直流电机的直流斩波调速

摘 要 长期以来 直流电机以其良好的线性特性 优异的控制性能等特点成为大多数变 速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择 特别随着计算机在控制领域和高开 关频率 全控型第二代电力半导体器件的发展 以及脉宽调制 PWM 直流调速技术的应 用 直流电机得到广泛应用 直流电动机转速的控制方法可分励磁控制法与电枢电压 控制法两类 励磁控制法控制磁通 其控制功率虽然小 但低速时受到磁饱和的限制 高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制 而且由于励磁线圈电感较大 动态响 应较差 所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法 调节电阻R 即可改变端电压 达到调速目的 这种传统的调压调速方法效率低 目前 市场上用的最多的IGBT直流斩波器 它是属于全控型斩波器 它的主导器件 采用国际上先进的电力电子器件IGBT 由门极电压控制 从根本上克服了晶闸管斩波 器及GTR 斩波器的缺点 该斩波器既能为煤矿窄轨电机车配套的调速装置 针对不同 的负载对象 做一些少量的改动又可用于其它要求供 电电压可调的直流负载上 与可 控硅脉冲调速方式和电阻调速方式相比 具有明显的优点 关键字 直流电动机 调速 直流斩波 目 录 第一章系统工作原理 1 1 1 结构与调速原理 1 1 2 速方案选择 1 1 3 调速电路方案 2 1 4 控制方案选择 2 第二章主电路的设计与分析 3 2 1 主电路的各个部分电路 3 2 1 1 整流电路 3 2 1 2 斩波调速电路 4 2 1 3 保护电路设计 5 2 2 电路参数及选型 7 第三章控制电路的设计与分析 8 3 触发电路的设计与分析 9 3 2 脉宽调制 PWM 控制的设计与分析 9 3 2 1 欠压锁定功能 9 3 2 2 系统的故障关闭功能 9 3 2 3 软起动功能 9 3 2 4 波形的产生及控制方式分析 10 3 3 延时 驱动电路的设计 10 3 4ASR 和 ACR 调节器设计 11 3 4 1ASR 速度调节器 11 3 4 2ACR 电流调节器 12 第四章总电路图 14 总结 15 致谢 16 参考文献 17 直流电机的直流斩波调速 1 第一章 系统工作原理 直流电机斩波调速控制系统的原理框图如图 1 1 所示 图 1 1 原理框图 1 1 结构与调速原理 直流电机由定子和转子两部分组成 其间有一定的气隙 其构造的主要特点是 具有一个带换向器的电枢 直流电机的定子由机座 主磁极 换向磁极 前后端盖 和刷架等部件组成 其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件 由永磁体或 带有直流励磁绕组的叠片铁心构成 直流电机的转子则由电枢 换向器 又称整流 子 和转轴等部件构成 其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成 电枢铁心由 硅钢片叠成 在其外圆处均匀分布着齿槽 电枢绕组则嵌置于这些槽中 换向器是 一种机械整流部件 由换向片叠成圆筒形后 以金属夹件或塑料成型为一个整体 各换向片间互相绝缘 换向器质量对运行可靠性有很大影响 直流电机斩波调速原理是利用可控硅整流调压来达直流电机调速的目的 利用交 流电相位延迟一定时间发出触发信号使可控硅导通即为斩波 斩波后的交流电经电机 滤波后其平均电压随斩波相位变化而变化 为了达到控制直流电机目的 在控制回路 加入了速度 电压 电流反馈环路和 PID 调节器来防止电机由于负载变化而引起的波 动和对电机速度 电压 电流超常保护 1 2调速方案选择 随着电力电子技术的进步 发展了许多新的电枢电压控制方法 其中 PWM 脉宽调制 是 常用的一种调速方法 其基本原理是用改变电机电枢 定子 电压的接通和断开的时间 直流电机的直流斩波调速 