IGBT斬波控制的直流電機的調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計剖析

1、課程設(shè)計名稱:電力電子技術(shù)目:IGBT -斬波控制的直流電機的調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計專 業(yè)：自動化班級：姓名：學號：課程設(shè)計任務書、設(shè)計題目IGBT斬波控制的直流電機調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計二、設(shè)計任務1. 選用合適的IGBT設(shè)計制作一個斬波調(diào)速器，使占空比可調(diào)，占空比調(diào)節(jié)范圍為 10%90%。2. 斬波調(diào)速器負載選用額定電壓為 220V，額定電流為1.2A，實現(xiàn)電機的單向調(diào)速，即 電機的單象限運行。三、設(shè)計計劃第1天：查閱相關(guān)材料，熟悉設(shè)計任務；第2天：確定設(shè)計的內(nèi)容以及主電路的選擇；第3天：IGBT驅(qū)動電路的選擇；第4天：保護電路的設(shè)計；第5天：軟件繪圖四、設(shè)計要求1.主電路的設(shè)計及原理說明；2驅(qū)動電路設(shè)計及原

2、理說明；3控制電路的設(shè)計及分析4 保護電路的設(shè)計指導教師：教研室主任：時間：2011年1月18日課程設(shè)計成績評定表評定指標標準評定合格不合格單元電路及合理性評整體設(shè)計方案正確性創(chuàng)新性疋是否進行仿真或?qū)嵺`標仿真或?qū)嵺`技術(shù)指標或性能符合設(shè)計要求準有完成結(jié)果格式正確設(shè)計報告內(nèi)容充實語言流暢總成績?nèi)掌谀暝氯照L期以來，直流電機以其良好的線性特性、優(yōu)異的控制性能等特點成為大多數(shù)變速運 動控制和閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)的最佳選擇。特別隨著計算機在控制領(lǐng)域和高開關(guān)頻率、 全控型第二代電力半導體器件的發(fā)展，以及脈寬調(diào)制 （PWM）直流調(diào)速技術(shù)的應用，直流電 機得到廣泛應用。直流電動機轉(zhuǎn)速的控制方法可分勵磁控制法

3、與電樞電壓控制法兩類。勵 磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時受到磁飽和的限制，高速時受到換向火 花和換向器結(jié)構(gòu)強度的限制；而且由于勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應較差。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， 調(diào)節(jié)電阻 R 即可改變端電壓， 達到調(diào)速 目的。這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速方法效率低。目前，市場上用的最多的IGBT直流斬波器，它是屬于全控型斬波器，它的主導器件采用國際上先進的電力電子器件IGBT,由門極電壓控制，從根本上克服了晶閘管斬波器及GTR斬波器的缺點。該斬波器既能為煤礦窄軌電機車配套的調(diào)速裝置，針對不同的負載對象， 做一些少量的改動又可用于其它要求供 電電壓可調(diào)

4、的直流負載上。與可控硅脈沖調(diào)速方 式和電阻調(diào)速方式相比，具有明顯的優(yōu)點。關(guān)鍵詞： 直流電動機；調(diào)速；直流斬波； IGBT目錄引言 . 11.主電路原理圖 . 21.1 主電路方案 21.2 基本直流斬波電路原理圖 21.3 數(shù)量關(guān)系 32.IGBT 驅(qū)動電路的選擇 42.1 IGBT 簡介 42.2 IGBT 驅(qū)動電路的條件 43. 控制電路的選擇 . 63.1 控制電路方案選擇 63.2 SG3525 芯片工作原理 74. 保護電路的設(shè)計 . 84.1 主電路器件保護 85. 結(jié)論. 9心得體會 . 10參考文獻 . 11引言隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子系統(tǒng)的應用領(lǐng)域越來越廣泛，電子設(shè)備

5、的種類也 越來越多。電子設(shè)備的小型化和低成本化使電源向輕、薄、小和高效率方向發(fā)展。開關(guān)電 源因其體積小，重量輕和效率高的優(yōu)點而在各種電子信息設(shè)備中得到廣泛的應用。直流電 動機在冶金、礦山、化工、交通、機械、紡織、航空等領(lǐng)域中已經(jīng)得到了廣泛的應用。直 流電動機的啟動和調(diào)速性能、過載能力強等特點顯得十分重要。IGBT降壓斬波電路就是直流斬波中最基本的一種電路，是用 IGBT作為全控型器件的降壓斬波電路，用于直流到 直流的降壓變換。IGBT是MOSFET與雙極晶體管的復合器件。它既有MOSFET易驅(qū)動的 特點，又具有功率晶體管電壓、電流容量大等優(yōu)點。其頻率特性介于MOSFET與功率晶體 管之間，可正

