基于IGBT斬波控制的直流電機調(diào)速（與轉(zhuǎn)速檢測）系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計

1、電力電子技術(shù)課程設(shè)計基于igbt斬波控制的直流電機調(diào)速（與轉(zhuǎn)速檢測）系統(tǒng)設(shè)計摘 要電力電子技術(shù)是一門實踐性很強的技術(shù)，由電力電子器件構(gòu)成的直流電機斬波調(diào)速電路由于其節(jié)能，先進，靈活等特點在工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用，本著加強對電氣工程專業(yè)學(xué)生綜合性工程訓(xùn)練的原則，結(jié)合專業(yè)特點，特安排了基于igbt的直流電機脈寬調(diào)速與轉(zhuǎn)速檢測這一課程設(shè)計，以深化對學(xué)生運用先進的電力電子技術(shù)解決實際問題能力的培養(yǎng)。因此，積極參加電力電子技術(shù)課程設(shè)計，我們能在其中加強個人各方面的能力，充實理論和實踐的知識。本次課程設(shè)計針對，關(guān)鍵詞：igbtigbt(insulated gate bipolar transistor)

2、，絕緣柵雙極型晶體管，是由bjt(雙極型三極管)和mos(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件, 兼有mosfet的高輸入阻抗和gtr的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。gtr飽和壓降低，載流密度大，但驅(qū)動電流較大;mosfet驅(qū)動功率很小，開關(guān)速度快，但導(dǎo)通壓降大，載流密度小。igbt綜合了以上兩種器件的優(yōu)點，驅(qū)動功率小而飽和壓降低。目 錄1序 言12設(shè)計任務(wù)與要求22.1設(shè)計任務(wù)22.2設(shè)計要求23方案選擇與論證23.1方案一43.2 方案二43.3 方案三54 原理圖、程序設(shè)計54.1 電路原理圖54.2 元件選擇64.3 單片機程序65 電路調(diào)試及其結(jié)果85.1 調(diào)試中出現(xiàn)

3、的問題及其解決辦法85.2 數(shù)據(jù)記錄95.3 結(jié)果分析106 收獲、體會和建議116.1收獲116.2體會116.3建議12參考文獻12附 錄12 1 序 言近年來，隨著科技的進步，電力電子技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，直流電機以其具有優(yōu)良的調(diào)速特性,較高的起制動轉(zhuǎn)矩、過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載等優(yōu)點而得到廣泛的應(yīng)用。 為了能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求，要求電機調(diào)速平滑、方便,調(diào)速范圍廣、可實現(xiàn)頻繁的無級快速起動、制動和反轉(zhuǎn)，顯然，改變電樞回路電阻調(diào)速，改變電樞電壓調(diào)速等技術(shù)已遠遠不能滿足要求，這時通過pwm方式控制直流電機調(diào)速的方法應(yīng)運而生。采用傳統(tǒng)的調(diào)速系統(tǒng)主要有以下缺陷：

4、模擬電路容易隨時間漂移，會產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以及對噪聲敏感等。而在用了pwm技術(shù)后，避免了以上的缺陷，實現(xiàn)了用數(shù)字方式來控制模擬信號，可以大幅度降低成本和功耗。另外，由于pwm 調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高,僅靠電樞電感的濾波作用就可獲得平穩(wěn)的直流電流,低速特性好；同樣,由于開關(guān)頻率高,快速響應(yīng)特性好,動態(tài)抗干擾能力強,可以獲得很寬的頻帶;開關(guān)器件只工作在開關(guān)狀態(tài),主電路損耗小,裝置效率高。pwm 具有很強的抗噪性，且有節(jié)約空間、比較經(jīng)濟等特點。2 設(shè)計任務(wù)與要求2.1 設(shè)計任務(wù)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)，設(shè)頻率設(shè)定為5.7khz,占空比調(diào)節(jié)范圍為10%90%。2.