2 比 占空比 来控制马达的速度 在脉宽调速系统中 当电机通电时 其速度增加 电 机断电时 其速度减低 只要按照一定的规律改变通 断电的时间 即可使电机的速 度达到并保持一稳定值 最近几年来 随着微电子技术和计算机技术的发展及单片机 的广泛应用 使调速装置向集成化 小型化和智能化方向发展 1 3调速电路方案 本电机调速系统采用脉宽调制方式 与晶闸管调速相比技术先进 可减少对电源的 污染 为使整个系统能正常安全地运行 设计了过流 过载 过压 欠压保护电路 另 外还有过压吸收电路 确保了系统可靠运行 1 4控制方案选择 直流电动机转速的控制方法可分为励磁控制法与电枢电压控制法两类 随着电力 电子技术的进步 发展了许多新的电枢电压控制方法 如 由交流电源供电 使用晶 闸管进行相控调压 使用硅整流器将交流电整流成直流或由蓄电池等直流电源供电 再由 PWM 斩波器进行斩波调压等 PWM 驱动装置与传统晶闸管驱动装置比较 具有下 列优点 需用的大功率可控器件少 线路简单 调速范围宽 电流波形系数好 附加 损耗小 功率因数高 可以广泛应用于现代直流电机伺服系统中 本系统是基于 PWM 控制的直流电机控制系统 直流电机的直流斩波调速 3 第二章 主电路的设计与分析 2 1 主电路的各个部分电路 主电路主要环节是 整流电路 斩波电路及保护电路 图 2 1 调速系统 直流脉宽调速系统的组成如图 2 1 所示 由主电路 控制及保护电路 信号检测 电路三大部分组成 二极管整流桥把输入的交流电变为直流电 电阻 R1 为起动限流电 阻 C1 为滤波电容 可逆 PWM 变换器主电路系采用 MOSFET 所构成的 H 型结构形式 它 是由四个功率 IGBT 管 VT1 VT2 VT3 VT4 和四个续流二极管 VD1 VD2 VD3 VD4 组成的双极式 PWM 可逆变换器 根据脉冲占空比的不同 在 直流电机 M 上可得到正或负的直流电压 2 1 1 整流电路 晶体二极管桥式整流电路是使用最多的一种整流电路 这种电路 只要增加两只 二极管口连接成 桥 式结构 便具有全波整流电路的优点 而同时在一定程度上克服 了它的缺点 直流电机的直流斩波调速 4 图 2 2 整流电路 桥式整流电路的工作原理如下 e2 为正半周时 对 D1 D3 和方向电压 Dl D3 导通 对 D2 D4 加反向电压 D2 D4 截止 电路中构成 e2 Dl Rfz D3 通电 回路 在 Rfz 上形成上正下负的半波整洗电压 e2 为负半周时 对 D2 D4 加正 向电压 D2 D4 导通 对 D1 D3 加反向电压 D1 D3 截止 电路中构成 e2 D2 Rfz D4 通电回路 同样在 Rfz 上形成上正下负的另外半波的整流电压 如此 重复下去 结果在 R 上便得到全波整流电压 其波形图和全波整流波形图是一样的 从图 2 2 中还不难看出 桥式电路中每只二极管承受的反向电压等于变压器次级电压 的最大值 比全波整洗电路小一半 2 1 2 斩波调速电路 直流电动机往往需要正 反向运行 而且有电动和制动工作状态 这就需要四象 限斩波变换电路为电动机供电 图 2 3 给出了四象限斩波调速主电路原理图 T1 T4 组 成了全桥电路 又称 H 桥型电路 TA1 检测母线的电流大小和方向 TA2 检测电动机的 电流大小和方向 电容 C 用来减小开关过程引起的电压波纹压敏电阻 Rv 用来抑制电压 尖峰 电机的工作状态同供电方式和负载有关 直流电机的直流斩波调速 5 图 2 3 斩波调速电路 电机正向电动状态运行时 变换器工作在第一象限 使 T4 导通 T2 T3 关断 根 据转速要求对 T1 进行 PWM 调制 此时变换器等效一个降压斩波电路 能量由直流电源 供向负载 如果希望电机运行于正想制动状态 可使 T4 导通 T1 T3 关断 变换器等效一个 升压斩波电路 调控 T2 电动机的反电动势升压变换得到一个略大于 Ud 的电压 使得 电动机输出电流反向 电磁转矩反向 直流电动机运行在发电制动状态 电动机的能 