6、常工作于幾十千赫茲頻率范圍內(nèi)，故在較高頻率的大、中功率應用中占據(jù)了 主導地位。所以用IGBT作為全控型器件的降壓斬波電路就有了 IGBT易驅(qū)動，電壓、電 流容量大的優(yōu)點。因此，在電力電子技術(shù)應用領(lǐng)域中有廣闊的發(fā)展前景，也由于開關(guān)電源 向低電壓，大電流和高效率發(fā)展的趨勢，促進了IGBT降壓斬波電路的發(fā)展。1. 主電路原理圖1.1主電路方案對于降壓斬波電路的選擇，可運用電力電子開關(guān)來控制電路的通斷即改變占空比，從 而獲得我們所想要的電壓。這就可以根據(jù)所學的buck降壓電路作為主電路，這個方案是較 為簡單的方案，直接進行直直變換簡化了電路結(jié)構(gòu)。 而另一種方案是先把直流變交流降壓， 再把交流變直流，這

7、種方案把本該簡單的電路復雜化，不可取。至于開關(guān)的選擇，選用全 控型的IGBT管，而不選半控型的晶閘管，因為IGBT控制較為簡單，且它既具有輸入阻 抗高、開關(guān)速度快、驅(qū)動電路簡單等特點，又用通態(tài)壓降小、耐壓高、電流大等優(yōu)點。1.2基本直流斬波電路原理圖Em圖1.1降壓斬波電路原理圖此電路使用一個全控型器件 V，圖中為IGBT，若采用晶閘管，需設(shè)置使晶閘管關(guān)斷 的輔助電路。并設(shè)置了續(xù)流二極管 VD，在V關(guān)斷時給負載中電感電流提供通道。主要用 于電子電路的供電電源，也可拖動直流電動機或帶蓄電池負載等，后兩種情況下負載中均 會出現(xiàn)反電動勢，如圖中Em所示。工作原理：（1）t=0時刻驅(qū)動V導通，電源E向

8、負載供電，負載電壓uo=E,負載電流io按指數(shù) 曲線上升。（2）t=t1時控制V關(guān)斷，二極管VD續(xù)流，負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數(shù) 曲線下降。（3）通常串接較大電感L使負載電流連續(xù)且脈動小。1.3數(shù)量關(guān)系（1）電流連續(xù)時 負載電壓平均值：tonton .U o E 一 E= Et on t offT式中，ton為V處于通態(tài)的時間，toff為V處于斷態(tài)的時間，T為開關(guān)周期，：為導通 占空比，簡稱占空比或?qū)ū蓉撦d電流平均值：u。- E MR（2）電流斷續(xù)時，負載電壓uo平均值會被抬高，一般不希望出現(xiàn)電流斷續(xù)的情況2. IGBT驅(qū)動電路的選擇2.1 IGBT 簡介IGBT是三端器件，具有柵

9、極 G,集電極C和發(fā)射極E。它是個場控器件，通斷由柵 射極電壓Uge決定。Uge大于開啟電壓Uge(th)時，MOSFET內(nèi)形成溝道，為晶體管提供 基極電流，IGBT導通。通態(tài)時電導調(diào)制效應使電阻 R減小，使通態(tài)壓降減小。當柵射極 間施加反壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，IGBT關(guān) 斷。2.2 IGBT驅(qū)動電路的條件驅(qū)動電路的作用是將芯片輸出的脈沖進行功率放大 ，以驅(qū)動IGBT.保證IGBT的可靠工 作，驅(qū)動電路起著至關(guān)重要的作用，對IGBT驅(qū)動電路的基本要求如下：(1) 提供適當?shù)恼蚝头聪蜉敵鲭妷?，使IGBT可靠的開通和關(guān)斷.(2) 提供足夠大的瞬態(tài)功率或