5、2 設(shè)計要求斬波調(diào)速器負載選用額定電壓為220v，額定電流為1.2a的它勵直流電動機（即把實驗室的并勵直流電動機做它勵接法做實驗）實現(xiàn)電機的單向調(diào)速，即電機的單象限運行。igbt 的驅(qū)動電路的設(shè)計，這一部分電路可以用單片機和硬件電路相結(jié)合來實現(xiàn)，也可以用專用芯片tl494結(jié)合其它硬件電路來實現(xiàn)。igbt驅(qū)動電路的設(shè)計可借助仿真軟件orcad來進行。穩(wěn)壓電源，電機均由實驗室提供。3 方案選擇與論證從基本方式上看，由轉(zhuǎn)速表達式可知，式中ua、ra、三個參量都可以成為變量，只要改變其中一個參量，就可以改變電動機的轉(zhuǎn)速。所以直流電動機有三種基本調(diào)速方法：(1)改變電樞回路總電阻ra；(2)改變電樞供電

6、電壓ua；(3)改變勵磁磁通（降低勵磁電流升速，也叫弱磁升速）。均可以通過電力電子變流器或相應(yīng)的電樞或勵磁回路串電阻加以實現(xiàn)。3.1 方案1：改變電樞回路電阻調(diào)速通過改變電樞回路電阻來調(diào)速，此時轉(zhuǎn)速特性公式為 n=u-【i(r+rw)】/ke式中rw為電樞回路中的外接電阻（）。當負載一定時，隨著串入的外接電阻rw的增大，電樞回路總電阻r=(ra+rw)增大，電動機轉(zhuǎn)速就降低。rw的改變可用接觸器或主令開關(guān)切換來實現(xiàn)。這種調(diào)速方法為有級調(diào)速，轉(zhuǎn)速變化率大，輕載下很難得到低速，且分析得知其轉(zhuǎn)速越低，效率也越低，故現(xiàn)在這種調(diào)速方法已極少采用，本次設(shè)計不采用。3.2 方案二：改變勵磁電流調(diào)速當電樞電壓

7、恒定時，改變電動機的勵磁電流也能實現(xiàn)調(diào)速。由轉(zhuǎn)速表達式知，電動機的轉(zhuǎn)速n與磁通（也就是勵磁電流）成反比。與此同時，由于電動機的轉(zhuǎn)矩te是磁通和電樞電流ia的乘積（即te=ctia），電樞電流不變時，隨著磁通的減小，其轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)矩也會相應(yīng)地減小，為了確保電機磁路不至于過飽和，弱磁調(diào)速通常只在電動機基速（額定轉(zhuǎn)速）以上進行，調(diào)速范圍小。本次設(shè)計不采用。3.3 方案三：采用pwm控制的調(diào)速方法圖1為pwm降壓斬波器的原理電路及輸出電壓波形。在圖1a）中，假定晶體管v1先導(dǎo)通t1秒(忽略v1的管壓降，這期間電源電壓ud全部加到電動機電樞上)，然后關(guān)斷t2秒(這期間電動機電樞端電壓為零)。如此反復(fù)，則

8、電樞端電壓波形如圖1b中所示。電動機電樞端電壓ua為其平均值。圖1 pwm降壓斬波器原理電路及輸出電壓波形a) 原理圖 b)輸出電壓波形式中 即為占空比。使用下面三種方法中的任何一種，都可以改變的值，從而達到調(diào)壓的目的： (1)定寬調(diào)頻法：t1保持一定，使t2在0范圍內(nèi)變化； (2)調(diào)寬調(diào)頻法：t2保持一定，使t1在0范圍內(nèi)變化；(3)定頻調(diào)寬法：t保持一定，使t1在0t范圍內(nèi)變化。不管哪種方法，的變化范圍均為0l，因而電樞電壓平均值ua的調(diào)節(jié)范圍為0ud，均為正值，即為不可逆調(diào)速。當需要電動機進行可逆調(diào)速時，就要使用圖2a）所示的橋式降壓斬波電路。 在圖2a中，設(shè)v1、v4先同時導(dǎo)通t1秒后

9、同時關(guān)斷，間隔一定時間(為避免電源直通短路。該間隔時間稱為死區(qū)時間)之后，再使v2、v3同時導(dǎo)通t2秒后同時關(guān)斷，如此反復(fù)，則電動機電樞端電壓波形如圖2b）所示。圖2 橋式pwm降壓斬波器原理電路及輸出電壓波形a)原理圖 b)輸出電壓波形則電動機電樞端電壓的平均值為由于01，ua值的范圍是 -ud+ud，因而電動機可以在正、反兩個方向調(diào)速運轉(zhuǎn)。 圖3給出了兩種pwm斬波電路的電樞電壓平均值的特性曲線。圖3 兩種斬波器的輸出電壓特性由上可以看出，利用pwm技術(shù)，只通過控制開關(guān)器件來改變占空比，實現(xiàn)了用數(shù)字方式來控制模擬信號，可以大幅度降低成本和功耗，且具有很強的抗噪性。此外，采用pwm調(diào)速還有以