量就回馈到电网 转速下降 同理 T2 导通 T1 T4 关断 调控 T3 电动机可以运行在反向电动状态 T2 导 通 T1 T3 关断 调控 T4 电动机可以运行在反向制动状态 2 1 3 保护电路设计 斩波器的散热设计 热管散热技术是当今国际较流行的散热方式 国内近年来发展较快 被人们称之 为热的 超导体 已广泛用于车辆电传动系统 热管的主要特点 高效的导热性 高 度的等温性 热流密度变换能力强 结构多样灵活 重量轻 由于 IGBT 模块的开关频 率高 开关损耗大 特别是对大功率 IGBT 模块 一般普通型材散热器难以满足要求 热管散热器特别适合于这种安装底板绝缘的大功率 IGBT 模块散热 目前适合于大功率 IGBT 模块的热管散热器的热阻可以达到额定标准以下 过电流保护电路 过电流保护采用的是在主电路中串联一个 1 的电阻 在其两端并联电磁继电器的 线圈 过流保护信号取自电阻两端的电压 当主电路的电流高于一定数值时 电磁 继电器的开关闭合 接通低电平 该过电流信号还送到 SG3525 的脚 10 在 SG3525 内 部由于 T3 基极与 A 端线相连 A 端线由低电压上升为逻辑高电平 经过 SG3525A 的 13 脚输出为高电平 功率驱动电路输出至功率场效应管的控制脉冲消失 在电路中 过 流保护环节还输出一个信号到与门的输入端 当出现过流信号时 检测环节输出一低 电平信号到与门的输入端 使脉冲消失 与 SG3525 的故障关闭功能一起构成双重保护 IGBT 的保护设计 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 21 Jun 2009Sheet of File D Protel 99 SE 主主主主主 主主主主 ddbDrawn By C D3D1 D2D4 Rv T3 T4T2 T1 TA1 TA2 M Ud 主主主主主主主主主主 直流电机的直流斩波调速 6 在斩波电路中对斩波器的保护 实际上就是对 IGBT 的保护 所以重要的是怎么设 计好对开关管 IGBT 的保护方案 在设计对 IGBT 的保护系统中 主要是针对过电流保 护和开关过程中的过电压保护 IGBT 的过电流保护 IGBT 的过流保护电路可分为 2 类 一类是低倍数的 1 2 1 5 倍 的过载保护 一类是高倍数 可达 8 10 倍 的短路保护 对于过载保护不必快速响应 可采用集中式保护 即检测输入端或直流环节的总 电流 当此电流超过设定值后比较器翻转 封锁所有 IGBT 驱动器的输入脉冲 使输出 电流降为零 这种过载电流保护 一旦动作后 要通过复位才能恢复正常工作 IGBT 能承受很短时间的短路电流 能承受短路电流的时间与该 IGBT 的导通饱和压 降有关 随着饱和导通压降的增加而延长 如饱和压降小于 2V 的 IGBT 允许承受的短 路时间小于 5 s 而饱和压降 3V 的 IGBT 允许承受的短路时间可达 15 s 4 5V 时可 达 30 s 以上 存在以上关系是由于随着饱和导通压降的降低 IGBT 的阻抗也降低 短路电流同时增大 短路时的功耗随着电流的平方加大 造成承受短路的时间迅速减 小 通常采取的保护措施有软关断和降栅压 2 种 软关断指在过流和短路时 直接关 断 IGBT 但是 软关断抗骚扰能力差 一旦检测到过流信号就关断 很容易发生误动 作 为增加保护电路的抗骚扰能力 可在故障信号与启动保护电路之间加一延时 不 过故障电流会在这个延时内急剧上升 大大增加了功率损耗 同时还会导致器件的 di dt 增大 所以往往是保护电路启动了 器件仍然坏了 降栅压旨在检测到器件过流时 马上降低栅压 但器件仍维持导通 降栅压后设 有固定延时 故障电流在这一延时期内被限制在一较小值 则降低了故障时器件的功 耗 延长了器件抗短路的时间 而且能够降低器件关断时的 di dt 对器件保护十分有 利 若延时后故障信号依然存在 则关断器件 若故障信号消失 驱动电路可自动恢 复正常的工作状态 因而大大增强了抗骚扰能力 