PWM控制直流调速系统毕业设计

1、毕 业 设 计（论文）题 目 PWM控制直流调速系统的设计 毕业设计（论文）英文题目 The design of PWM DC speed regulating system 姓名 赵文琦 专 业 电气自动化 年 级 12级 指导教师 张晓红 职 称 提交日期 答辩日期 辽宁工程技术大学应用技术学院年 月 摘要随着社会的发展与进步，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。电机分为多种，而直流电机是非常普遍的一种电机，他具有良好的调速性能，较大的启动转矩和过载能力，因此在各领域中都得到广泛应用。研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、和提高产品的质量都具有重要意义。

2、电机调速问题一直是自动化领域比较重要的环节之一。不同领域对于电机的调速性能有着不同的要求，因此，不同的调速方法有着不同的应用场合。本设计是以电力电子学，电机与拖动学为基础，设计了一种基于脉冲宽度调制（简称PWM）控制技术的直流电机调速控制系统,对于调速系统中要用到的大功率半导体开关器件，鉴于各项指标的考虑，本文选用的是绝缘栅双极型晶体管（简称IGBT）。论文中对IGBT应用时要注意的事项进行了详细的讨论，对PWM控制的原理进行了详细的说明。论文给出了以SG3525芯片为核心的IGBT的驱动和保护电路，重点对集成PWM控制器SG3525做了详细的介绍，分析了SG3525的内部结构和外围电路的接法

3、，并给出了它在系统中的应用电路。为了验证系统初步运行的可靠性，本论文进行了相应的仿真设计。关键词: IGBT；PWM控制；调速；仿真AbstractWith the development and progress of the society, the motor in industrial and agricultural production, plays a very important role in Peoples Daily life. Motor is divided into multiple, and dc motor is one of the very common,

4、he has a good speed regulating performance, bigger starting torque and overload capacity, thus is widely used in various fields. Study of dc motor control and measurement method, to improve the control accuracy and response speed, and improve the quality of the product is of great significance. Moto

5、r speed control automation is one of the more important link. Different areas for motor speed control performance has different requirements, therefore, different control methods have different applications.This design is based on power electronics, motor and drag as the foundation, design a kind of

6、 based on pulse width modulation (PWM) control technology of the dc motor speed control system, the speed control system used in high power semiconductor switching devices, in view of the consideration of the indicators, this article chooses the insulated gate bipolar transistor (IGBT). Items to be

7、paid attention to when using the IGBT in the paper discussed in detail, and has carried on the detailed instructions to the principle of PWM control. Paper gives the SG3525 chip as the core of IGBT drive and protective circuit, focusing on integrated PWM controller SG3525 is introduced in detail, an

8、alyzes the internal structure of SG3525 and peripheral circuit connection, and its application in the system circuit is presented. In order to verify the reliability of system preliminary operation, this paper has carried on the corresponding simulation design.Key words: IGBT; PWM control; Speed con

9、trol；The simulation- II -目录0 引言11 直流电动机及PWM调速系统31.1 直流电动机调速方式的选择31.1.1 直流电动机调速方法的选择31.1.2 直流电源的选择41.1.3 晶闸管整流的缺点51.2 PWM控制系统61.2.1 选择PWM控制直流电动机调速的理由62 元器件的选择72.1 门极可关断器件72.1.1 几种常见的门极可关断器件72.2 IGBT的基本结构与工作原理92.2.1 基本结构92.2.2 工作原理102.3 IGBT的基本特性与主要参数102.3.1 IGBT的基本特性112.3.2 IGBT的主要参数122.3.3 IGBT的特性和参

10、数特点122.4 注意事项与IGBT的保护122.4.1 注意事项122.4.2 IGBT的保护132.5 直流电动机及驱动芯片的选择132.5.1 直流电动机的选择132.5.2 驱动模块的选择133 PWM调速直流调速系统的主电路143.1 直流电源的设计143.1.1 三相桥式整流电路143.2 PWM直流调速系统的主电路的设计163.2.1 PWM变换器的介绍164 PWM控制直流电机控制系统的设计244.1 PWM信号发生器244.1.1 SG3525芯片的主要特点244.1.2 SG3525各引脚端子功能254.1.3 SG3525工作原理274.1.4 SG3525外围接线电路2

