將造成所謂的“電力公害”。為此，應(yīng)采取相應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償、濾波和高次諧波的抑制措施。（4）晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動(dòng)的，而且脈波數(shù)總是有限的。如果主-4-電路電感不是非常大，則輸出電流總存在連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，因而機(jī)械特性也有連續(xù)和斷續(xù)兩段，連續(xù)段特性比較硬，基本上還是直線；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈現(xiàn)出顯著的非線性。由于以上種種原因，所以選擇了脈寬調(diào)制變換器進(jìn)行改變電樞電壓的直流調(diào)速系統(tǒng)。1.3選擇PWM控制系統(tǒng)的理由脈寬調(diào)制器UPW采用美國(guó)硅通用公司（SiliconGeneral）的第二代產(chǎn)品SG3525，這是一種性能優(yōu)良，功能全、通用性強(qiáng)的單片集成PWM控制器。由于它簡(jiǎn)單、可靠及使用方便靈活，大大簡(jiǎn)化了脈寬調(diào)制器的設(shè)計(jì)及調(diào)試，故獲得廣泛使用。PWM系統(tǒng)在很多方面具有較大的優(yōu)越性：1）PWM調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡(jiǎn)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，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較小。3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍廣，可達(dá)到1：10000左右。4）如果可以與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。5）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高。6）直流電源采用不可控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。變頻調(diào)速很快為廣大電動(dòng)機(jī)用戶所接受，成為了一種最受歡迎的調(diào)速方法，在一些中小容量的動(dòng)態(tài)高性能系統(tǒng)中更是已經(jīng)完全取代了其他調(diào)速方式。由此可見，變頻調(diào)速是非常值得自動(dòng)化工作者去研究的。在變頻調(diào)速方式中，PWM調(diào)速方式尤為大家所重視，這是我們選取它作為研究對(duì)象的重要原因。1.4選擇IGBT的H橋型主電路的理由IGBT的優(yōu)點(diǎn)：1）IGBT的開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小。2）在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。3）IGBT的通態(tài)壓降比VDMOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。4）IGBT的輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類似。5）與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進(jìn)一步提高，同時(shí)可-5-保持開關(guān)頻率高的特點(diǎn)。在眾多PWM變換器實(shí)現(xiàn)方法中，又以H型PWM變換器更為多見。這