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可逆直流 PWM 调速系统设计 专业班级：电气自动化 0940（1）班 学生姓名： 指导教师： 完成日期： 2011-6-2 电气与信息工程系课程设计任务书 2011/12 学年 学期 2011 年 6 月 2 日 专业 电气自动 化 班级 09-40（1） 班 课程名称 电力电子技术 课程设计 设计题目可逆直流 PWM 调速系统指导教师 起止时间 2011 年 5 月 30-6 月 2 周数1 周设计地点电力电子实验室 设计目的： 1. 了解并掌握电力电子装置的一般设计方法； 2. 初步掌握电力电子装置的组装和调试的基本技能； 3. 提高综合运用所学理论知识独立分析和解决问题的能力； 4. 进一步掌握电子仪器的使用方法。 设计任务或主要技术指标： 1. 了解直流电机工作的原理； 2. 学会 Protel99se 仿真 3. 掌握 PWM 控制及调试过程 技术指标：直流电动机 220V 10A；二极管 1N91；三极管 EF152 设计进度与要求： 第一天：查找相关资料 第二、三、四天：进行仿真、调试 PWM 控制系统 第五天:整理实训报告 要求：了解电机工作原理 熟练掌握 PWM 调速系统及分析各部分功能 主要参考书及参考资料： 电力电子技术辅助教材内部教材 电力电子应用技术（第三版）莫正康主编 机械工业出版社 2000年 电力电子技术课程设计指导书 李久胜等编 哈尔滨工业大学 2006 年 教研室主任（签名） 系（部）主任（签名） 年 月 日 课程设计评定意见 设计题目： 可逆直流 PWM 调速系统 学生姓名： 专业电气自动化 班级 0940（1）班 评定意见： 评定成绩： 指导教师（签名）： 年 月 日 评定意见参考提纲：评定意见参考提纲： 1.学生完成的工作量与内容是否符合任务书的要求。 2.学生的勤勉态度。 3.设计或说明书的优缺点，包括：学生对理论知识的掌握程度、实践工作能力、 表现出的创造性和综合应用能力等。 摘摘 要要 本文介绍了一种基于 PWM 信号，采用 H 桥对直流电机进行调压调速的驱 动电路，利用 PWM 调节导通时间来改变输出波形的宽度，从而达到调压调速 的目的。在这次的电力电子设计中我们小组经过商量讨论后，采用的是二极管 的桥式连接和绝缘栅型三极管构成的桥式连接，来调节直流电机可逆，控制宽 度调节输出波形的时间，来实现调速，方案制定后我们开始用仿真。我们组经 过调式后，满足了可逆和调速。 关键词：脉宽调制；H 桥驱动电桥；PROTEL 仿真；电机原理 目 录 1 基本原理1 1.1 直流电机工作原理及基本结构 1 1.1.1 直流电机基本工作原理 1 1.1.2 直流电机结构 2 2. PWM 基本介绍 .4 2.1 PWM 控制调速原理4 2.2 脉宽调制变换器 .5 2.3 桥式可逆 PWM 变换器 .6 2.4调试过程.9 总结与体会.11 致 谢.12 参考文献.13 附录 A .14 附录 B .15 1 1 基本原理基本原理 1.1 直流电机工作原理及基本结构 1.1.1 直流电机基本工作原理 在电工课程中，我们已经知道通电导体在磁场中会受到电磁力的作用-电磁力定 律。电动机就是应用这个定律工作的。 图 1.1 是直流电动机的原理图。 图1.1 直流电机原理图 电枢绕组通过电刷接到直流电源上，绕组的旋转轴与机械负载相联。电流从电刷 A 流入电枢绕组，从电刷 B 流出。电枢电流 Ia 与磁场相互作用产生电磁力 F，其方向 可用左手定则判定。这一对电磁力所形成的电磁转矩 T，使电动机电枢逆时针方向旋转。 如上图 a 所示。 当电枢转到上图 b 所示位置时，由于换向器的作用，电源电流 Ia 仍由电刷 A 流入 绕组，由电刷 B 流出。电磁力和电磁转矩的方向仍然使电动机电枢逆时针方向旋转。 电枢转动时，割切磁力线而产生感应电动势，这个电动势(用右手定则判定)的方 向与电枢电流 Ia 和外加电压 U 的方向总是相反的，称为反电动势 Ea。它与发电机的电 动势 E 的作用不同。发电机的电动势是电源电动势，在外电路产生电流。而 Ea 是反电 动势，电源只有克服这个反电动势才能向电动机输入电流。 可见，电动机向负载输出机械功率的同时，电源却向电动机输入电功率，电动机 起着将电能转换为机械能的作用。 发电机和电动机两者的电磁转矩 T 的作用是不同的。发电机的电磁转矩是阻转矩， 它与原动机的驱动转矩 T1的方向是相反的。电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢 转动。电动机的电磁转矩 T 必须与机械负载转矩 T2及空载损耗转矩 T0相平衡，即 TT2十 T0。