11、84.2 IGBT的驱动与电路的过流保护284.2.1 IGBT的驱动284.2.2 电路的过流保护电路304.3 总设计图305 PWM控制直流电机调速系统的仿真设计325.1 软件简介325.1.1 工作窗口325.1.2 元器件的选择及参数设置325.2 电路的仿真335.2.1 15V电压源的设计及仿真335.2.2 IGBT驱动电路的设计335.2.3 主电路的仿真35结束语36参考文献37致谢38辽宁工程技术大学应用技术与经济管理学院毕业设计（论文）0 引言随着电力电子技术的发展，电气自动化在20世纪50年代以来曾进行了两次重大的技术更新。一次是元器件的更新，即以大功率半导体器件晶

12、闸管取代传统的变流机组，以线形组件运算放大器取代电磁放大器件。后一次技术更新主要是把现代控制理论和计算机技术用于电气工程，控制器由模拟式进入了数字式。在前一次技术更新中，电气系统的动态设计仍采用经典控制理论的方法。而后一次技术更新是设计思想和理论概念上的一个飞跃和质变，电气系统的结构和性能亦随之改观。在整个电气自动化系统中，电力拖动及调速系统是其中的核心部分。纵观电力拖动的发展过程，交、直流两种拖动方式并存于各个生产领域。随着工业技术的不断发展，两种拖动方式在相互竞争、相互促进中发生着深刻的变革。在交流电机出现以前，直流电力拖动是唯一的拖动方式。19世纪末，由于研制出了经济实用的交流电机，使交

13、流电力拖动在工业中得到了广泛的应用。但是随着生产技术的发展，特别是精密机械加工与冶金工业生产过程的进步，对电力拖动在启动、制动、正反转以及调速精度与范围等静态特性和动态特性响应方面提出了更新、更高的要求。由于交流电力拖动比直流电力拖动在技术上难以实现这些要求，所以20世纪以来，在可逆、可调速与高精度的拖动领域中，在相当长的一段时期内几乎都是采用直流电力拖动，而交流电力拖动则主要用于恒转速系统。电力拖动的发展大致可以分为这样几个阶段：第一阶段是单一电机的拖动控制阶段，很多工作机械都是由一台主电机作为动力，通过天轴和机械传动的方式进行，往往在一个车间就只有一台电动机，对电机的控制采用继电-接触器，

14、这种工作方式噪声大、效率低、指针精度差；第二阶段，电力拖动走向了单机拖动的时代，一台电机拖动一台机械设备，采用模拟电路与晶闸管等电力电子器件进行控制，与前一阶段相比，电机的利用率、加工精度都有了很大的提高；第三阶段，电机的拖动控制向单独的器件发展，即一个旋转部件由一台电机拖动，采用数字电子计算机等数字控制设备进行控制，先进的控制方法也逐渐在电力拖动领域得到广泛的应用。目前，随着大功率电力电子器件的迅速发展，交流变频调速技术已日臻成熟并日渐成为实际应用的主流，但这并不意味着传统的直流调速技术已经完全退出了实际应用的舞台。相反，近几年交流变频调速在控制精度的提高上遇到了瓶颈，于是直流调速的优势就显

15、现了出来。直流调速仍然是目前最可靠，精度最高的调速方法。譬如在对控制精度有较高要求的造纸，转台，轮机定位等系统中仍离不开直流调速装置，因此加强对直流调速系统的研究还是很有必要的。鉴于直流调速系统在国民经济和工农业生产以及国防事业中的重要作用，有必要对直流调速系统作进一步的研究和开发。1 直流电动机及PWM调速系统直流电动机的种类有很多，按照励磁方式分为他励、并励，串励，复励（集复励和差复励）本设计主要研究他励直流电动机，及调速方式的选择。1.1 直流电动机调速方式的选择1.1.1 直流电动机调速方法的选择直流电动机的调速方法有如下三种：1）电枢串电阻调速。调速范围小，从曲线可以看出，电枢回路串