IGBT 开关过程中的过电压保护 关断 IGBT 时 它的集电极电流的下降率较高 尤其是在短路故障的情况下 如不 采取软关断措施 它的临界电流下降率将达到数 kA s 极高的电流下降率将会在主 电路的分布电感上感应出较高的过电压 导致 IGBT 关断时将会使其电流电压的运行轨 迹超出它的安全工作区而损坏 所以从关断的角度考虑 希望主电路的电感和电流下 降率越小越好 但对于 IGBT 的开通来说 集电极电路的电感有利于抑制续流二极管的 反向恢复电流和电容器充放电造成的峰值电流 能减小开通损耗 承受较高的开通电 流上升率 一般情况下 IGBT 开关电路的集电极不需要串联电感 其开通损耗可以通过 改善栅极驱动条件来加以控制 2 2 电路参数及选型 Ud 110V 考虑占空比为 90 则 Us Ud 0 9 123V 取 Us 1 2U2 U2 Us 1 2 102V 考虑到 10 的裕量 U2 1 1 102V 113V 一 二次电流计算 I2 Id 13A 变比 K U1 U2 220 113 1 95 I1 I2 K 13 1 08 12A 直流电机的直流斩波调速 7 考虑空载电流 取 I1 1 05 12 12 6A 变压器容量计算 S1 U1 I1 220 12 6 2772VA S2 U2 I2 113 13 1469VA S S1 S2 2 2120 5VA 整流元件选择 二极管承受反向最大电压 UDM 1 414U2 1 414 113 160V 考虑 3 倍裕量 则 UTN 3 160 480V 取 500V 该电路整流输出接有大电容 而且负载也不是纯电感负载 但为了简化计算 仍 可按电感计算 只是电流裕量要可适当取大些即可 IdD 0 5Id 0 5 13 6 5A ID Id 1 414 13 1 414 9 2A ID AV 2ID 1 57 2 9 2 1 57 11 7A 滤波电容选择 C1 一般根据放电的时间常数计算 负载越大 要求纹波系数越小 一般不做严格 计算 多取 2000 uF 以上 因该系统负载不大 故 取 C1 2200 uF 耐压 1 5UDM 1 5 160 240V 取 250V 即选用 2200uF 250V 电容器 IGBT 的选择 因为 Us 123V 取 3 倍裕量 选耐压为 400V 以上的 IGBT 由于 IGBT 是以最大标 注且稳定电流与峰值电流间大致为 4 倍关系 故应选用大于 4 倍额定负载电流的 IGBT 为宜 因此选用 50A 额定电压 1600V 左右的 IGBT 续流二极管的选择 根据 srm UU 3 2 dcm II 2 5 1 得知 续流二极管应选 IcmA 额定电压为的 Urm 二极管 直流电机的直流斩波调速 8 第三章 控制电路的设计与分析 控制电路 如图 3 1 主要环节是 触发电路 电压电流检测单元 驱动电路 检 测与故障保护电路 主电路电力电子开关器件要采用 IGBT 并且系统具有完善的保护 如图 3 1 所示 图 3 1 控制电路 3 1 触发电路的设计与分析 锯齿波同步移相触发电路由同步检测 锯齿波形成 移相控制 脉冲形成 脉冲 放大等环节组成 直流电机的直流斩波调速 9 3 2 脉宽调制 PWM 控制的设计与分析 根据 IGBT 的特点 本设计用脉宽调制 PWM 控制方式对开关管的占空比进行控 制 采用的芯片是脉宽调制器 SG3525 要改变输出脉冲 PWM 的占空比 只要改变调制 信号 Ur 的电压大小即可实现 SG3525 的引脚及其内部框图如图 3 2 所示 图 3 2 SG3523 引脚图 它主要由基准电压调整器 震荡器 误差放大器 比较器 锁存器 欠压锁定电 路 闭锁控制电路 软启动电路 输出电路构成 3 2 1 欠压锁定功能 基准电压调整器受 15 端的外加直流电压 Vc 的影响 当 Vc 低于 7V 或严重欠压时 基准电压调整器的精度值就得不到保证 由于设置了欠压锁定电路 当出现欠电压时 欠电压锁定功能使 A 端线由低电压上升为逻辑高电平经过或非门输出转化为 