当电动机轴上的机械负载发生变化时，则电动机的转速、反电动势、电流 及电磁转矩将自动进行调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。可见，直流电机作 发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生电动势和电磁转矩，但两者作用截然相反。 1.1.2 直流电机结构 我们讨论电机及其它电器的结构，目的在于了解它们各主要部件的名称、作用、 相互组装及动作关系。以利正确选用和使用。 电机的结构是由以下几方面的要求来确定的。首先是电磁方面的要求:使电机产生 足够的磁场，感应出一定的电动势，通过一定的电流，产生一定的电磁转矩，要有一 定的绝缘强度。其次是机械方面的要求：电机能传递一定的转矩，保持机械上的坚固 稳定。此外，还要满足冷却的要求，温升不能过高；还要考虑便于检修，运行可靠等。 从电机的基本工作原理知道，电机的磁极和电枢之间必须有相对运动，因此，任 何电机都有固定不动的定子和旋转的转子两部分组成，在这两部分之间的间隙叫空气 隙。下面介绍直流电机的结构。图 1.2 是直流电机结构图。 图 1.2 直流电机结构图 1风扇 2机座 3电枢 4主磁极 5刷架 6换向器 7接线板 8出线盒 9 换向磁极 10端盖 主磁极： 主磁极的作用是产生主磁通 ，主磁极铁心包括极心和极掌两部分。极心上套有 励磁绕组，各主磁极上的绕组一般都是串联的。直流电机的磁极如图所示。极掌的作 用是使空气隙中磁感应强度分布最为合适。 改变励磁电流 If的方向，就可改变主磁极极性，也就改变了磁场方向。 换向磁极：在两个相邻的主磁极之间中性面内有一个小磁极，这就是换向磁极。 它的构造与主磁极相似，它的励磁绕组与主磁极的励磁绕组相串联。换向磁极的作用 是产生附加磁场，改善电机的换向，减小电刷与换向器之间的火花，不致使换向器烧 坏。 主磁极中性面内的磁感应强度本应为零值，但是，由于电枢电流通过电枢绕组时 所产生的电枢磁场，使主磁极中性面的磁感应强度不能为零值。于是使转到中性面内 进行电流换向的绕组产生感应电动势，使得电刷与换向器之间产生较大的火花。 用换向磁极的附加磁场来抵消电枢磁场，使主磁极中性面内的磁感应强度接近于 零，这样就改善了电枢绕组的电流换向条件，减小了电刷与换向器之间的火花。 电刷装置：电刷装置主要由用碳一石墨制成导电块的电刷、加压弹簧和刷盒等组 成。固定在机座上(小容量电机装在端盖上)不动的电刷，借助于加压弹簧的压力和旋 转的换向器保持滑动接触，使电枢绕组与外电路接通。 电刷数一般等于主磁极数，各同极性的电刷经软线汇在一起，再引到接线盒内的 接线板上，作为电枢绕组的引出端。 机座：机座用铸钢或铸铁制成。用来固定主磁极、换向磁极和端盖等，它是电机 磁路的一部分。机座上的接线盒有励磁绕组和电枢绕组的接线端，用来对外接线。 端盖：端盖由铸铁制成，用螺钉固定在底座的两端，盖内有轴承用以支撑旋转的 电枢。 转子又称电枢，是电机的旋转部分。它由电枢铁心、绕组、换向器等组成。 电枢铁心：电枢铁心由硅钢片冲制迭压而成，在外圆上有分布均匀的槽用来嵌放 绕组。铁心也作为电机磁路的一部分。 绕组：绕组是产生感应电动势或电磁转矩，实现能量转换的主要部件。它是由许 多绕组元件构成，按一定规则嵌放在铁心槽内和换向片相连，使各组线圈的电动势相 加。绕组端部用镀锌钢丝箍住，防止绕组因离心力而发生径向位移。 换向器：换向器由许多铜制换向片组成，外形呈圆柱形，片与片之间用云母绝缘。 为了使电机安全而有效地运行，制造厂对电机的工作条件都加以技术规定。按照 规定的工作条件进行运行的状态叫做额定工作状态。电机在额定工作时的各种技术数 据叫做额定值，一般加下标 e 表示。这些额定值都列在电机的铭牌上，使用电机前， 应熟悉铭牌。使用中的实际值，一般不应超过铭牌所规定的额定值。 2.2. PWMPWM 基本介绍基本介绍 自从全控型整流电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关 控制方式，形成了脉宽调制变换器直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统， 或直流 PWM 调速系统。PWM 系统在很多方面有较大的优越性： 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； 若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强； 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，电网效率因数比相控整流器高。 由于上述优点，在中、小容量的高动态性能系统中，直流 PWM 调速系统的应用日 益广泛。 2.1 PWM 控制调速原理 直流电机PWM调速的基本原理图如图2.1。