16、入的电阻越大，调速范围就越大，但串入较大的电阻时，机械特性又太软，负载稍有波动，转速就会有很大的波动，使系统运行不稳定；在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。如下图1-1图1-1 他励直流电动机电枢串入电阻时的接线图及特性曲线2）减弱磁通调速。调速范围小，减弱磁通调速只能从基速向上调，而转速的上限受换向和机械强度的限制，因而调速范围小；调速的相对稳定性差，调速速后的特性变软；调速的的平滑性好；属于恒功率调速。如下图1-23）降低电压调速。改变电枢电压主要是从额定电压往

17、下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。如图1-3所示变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。图1-2 直流电机的减弱磁通调速图1-3 他励直流电动机降低电压调速的接线图及特性曲线总观以上三种的调速方式，改变电枢电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。因此，自动控制的直流调

18、速系统往往以调压调速为主速。1.1.2 直流电源的选择降低电压调速需要有专门的可调压直流电源，可调直流电源一般分为以下三种：1）直流发电机-电动机组（简称G-M系统）。这种系统电机多，占地面积大，噪音大，效率低，目前已很少采用。2）晶闸管整流装置。整流装置是将交流电压变为可调的直流电压，向直流电动机供电，改变晶闸管出发装置的控制角，可以改变整流装置输出的直流电压，即可改变电动机电枢两端的平均电压，实现电动机的调速。3）脉宽调制器或直流斩波电路。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。实现电机的调速。综以上三种情况考虑，直流发电机-电动机组，这种系统

19、的缺点较多，性价比较差，占地面积，大噪音大，给环境造成了污染，采用晶闸管整流相对G-M这种静止的这种整流装置来说，它的整流装置的供电调速系统的占地面积小，噪音小，效率高，现已基本上代替了直流发电机-电动机组，但是晶闸管整流也有其自身的缺点。1.1.3 晶闸管整流的缺点晶闸管整流的缺点一般常见为如下几点：1）晶闸管一般是单向导电元件，晶闸管整流器的电流是不允许反向的，这给电动机实现可逆运行造成困难。必须实现四象限可逆运行时，只好采用开关切换或正、反两组全控型整流电路，构成V-M可逆调速系统，后者所用变流设备要增多一倍。2）晶闸管元件对于过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt十分敏感，其中

20、任意指标超过允许值都可能在很短时间内元件损坏，因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还应保留足够的余量，以保证晶闸管装置的可靠运行。3）晶闸管的控制原理决定了只能滞后触发，因此，晶闸管可控制整流器对交流电源来说相当于一个感性负载，吸取滞后的无功电流，因此功率因数低，特别是在深调速状态，即系统在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使得系统的功率因数很低，并产生较大的高次谐波电流，引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备。如果采用晶闸管整流装置的调速系统在电网中所占容量比重较大，将造成所谓的“电力公害”。为此，应采取相应的无功补偿、滤波和高次谐波的抑制措施。4）晶闸管整流装置

21、的输出电压是脉动的，而且脉波数总是有限的。如果主电路电感不是非常大，则输出电流总存在连续和断续两种情况，因而机械特性也有连续和断续两段，连续段特性比较硬，基本上还是直线；断续段特性则很软，而且呈现出显著的非线性。由于以上种种原因，所以选择了脉宽调制变换器进行改变电枢电压的直流调速系统。1.2 PWM控制系统在异步电动机恒转矩的变频调速系统中，随着变频器输出频率的变化，必须相应地调节其输出电压。此外，在变频器输出频率不变的情况下，为了补偿电网电压和负载变化所引起的输出电压波动，也应适当地调节其输出电压。具体现实调节和调频的方法有很多种，但一般按变频器的输出电压和频率的控制方法分为PAM和PWMP

22、AM脉幅调制型变频，是一种通过改变电压源的电压Ud或电流源Id的幅值，进行输出控制的方式。它在逆变器部分只控制频率，在整流电路和中间电路部分控制输出的电压或电流。由于PAM存在一些固有的缺陷，目前变频器中已很少应用。PWM脉宽调制型变频，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变调制周期来控制其输出频率。脉宽调制的方法很多，以调制脉冲的极性分，可分为单极性调制和双极性调制两种；以载频型号与参考信号频率之间的关系分，可分为同步调制和异步调制两种。1.2.1 选择PWM控制直流电动机调速的理由脉宽调制器UPW采用美国Silicon General开发的快速型IGBT驱动专用模块SG3525，这是一种