10、下特點：1 開關(guān)頻率高，系統(tǒng)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強；2 電流脈動量小，僅靠電機電感就可獲得平穩(wěn)的直流電流，無須加平波電抗器；3 低速特性好,功率因數(shù)高，對電網(wǎng)影響?。? 主電路控制元件少，線路簡單。綜上，此次設(shè)計采用方案三。4 原理圖、程序設(shè)計4.1 電路原理圖因igbt作為應(yīng)用廣泛的半導(dǎo)體開關(guān)器件，具有耐壓高、大電流；開關(guān)速度快，可進行高速開關(guān)；載波頻率大，降低電動機的運行噪聲；輸入阻抗高，驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點。所以本設(shè)計電路采用了igbt作為開關(guān)元件，通過控制igbt來使占空比可調(diào)。具體的原理圖如下圖4： 圖4 電路原理圖圖中左邊為igbt驅(qū)動信號輸入電路，若以單片機輸出信號作為光耦隔離器的

11、輸入，當光耦隔離器輸入為1時，發(fā)光二極管導(dǎo)通，從而驅(qū)動光敏三極管，使igbt的g端為1，從而導(dǎo)通。光耦隔離器的應(yīng)用實現(xiàn)了電氣上的完全隔離和強弱電上的完全隔離。單片機輸出信號也就是igbt的控制信號。因此，電路上兩電阻作用是給光耦隔離器輸入和輸出一個確定的數(shù)字信號。另外，二極管作用是對電機限壓，保護電機，且提供電機在igbt斷開之后的感應(yīng)電流一個通路。4.2 元件選擇根據(jù)以上相關(guān)器件的分析，初定選用：4.3 單片機程序由圖4所示的原理圖得知，若以單片機作為igbt的控制信號，則先要設(shè)計出單片機程序，以達到軟件控制硬件的目的。 相應(yīng)的程序如下：#include #include volatile

12、unsigned int counter=701; /初始化占空比為50%void delay(unsigned char ms) /延時函數(shù) 延時ms unsigned int i,j;for(i=0;ims;i+) for(j=0;j1141;j+); void time_init() /pwm波初始化 tccr1b=0x19; tccr1a=0x63; /頻率設(shè)為5.7khz ocr1a=1403; ocr1b=701; main() /主函數(shù) ddrb=0x00; portb=0xff; ddrd=0x30; time_init(); sreg|=bit(7); while(1) if

13、(pinb!=0xff) delay(30); if(pinb!=0xff) per(); ocr1b=counter; void per(void) /步進函數(shù) 占空比步進0.15% if(pinb=0xfb) /加鍵 counter=counter+2; if(pinb=0xf7) /減鍵 counter=counter-2; 5 電路調(diào)試及其結(jié)果5.1 調(diào)試中出現(xiàn)的問題及其解決辦法5.1.1 出現(xiàn)的問題我們根據(jù)圖4所示原理圖焊接好電路后，調(diào)試初期便遇到以下幾個問題：a) 圖4所示的光電隔離器的光敏三極管發(fā)射極原串聯(lián)了一個大小為1k歐姆的電阻。調(diào)試的時候igbt的g、e兩端電壓只有約5.3

14、v，不能成功被驅(qū)動。b) 電機起動時產(chǎn)生過流現(xiàn)象。c) 圖4所示電路中在220v電源輸入處并聯(lián)了一個電容，當ge斷開后，電容放電使得ce繼續(xù)導(dǎo)通，電機感應(yīng)電動勢與220v電源電勢疊加，產(chǎn)生過流現(xiàn)象。5.1.2 解決辦法經(jīng)過分析，找出了相應(yīng)的解決方法：a） 改接阻值為6k歐姆的電阻，g、e兩端電壓變?yōu)?2v，igbt順利導(dǎo)通。b） 電機串聯(lián)上一個電感，進行起動限流。c） 把電容拆去。綜上，修改原電路原理圖便可得到調(diào)試后的最終電路圖，如圖6： 圖5 最終電路圖相應(yīng)的實際電路接線圖如下圖5： 圖6 實際電路接線圖 5.2 數(shù)據(jù)記錄5.3 結(jié)果分析6 收獲體會6.1 收獲在專業(yè)知識上說，本次課程設(shè)計讓