P1 P2 0 SG3525 的 13 脚输出电平 功率驱动电路输出至功率场效应管的控制脉冲消失 逆变 器无电压输出 3 2 2 系统的故障关闭功能 为便于从主回路受检测到的故障信号 集成控制器内部 T3 晶体管基极经一电阻连 接 10 引脚 过流保护环节检测到的故障信号使 10 脚为高电平 由于 T3 基极与 A 端线 相连 故障信号产生的关闭过程与欠电压锁定过程类似 在电路中 过流保护环节还 输出一个信号到与门的输入端 当出现过流信号时 检测环节输出一低电平信号到与 门的输入端 使脉冲消失 与 SG3525 的故障关闭功能一起构成双重保护 3 2 3 软起动功能 直流电机的直流斩波调速 10 软起动功能的实现主要由晶体管 T3 和外接电容 C3 及锁存器来实现的 当出现欠 压或者有过流故障时 A 端线高电平传到 T3 晶体管基极 T3 导通为 8 引脚外接电容 C3 提供放电的途径 C3 经 T3 放电到零电压后 限制了比较器的 PWM 脉冲电压输出 该 电压上升为恒定的逻辑高电平 PWM 高电平经 PWM 锁存器输出至 D 端线仍为恒定的逻 辑高电平 C3 电容重新充电之前 D 端线的高电平不会发生变化 封锁输出 当故障 消除后 A 端线恢复为低电压正常值 T3 截止 C3 电容由 50 A 电流源缓慢充电 C3 充电对 PWM 和 D 端线脉冲宽度产生影响 同时对 P1 和 P2 输出脉冲产生影响 其结果 是使 P1 和 P2 脉冲由窄缓慢变宽 只有 C3 充电结束后 P1 和 P2 的脉冲宽度才不受 C3 充电的影响 这种软启动方式 可使系统主回路电机及功率场效应管避免承受过大的 冲击浪涌电流 3 2 4 波形的产生及控制方式分析 锯齿波作为载波信号 Ut 调制信号由 9 脚输入 此图中 调制信号由可调电位器 RP 上的电压信号 Ur 和外加的给定信号 Ug 叠加而成 RP 上的电压信号用于确定脉宽 调制波的初始占空比 Ug 可正可负 用于控制逆变器输出电压的大小和极性 Ug 也可 以由摸拟或数字调节器的输出来控制 构成闭环自动控制系统 集成控制器 SG3525 的输出侧采用推拉式电路 可使关断速度加快 11 脚 14 脚 与 12 脚连接 PWM 脉冲由 13 脚输出 这样能够保证 13 脚的输出与锁存器的输出一致 锯齿波与调制波的交点比较功能由比较器完成 Ut Ur 时 比较器输出的 PWM 波形由逻辑低电平变为高电平 Ut Ur 时 比较器输出的 PWM 波形由逻辑高电平变 为低电平 为保证 PWM 波宽不至于太窄 用 PWM 锁存器锁存高电平值 并在 CP 脉冲 下跳时对锁存器清零 以进行下一个比较点的锁存 3 3 延时 驱动电路的设计 在可逆变换器中 跨接在电源 Us 两端的上 下两个功率场效应管经常交替工作 由于功率场效应管的关断要有一定的时间 在这段时间内功率场效应管并未完全关断 如果在此期间另一个功率场效应管已经导通 则将造成上下两管直通 从而使电源正 负极短路 为了避免发生这种情况 设置了由 R C 电路构成的逻辑延时环节 保证在 对一个管子发出关闭脉冲后 延时 2 S 左右的时间后再发出对另一个管子的开通脉冲 如图所示 Ua 为 SG3525 的 13 脚输出占空比可调的脉冲波形 占空比调节范围不小于 0 1 0 9 经过 RC 移相后 输出两组互为到相 死区时间为 4 S 左右的脉冲 经过 光耦隔离后 分别驱动四只 IGBT 管 其中 VT1 VT4 驱动信号相同 VT2 VT3 驱动信 直流电机的直流斩波调速 11 号相同 图 3 3 延时驱动电路 3 4 ASR 和 ACR 调节器设计 3 4 1 ASR 速度调节器 速度调节器 ASR 的功能是对给定和反馈两个输入量进行加法 减法 比例 积分 和微分等运算 使其输出按某一规律变化 它由运算放大 器 输入与反馈网络及二极管限幅环节组成 其原理图如图 3 4 所示 图 3 4 速度调节器 转速调节器 ASR 也可当作电压调节器 AVR 来使用 