23、性能优良，功能全、通用性强的单片集成PWM控制器。由于它简单、可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试，故获得广泛使用。PWM系统在很多方面具有较大的优越性 ：1）PWM调速系统主电路线路简单，需用的功率器件少。2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损耗及发热都较小。3）低速性能好，稳速精度高，调速范围广，可达到1：10000左右。4）如果可以与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。5）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，开关损耗不大，因而装置效率较高。6）直流电源采用不可控整流时电网功率因数比相控整流器高。2 元器件的选择本设计

24、采用的元器件主要包括门极可关断开关元器件，直流电机的选择，驱动模块的选择2.1 门极可关断器件随着电力电子技术的发展，新型器件不断涌现，20世纪80年代以来，信息电子技术与电力电子技术在各自发展的基础上相结合，出现了高频化，全控型，采用集成电路制造工艺的电力电子器件，从而将电力电子技术带入了一个崭新的时代。典型代表有门极可关断晶闸管、电力晶体管（GTR）、电力场效应管（Power-MOSFIT）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）以及智能功率模块等多种新型电力电子器件。这些器件通过对基极（门极，栅极）的控制，既能控制其导通，有能控制其关短，因此称其为全控器件，也称为自关断器件，和普通晶闸管相比，这

25、种器件可应用在多种场合，控制灵活，电路简单，能耗小，使电力电子技术的应用范围大为拓宽。2.1.1 几种常见的门极可关断器件常见的门极可关断器件有如下几种 门极可关断晶闸管（GTO）GTO和普通晶闸管一样，是PNPN四层半导体结构，外部也是引出阳极，阴极和门极。但和普通晶闸管不同的是，GTO是一种多元的功率集成器件。虽然外部同样引出三个极，但内部包含数十个甚至数百个共阳极的小GTO单元，这些GTO单元的阴极和门极在器件内部并联，他是为了实现门极控制关断而设计的。1)在设计器件时使a2较大，这样晶体管V2控制灵敏，这样GTO可以很容易关断。2)使得a1+a2趋向与1，普通晶闸管a1+a2=1.15

26、，而GTO的近似为1.05，这样GTO导通时饱和程度不深，更接近与临界饱和，为门极可关断控制提供了有力条件。不利因素，导通是管压降增大了。3)集成结构中每个GTO单元的阴极面积小，门极和阴极间的距离大为缩短，使得P2基区的横向电阻很小，使门极抽出较大的电流成为可能。4)它比普通晶闸管开通过程快，承受的电压能力强。 电力晶体管(GTR)电力晶体管按英文Giant Transistor直译为巨型晶体管Giant TransistorGTR，是一种耐高电压、大电流的双极结型晶体管（Bipolar Junction TransistorBJT），所以有时也称为Power BJT；其特性有：耐压高，电流

27、大，开关特性好，但驱动电路复杂，驱动功率大；GTR和普通双极结型晶体管的工作原理是一样的。1)静态特性共发射极接法时可分为三个工作区: 截止区。在截止区内，ib0，Ube0，Ubc0，Ube0，UbcIcs/，Ube0，Ubc0，ics是集电极饱和电流，其值由外电路决定。结论:两个PN结都为正向偏置是饱和的特征。饱和时，集电极、发射极间的管压降Uce很小，相当于开关接通，这时尽管电流很大，但损耗并不大。GTR刚进入饱和时为临界饱和，如ib继续增加，则为过饱和，用作开关时，应工作在深度饱和状态，这有利于降低Uce和减小导通时的损耗。2)动态特性GTR在关断时漏电流很小，导通时饱和压降很小。因此，