可控开关S以固定的周期重复地接通和断 开，当开关S接通时，直流供电电源U通过开关S施加到直流电机两端，电机在电源作用 下转动，同时电机电枢电感储存能量；当开关S断开时，供电电源停止向电动机提供能 量，但此时电枢电感所储存的能量将通过续流二极管VD使电机电枢电流继续维持，电 枢电流仍然产生电磁转矩使得电机继续旋转。开关S重复动作时，在电机电枢两端就形 成了一系列的电压脉冲波形，如图2.2所示。 电枢电压平均值 Uav 的理论计算式为: U T ton UUav （1）其中为占空比，即导通时间与脉冲周期之比。 由式（1）可知，平均电压由占空比及电源电压决定，保持开关频率恒定，改变占 空比能够相应地改变平均电压，从而实现了直流电动机的调压调速。 图 2.1 简单直流 PWM 控制电路 图 2.2 电压及电流波形 2.2 脉宽调制变换器 在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市电车和地铁电机车等电力牵引设备上， 常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电。过去用切换电枢回路电阻来控 制电机的起动、制动和调速，在电阻中耗电很大。为了节能，并实行无触电控制，现 在多改用电力电子开关器件，如快速晶闸管，GTO，IGBT 等。采用简单的单管控制时， 称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，统称为脉宽调 制变换器。 直流斩波器-电动机系统的原理如图 2.3（a）所示，其中 VT 用开关符号表示任何一种 电力电子器件，VD 表示续流二极管。当 VT 导通时，直流电源电压 Us 加到电动机上； 当 VT 关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经 VD 续流，两端电压接近于零。如 此反复，得到电枢端电压波形 u=f(t),如图 2.3（b）所示，好象是电源电压 Us 在 ton 时间内被接上，又在（T-ton）内被斩断，故称为“斩波” 。这样，电动机得到的平均 电压为： Ud=(ton/T)*Us=*Us 式中 T-功率开关器件的开关周期 ton-开通时间 -占空比，= ton/T= ton*f，其中 f 为开关频率。 a） 原理图 b)电压波形图 图 2.3 脉宽调制变换器-电动机系统的原理图和电压波形图 如图 2.4 所示，给出了一种可逆脉宽调速系统的基本原理图，由 VT1VT2 共 4 个 电力电子开关器件构成桥式（或称 H 形）可逆脉冲宽度调制（PULSE WIDTH MODULATION，简称 PWM）变换器。VT1 和 VT4 同时导通和关断，VT2 和 VT3 同时通断， 使电动机 M 的电枢两端承受电压+ Us 或- Us。改变两组开关器件导通的时间，也就改 变了电压脉冲的宽度，得到电动机两端电压波形如图 2.4（b)所示 a)基本原理图 b)电压波形 图 2.4 桥式可逆脉宽调速系统基本原理图和电压波形 如果用 ton 表示 VT1 和 VT4 导通的时间，开关周期 T 和占空比 的定义和上面相 同，则电动机电枢端电压平均值为： Ud=(ton/T)*Us- （T-ton）/ T* Us=（2*ton/ T-1）* Us=（2-1）*Us 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。 2.3 桥式可逆 PWM 变换器 可逆 PWM 变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称 H 型）电路，如图 2.5 所示。 图 2.5 桥式可逆 PWM 变换器 双极式控制可逆 PWM 变换器的 4 个驱动电压波形如图 2.6 所示。 图 2.6 双极式控制可逆 PWM 变换器的驱动电压、输出电压和电流波形 它们之间的关系是：Ug1=Ug4=-Ug2=-Ug3。在一个开关周期内，当 0tT/2,则 Uab 的平均值为正，电动机正转，反之，则反转；如果正、 负脉冲相等，t=T/2,平均输出电压为零，则电动机停止。图 36 所示的波形是电动机 正转时的情况。 双极式控制可逆 PWM 变换器的输出平均电压为： s on s on s on d U) 1 T t2 (U T tT U T t U 若占空比 和电压系数 的定义与不可逆变换器相同，则在双极式是可逆变换器中： =2-1 就和不可逆变换器中的关系不一样了。调速时， 的可调范围为 01，相应 的，=（-1）（+1） 。当 1/2 时， 为正，电动机正转；当 1/2 时， 为负， 电动机反转；当 =1/2 时，=0，电动机停止。但电动机停止时电枢电压并不等于零， 而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而，电流也是交变的。