15、我們更深入的熟悉電力電子的應(yīng)用，特別是高速開關(guān)igbt的應(yīng)用，了解了其工作特性，特點等。不過，與其說這是一個電力電子的課程設(shè)計，還不如說這是多交叉學(xué)科的課程設(shè)計，因為它糅合了單片機、光耦隔離器、電機等器件的知識。具體說，這次課程設(shè)計除了讓我們更深入熟悉了igbt的應(yīng)用，還讓我們進一步學(xué)習(xí)電機調(diào)速原理、單片機控制技術(shù)、光耦隔離抗干擾技術(shù)等，能力上有所擴展。此外，設(shè)計過程當中，我們了解到理論和實踐存在一定的差別，例如，原理圖一個1k歐姆的電阻就可以讓輸出數(shù)字信號為1，igbt就能被驅(qū)動，而實際上因為光敏三極管存在壓降，并不是理想開關(guān)元件，導(dǎo)致igbt的g端電壓不足以驅(qū)動其導(dǎo)通。也例如，理論上電機不

16、串聯(lián)電感也同樣正確，但是實際中，因為起動的時候或發(fā)生過流現(xiàn)象，這給電機等器件的安全帶來一定的風(fēng)險，甚至更大可能的會導(dǎo)致電機燒毀。在這些理論和實際的矛盾之中，我們必須細心分析，理論聯(lián)系實際，把實際情況納入考量范圍之內(nèi)。因此，通過此次課程設(shè)計，我們學(xué)到了理論外的專業(yè)知識，發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力有所提高。6.2 體會思想上，此次課程設(shè)計讓我們的理論思辨能力、動手能力、發(fā)現(xiàn)與和解決問題的能力、團隊合作能力和工程實踐素質(zhì)等得到進一步提高，深入感受到工程嚴謹和注重理論聯(lián)系實際的學(xué)風(fēng)。同時懂得了一些在動手過程中要謹記的道理：整個設(shè)計中，我們會發(fā)現(xiàn)，這是一個多學(xué)科的設(shè)計，脫離了任何一部分的知識都不

17、能順利完成設(shè)計實習(xí)。這告訴我們事物之間都有著一定的聯(lián)系，我們不能把一樣事物獨立出來做單方面的考量，脫離了聯(lián)系的事物是無意義的。在以后的學(xué)習(xí)之中我們也應(yīng)該牢記這個道理，每學(xué)到一個知識，就應(yīng)該盡可能的把它聯(lián)系到其他的學(xué)科，只有可以聯(lián)系到、應(yīng)用到其他領(lǐng)域的知識，才會是價值無可考量的寶庫。在課程設(shè)計過程中，我們遇到了幾個問題，最后的結(jié)果都是要改原理圖才能解決。這說明了我們應(yīng)該理論聯(lián)系實際，有時候理論上可以行得通的道理，應(yīng)用在實際當中就要作相應(yīng)的修改，同時，這樣的修改又是基于一定的理論上的。因為我們所學(xué)的理論常常建立在理想的情況之下，而實際情況和理想情況往往存在差距。必須靈活運用所學(xué)知識分析問題，找出解決的方法。唯有如此，才能做到既有理論又有實際，才能真正掌握了知識運用了知識。同時，這也是一個團體的作業(yè)，要求我們小組所有成員積極參與，分工合作。根據(jù)各人的特點，揚長避短的合理配置人力資源，使整個團隊合作無間，工作起來達到高效率、低出錯率的效果。6.3 建議課程設(shè)計的開始和結(jié)束，讓我們也有了一定的思量，也對自己的不足有了更體面的認知，特此做出一些建議：a) 更注意更注意理論聯(lián)系實際，不要因為某一本書上的一個知識而鉆牛角尖，把實際情況納入考量。b)