28、GTR在导通和关断状态下损耗都很小，但在关断和导通的转换过程中，电流和电压都较大，所以开关过程中损耗也较大。当开关频率较高时，开关损耗是总损耗的主要部分。因此，缩短开通和关断时间对降低损耗、提高效率和提高运行可靠性很有意义。 电力场效应晶体管（MOSFET）电力MOS场效应管 通常主要指绝缘栅型中MOS(MetalOxideSemiconductor FET)，简称电力MOSFET(Power MOSFET) 结型电力场效应晶体管一般称作静电感应晶体管(Static Induction Transistor-SIT)。 是一种单极型的电压控制全控型器件。主要特点如下：用栅极电压来控制漏极电流。

29、输入阻抗高。驱动电路简单，需要的驱动功率小。开关速度快，工作频率高。热稳定性优于GTR。电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。 绝缘栅双极性晶体管(IGBT)绝缘栅双极型晶体管IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，因此，可以把其看作是MOS输入的达林顿管。它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动简单和快速的优点，又具有双极型器件容量大的优点，因而，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。在中大功率的开关电源装置中，IGBT由于其控制驱动电路简单、工作频率较高、容量较大的特点，已逐步取代

30、晶闸管或GTO。但是在开关电源装置中，由于它工作在高频与高电压、大电流的条件下，使得它容易损坏，另外，电源作为系统的前级，由于受电网波动、雷击等原因的影响使得它所承受的应力更大，故IGBT的可靠性直接关系到电源的可靠性。因而，在选择IGBT时除了要作降额考虑外，对IGBT的保护设计也是电源设计时需要重点考虑的一个环节。纵观以上三种门极可关断器件：可以得出如下结论门极可关断晶闸管（GTO）正脉冲触发导通，负脉冲控制关断，对门电路性能要求较为严格，导通时的管压降大；电力晶体管（GTR）流控器件，最高工作频率50KHz以下，工业应用中常用达林顿结构，开关频率在2KHz以下，存在二次击穿现象；场效应晶

31、体管（MOSFET）高速开关型电压控制三端（栅极G、源极S、漏极D）器件，驱动功率小，工作频率高，但是难以控制大电流和高电压，存在导通压降较大，栅极击穿等问题；绝缘栅双极性晶体管（IGBT） 它兼有GTR和MOSFET 的优点，控制功率小，开关速度快，电流处理能力强和饱和压降低等优点。经分析论证决定选IGBT作为电路中的可关断元器件2.2 IGBT的基本结构与工作原理2.2.1 基本结构IGBT的结构、符号及等效电路如图2-1所示：图2-1 IGBT的结构、符号及等效电路图2-1（a ）所示是N沟道MOSFET与GTR复合而成N沟道IGBT（N-IGBT），厚基区GTR为主导器件、MOSFET

32、为驱动器件的复合管；IGBT比MOSFET多一层P+注入区，形成了一个大面积的P+N+结J1；IGBT导通时，由P+注入区向N基区发射少子，从而对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力；简化等效电路表明，IGBT是GTR与MOSFET组成的达林顿结构，一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管；RN为晶体管基区内的调制电阻。 从图中我们还可以看到在集电极和发射极之间存在着一个寄生晶体管，寄生晶体管使IGBT出现电流锁定效应（电流擎住效应）。采用空穴旁路结构并使发射区宽度微细化后可基本上克服寄生晶体管的擎住作用。IGBT的低掺杂N漂移区较宽，因此可以阻断很高的反向电压。2.2.2

33、工作原理驱动原理与电力MOSFET基本相同，属于场控器件，通断由栅射极电压uGE决定导通：UGE大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形成沟道，为晶体管提供基极电流，IGBT导通。导通压降：电导调制效应使电阻RN减小，使通态压降减小。关断：栅射极间施加反压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，IGBT关断。IGBT分为N-IGBT和P-IGBT，实际应用中以N沟道IGBT为多，故以下以N-IGBT为例进行介绍。2.3 IGBT的基本特性与主要参数2.3.1 IGBT的基本特性1）静态特性 a转移特性 b输出特性图2-2 静态特性2）IGBT的动态特性（开关特性如