这个交变电流的平均值 为零，不产生平均转矩，徒然增大电动机的损耗，这是双极式控制的缺点。但它也有 好处，在电动机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起 着所谓“动力润滑”的作用。 双极式控制的桥式可逆 PWM 变换器有下列优点： 1) 电流一定连续； 2) 可使电动机在四象限运行； 3) 电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区； 4) 低速平稳性好，系统的调速范围可达 1：20000 左右； 5) 低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。 双极式控制方式的不足之处是：在工作过程中，4 个开关器件可能都处于开关状态，开 关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下 桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。为了克服上述缺点，可采用单极式控制，使 部分器件处于常通或常断状态，以减少开关次数和开关损耗，提高可靠性，但系统的 静、动态性能会略有降低。 2.4调试过程 直流 PWM 的主电路作为电能变换的功率平台已事先做好，只需将控制板安放在主 电路上方，并将主电路板上 J3 和 J6、J7 与控制板上对应的 J3 和 J6、J7 用排线相连， 就可进行调试，主电路和控制电路中所有可接触部分的电压均在 30V 以下，不会出现 电击现象。为了方便调试及保证电路安全，增设调试盒一个。整个系统的连接关系如 图 2.7 所示。 变压器主电路调试盒控制电路 直流电机 AC 220V 图 2.7 调试系统的组成 调试盒上面安放 2 个开关、2 个指示灯和 1 个电流表，其面板如图？所示。在主电路中 的作用如图 2.8 所示。S1 用于开关总电源，L1 为其上电指示。S2 用于接通或断开 H 桥 的直流电源（可用于电机的启停控制） ，L2 为其上电指示。电流表 M1 用于检测负载电 流。主电路中 H 桥（即 IPM 模块）前串入的电阻 R1 和 R2，阻值各为 5 欧姆，用于限制 短路电流，保护 IPM。Ra 为电机电枢回路的电流取样电阻（阻值为 1 欧姆） ，用于观测 电枢电流的波形。 0 2A L1 S1 L2 S2 M1 图 2.8 调试盒的面板 图 2.9 主电路原理示意图 控制板的调试步骤如下： 1）先调试控制板上的稳压电路。步骤是：只将控制板的 J3 接口与主电路板相连， J6 和 J7 均不连接。再将 LM2575T 插在电路板的对应插座上。在模拟盒上断开 S2 开关， 闭合 S1 开关，控制板将通过 J3 接口获得直流母线电压。然后调节稳压电路中的电位 器，直到在稳压电路的输出部分获得所需 15V 直流电压。 2）接下来调试脉宽调制信号发生电路。首先将 SG3525 插在电路板的对应插座上。 在模拟盒上断开 S2 开关，闭合 S1 开关，给控制板上电。然后调节相应电位器，获得 频率为 5KHz，占空比可在 01 之间调节的脉宽调制信号。 3）调试两路驱动信号的开通延时电路。首先将 74LS06 插在电路板的对应插座上。 在模拟盒上断开 S2 开关，闭合 S1 开关，给控制板上电。然后调节相应电位器，两路 驱动信号之间有 5S 的开通延时，或着说存在 5S 的死区。 4）测试 IPM 中上桥臂驱动电源的自举电路。将控制板的 J6 和 J7 接口与主电路板 相连。在模拟盒上断开 S2 开关，闭合 S1 开关，给控制板上电。测量通过自举电路提 供的上桥臂驱动电源是否正常。 5）上述单元电路均调试通过后，在模拟盒上断开 S2 开关，闭合 S1 开关，给控制板上 电。将驱动信号的占空比调整到 50附近。闭合 S2 开关，接通 H 桥的直流电源，测试 电机的端电压，判断是否与设想的情况复合。若一切正常，则调节占空比，使电机运 转起来，并能够调速和反转。 需注意：在整个调试过程中，如系统各部分均正常，电流表上的电流指示值应在 0.2A（0.5 A）以内，如发现电流表上的电流指示值超过 0.6A，则应立即断开开关 S1, 然后查找过流的原因。 总结与体会 通过本次电力电子设计，我对本专业的认识更加深刻了，同时加强了对专业知识 的掌握，提高了运用能力，积累了一些相关的设计经验。 首先：通过对直流电机驱动电路的设计，我掌握了驱动电路和保护电路的设计方 向、思路、方法。也了解到 PWM 调速系统的工作，及它的工作方式。 其次：本次实训设计内容比较丰富，用到的设计资料、书籍和设计工具也比较多。 本次设计锻炼了自己的动手能力，树立了理论联系实际的理念，并且