10、瞬時電流，使IGBT能迅速建立柵控電場而導通.(3) 盡可能小的輸入輸出延遲時間，以提高工作效率(4) 足夠高的輸入輸出電氣隔離性能，使信號電路與柵極驅(qū)動電路絕緣(5) 具有靈敏的過流保護能力.根據(jù)要求，對驅(qū)動電路進行設(shè)計，如圖其工作原理：控制電路所輸出的信號通過 TLP521-1光耦合器實現(xiàn)電氣隔離，再經(jīng)過推挽電路進行放大，從而把輸出的控制信號放大。 驅(qū)動電路的隔離方式，采用光電耦合式驅(qū)動電路比較方便，該電路雙側(cè)都有源。其提供的 脈沖寬度不受限制，較易檢測IGBT的電壓和電流的狀態(tài)，對外送出過流信號。另外它使 用比較方便，穩(wěn)定性比較好。但是它需要較多的工作電源，其對脈沖信號有1us的時間滯后

11、，不適應于某些要求比較高的場合。對于光電耦合式驅(qū)動電路可以直接用光耦電路進行 主電路與控制電路隔離，再把驅(qū)動信號加一級推挽電路進行放大使得驅(qū)動信號足以驅(qū)動 IGBT 管。圖2.2驅(qū)動電路如圖所示，IGBT降壓斬波電路的驅(qū)動電路提供電氣隔離環(huán)節(jié)。一般電氣隔離采用光 隔離或磁隔離。光隔離一般采用光耦合器，光耦合器由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成，封 裝在一個外殼內(nèi)。本電路中采用的隔離方法是，先加一級光耦隔離，再加一級推挽電路進 行放大。采用的光耦是TLP521-1。為得到最佳的波形，在調(diào)試的過程中對光耦兩端的電阻 要進行合理的搭配。3. 控制電路的選擇3.1控制電路方案選擇控制電路需要實現(xiàn)的功能是產(chǎn)生

12、控制信號，用于控制斬波電路中主功率器件的通斷， 通過對占空比的調(diào)節(jié)達到控制輸出電壓大小的目的。斬波電路有三種控制方式：1保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導通時間ton,稱為脈沖寬度調(diào)制或脈沖調(diào)寬型；2. 保持導通時間不變，改變開關(guān)周期 T,成為頻率調(diào)制或調(diào)頻型；3. 導通時間和周期T都可調(diào)，是占空比改變，稱為混合型。因為斬波電路有這三種控制方式，又因為PWM控制技術(shù)應用最為廣泛，所以采用PWM控制方式來控制IGBT的通斷。PWM控制就是對脈沖寬度進行調(diào)制的技術(shù)。這種電 路把直流電壓“斬”成一系列脈沖，改變脈沖的占空比來獲得所需的輸出電壓。改變脈沖 的占空比就是對脈沖寬度進行調(diào)制，只是因為輸入電壓和

13、所需要的輸出電壓都是直流電 壓，因此脈沖是等幅的，僅僅是對脈沖的占空比進行控制。反相輸入端同相輸入端同步輸出振蕩器輸出時基電容時基電阻放電電阻軟啟動端11621531441351261171089圖3.1 SG3525引腳圖基準電壓+15VB俞出+VccGNDA輸出關(guān)斷控制補償對于控制電路的設(shè)計其實可以有很多種方法，可以通過一些數(shù)字運算芯片如單片機、 CPLD等等來輸出PWM波，也可以通過特定的PWM發(fā)生芯片來控制。因為題目要求輸 出電壓連續(xù)可調(diào)，所以我選用一般的 PWM發(fā)生芯片來進行連續(xù)控制。對于PWM發(fā)生芯片，我選用了 SG3525芯片，其引腳圖如圖所示，它是一款專用的 PWM控制集成電路

14、芯片，它采用恒頻調(diào)寬控制方案，內(nèi)部包括精密基準源、鋸齒波振蕩 器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護電路等。其11和14腳輸出兩個等幅、等頻、相位互補、占空比可調(diào)的 PWM信號。腳6腳7 內(nèi)有一個雙門限比較器，內(nèi)設(shè)電容充放電電路，力卩上外接的電阻電容電路共同構(gòu)成 SG3525 的振蕩器。振蕩器還設(shè)有外同步輸入端（腳3）。腳1及腳2分別為芯片內(nèi)部誤差放大器的 反相輸入端、同相輸入端。該放大器是一個兩級差分放大器。根據(jù)系統(tǒng)的動態(tài)、靜態(tài)特性 要求，在誤差放大器的輸出腳 9和腳1之間一般要添加適當?shù)姆答佈a償網(wǎng)絡(luò)，另外當 10 腳的電壓為高電平時，11和14腳的電壓變?yōu)?0輸出。3.2 SG3525芯片工