速度调节器采用电路运算放大器 它具有两个输入端 同相输入端和倒相输入端 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date 6 Oct 2002 Sheet of File D USER MCL mcl03 mcl03 DdbDrawn By 15 15 15 15 RP3 2 2K RP2 2 2K R20 470 RP1 4 7K C2 473R9 10K V5 3DJ6H VD3 1N4007 R16 2M C1 474 R15 12K R19 300 R18 300 V4 3CG23 V3 3DG6C 1N4007 1N4007 R21 1 5K R14 10K 3 2 6 1 5 74 UA741 C7 224 C6224 C9 224 V2 9013 R4 5 1KVST3 2CW54 R13 10KR8 10K C8 224 V1 9013 R3 5 1K VST2 2CW54 R12 10K R7 10K R11 10K R6 10KVST1 2CW54 R10 10K R5 10K 1 7 直流电机的直流斩波调速 12 其输出电压与两个输入端电压之差成正比 电路运算放大器具有开环放大倍数大 零 点漂移小 线性度好 输入电流极小 输出阻抗小等优点 可以构成理想的调节器 图 1 7 中 由二极管 VD4 VD5 和电位器 RP2 RP3 组成正负限幅可调的限幅电路 由 C2 R9 组成反馈微分校正网络 有助于抑制振荡 减少超调 R15 C1 组成速度环串 联校正网络 场效应管 V5 为零速封锁电路 当 4 端为 0V 时 VD5 导通 将调节器反馈 网络短接而封锁 4 端为 13V 时 VD5 夹断 调节器投入工作 RP1 为放大系数调节电 位器 元件 RP1 RP2 RP3 均安装在面板上 电容 C1 两端在面板上装有接线柱 电容 C2 两端也装有接线柱 可根据需要外接电容 3 4 2 ACR 电流调节器 电流调节器适用于可控制传动系统中 对其输入信号 给定量和反馈量 时进行 加法 减法 比例 积分 微分 延时等运算或者同时兼做上述几种运算 以使其输 出量按某种予定规律变化 它是由下述几部分组成 运算放大器 两极管限幅 互补 输出的电流放大级 输入阻抗网络 反馈阻抗网络等 图 3 5 电流调节器 电流调节器与速度调节器相比 增加了 4 个输入端 其中 2 端接过流推 信号 来 自电流变换器的过流信号 U 当该点电位高于某值时 VST1 击穿 正信号输入 ACR 输出负电压使触发电路脉冲后移 UZ UF端接逻辑控制器的相应输出端 当这二端为 高电平时 三极管 V1 V2 导通将 Ugt 和 Ugi 信号对地短接 用于逻辑无环流可逆系统 晶体管 V3和 V4构成互补输出的电流放大级 当 V3 V4基极电位为正时 V4管 PNP 型晶体管 截止 V3管和负截构成射极跟随器 如 V3 V4基极电位为负时 V3 管 NPN 型晶体管 截止 V4管和负截构成射极跟随器 接在运算放大器输入端前面的 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date 6 Oct 2002 Sheet of File D USER MCL mcl03 mcl03 DdbDrawn By R5 10K R10 10K R6 10K R11 10K C6 224 C7 224 3 2 6 1 5 74 UA741 R14 10K R21 1 5K VD4 1N4007 VD5 1N4007 R15 120K C1 474 R16 2M VD3 1N4007 V5 3DJ6H R9 10K C2 473 RP1 4 7K R20 470 RP2 1 5K RP3 1 5K 15 15 Ufn Usr 1 6 直流电机的直流斩波调速 13 阻抗为输入阻抗网络 改变输入和反馈阻抗网络参数 就能得到各种运算特性 元件 RP1 RP2 RP3 装