15、作原理由于SG3525的振蕩頻率可表示為1Ct(0.7Rt 3Rd)式中：Ct, Rt分別是與腳5、腳6相連的振蕩器的電容和電阻；Rd是與腳7相連的放電端電阻值。根據(jù)任務要求需要頻率為40kHz，所以由上式可取Ct=0.01卩F, R= 1 k.1 ,Rd = 600門可得f=40kHz，滿足要求5. IVR7% 10空2SYNC8 OLlliPCT RT DISC CSS COMP SGA525A SD VREFosc OITTA OUTB石7丈1T?1117C2arnuF| C322llF151V VD4MVD5圖3.2 控制電路SG3525有過流保護的功能，可以通過改變 10腳電壓的高低

16、來控制脈沖波的輸出。因 此可以將驅(qū)動電路輸出的過流保護電流信號經(jīng)一電阻作用，轉(zhuǎn)換成電壓信號來進行過流保 護，同理也可以用10端進行過壓保護，如圖所示10端外接過壓過流保護電路。當驅(qū)動電 路檢測到過流時發(fā)出電流信號，由于電阻的作用將10腳的電位抬高，從而11、14腳輸出低電平，而當其沒有過流時，10腳一直處于低電平，從而正常的輸出 PWM波。SG3525還有穩(wěn)壓作用。1端接芯片內(nèi)置電源，2端接負載輸出電壓，通過1端的變位 器得到它的一個基準電位，從而當負載電位發(fā)生變化時能夠通過1、2所接的誤差放大器來控制輸出脈寬的占空比，若負載電位升高則輸出脈寬占空比減小，使得輸出電壓減小從 而穩(wěn)定了輸出電壓，

17、反之則然。4保護電路的設(shè)計4.1主電路器件保護當達到一定電壓值時，自動開通保護電路，使過壓通過保護電路形成通路，消耗過壓 儲存的電磁能量，從而使過壓的能量不會加到主開關(guān)器件上，保護了電力電子器件。為了達到保護效果，可以使用阻容保護電路來實現(xiàn)。將電容并聯(lián)在回路中，當電路中 出現(xiàn)電壓尖峰電壓時，電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過壓。與 電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過壓能量，同時抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩，過電壓 保護電路如圖所示。5.結(jié)論電力電子器件的系統(tǒng)組成為主電路，控制電路，驅(qū)動電路，保護電路和檢測電路五部 分。主電路為電力電子電路，控制電路為信息電子電路，驅(qū)動電路用于控制

18、主電路中電力 電子器件的導通或關(guān)斷，保護電路主要是保護電力電子器件。本次課程設(shè)計目的是用IGBT 直流斬波電路控制直流電動機的轉(zhuǎn)速，通過改變IGBT的開通與關(guān)斷時間，來控制電樞回路電壓的大小來實現(xiàn)對電機調(diào)速的目的。在本次課程設(shè)計經(jīng)過查找相關(guān)文獻和參閱課本， 主要完成了對直流斬波電路的設(shè)計，驅(qū)動電路的選擇，驅(qū)動電路實現(xiàn)了用光耦合器實現(xiàn)電 氣隔離，再經(jīng)過推挽電路進行放大，從而把輸出的控制信號放大?？刂齐娐返倪x擇和設(shè)計， 控制電路主要通過特定的PWM發(fā)生芯片，對脈沖寬度進行調(diào)制。保護電路主要實現(xiàn)了對 主電路中電力電子器件保護。心得體會為期一周的課程設(shè)計終于要接近尾聲， 在這次課程設(shè)計中我感慨頗多，從選題到定稿, 從理論到實踐，哪一步都不輕松，可以說苦多于甜，但可以學到很多知識。在剛開始確定 設(shè)計題目時我覺得很簡單，但隨著接下來的深入理解我發(fā)現(xiàn)除了直流斬波的主電流在課本 上學習過外其他的驅(qū)動電路和