34、下图2-3所示）图2-3 IGBT动态特性a 开通时间ton ton = td + tr td 开通延迟时间。 tr电流上升时间。b 关断时间t off t off = td（ off ） + tf td（off）关断延迟时间。 tf电流下降时间。电流下降时间tf又可分为tfi1和tfi2两段。tfi1为IGBT内部的MOSFET的关断过程，iC下降较快；tfi2为IGBT内部的PNP晶体管的关断过程，此时MOSFET以关断。2.3.2 IGBT的主要参数1) 最大集射极间电压UCES ：由内部PNP管的击穿电压确定的。 2)开启电压UT和最大栅射极电压UGES ：开启电压UT使IGBT导通所

35、需的最小栅-射极电压,在25的条件下，UT一般为2V6V。UGES限制在20V以内，最佳值一般为15V左右。3) 通态压降UCE(on) :IGBT处于导通状态时，集电极与发射极间的导通压降。压降越小越好。一般为 2.5V3.5V之间。4) 集电极连续电流IC和峰值电流ICP： 在额定的测试温度(壳温为25)条件下， IC是IGBT所允许的集电极最大连续电流，也是额定电流。峰值电流ICP（脉宽1ms）为IC的2倍左右。2.3.3 IGBT的特性和参数特点1）开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只是GTR的1/10，与电力MOSFET相当。2）相同电压和相同电流定额时，安全工

36、作区比GTR大，且有耐脉冲电流冲击能力。3）通态压降比VDMOSFET低，特别是在电流较大的区域。4）输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似。5）与MOSFET和GTR相比，耐压能力和通流能力还可进一步提高，同时还保持了开关频率高的特点.2.4 注意事项与IGBT的保护2.4.1 注意事项1）IGBT的控制、驱动及保护电路应与其高速开关特性相匹配。2）当G、E端在开路的情况下，不要给C、E端加电压。3）在没有适当的防静电措施情况下，G、E端不能开路。2.4.2 IGBT的保护1) 在IGBT器件上设置的保护，栅源过电压保护、静电保护、采用R、C、VD缓冲电路等。2）在IGBT电控系统中设置的保

37、护、过压、欠压、过流和过热保护单元。IGBT不发生擎住效应。 设计中选的IGBT管的型号是IRGPC50U,它的参数如下：管子类型：NMOS场效应管极限电压Vm：600V极限电流Im：27 A耗散功率P：250 mW 额定电压U：220V额定电流I：10A2.5 直流电动机及驱动芯片的选择2.5.1 直流电动机的选择型号：DJ15功率：485W电枢电压：220V电枢电流：1.2A额定转数：1600r/m调速范围：1：1200起动时超调量：电流超调量:；转速超调量: 2.5.2 驱动模块的选择本设计采用了IGBT专用驱动芯片SG35253 PWM调速直流调速系统的主电路PWM直流调速系统的主电路

38、包括直流电源的设计，PWM控制直流调速系统的设计。3.1 直流电源的设计能得到直流电源的方法有很多，比如可以用蓄电池供电，交流电通过单相半波整流电路，单相桥式整流电路以及三相桥式整流电路。相比之下，用蓄电池供电投资大，性价比极低；单项桥式整流电路和单项半波整理电路相比三相桥式整流电路而言，三相桥式的波形更接近于理想直流，平滑性较好，而且可以使三相供电电源负载对称，减少了因负载不对称造成对电网的污染。3.1.1 三相桥式整流电路整流电路的功能是将交流电转换为直流电。直流电路按照输入交流电源的是否可控分为可控整流电路和不可控整流电路，单相可控整流电路适用于小功率的负载，对大功率的负载（负载容量超过

39、4KW），如果采用单相桥式整流的话，必然会造成负荷不平衡，影响电网的供电质量，本设计采用三相可控整流电路，如图3-1其中这里采用了电感电容滤波电路。电路组成如下：图3-1三相桥式整流及滤波电路三相全控桥式整流电路中共阴极接法(D1，D3，D5)和共阳极接法(D4，D6，D2)的控制角分别与三相半波可控整流电路共阴极接法和共阳极接法相同。在一个周期内，晶闸管的导通顺序为D1、D2、D3、D4、D5、D6。仿真电路如图3-2所示(其中示波器中的直线为滤波后的特性,非直线为滤波前的特性a滤波前的波形b滤波后的波形图3-2 三相桥式整流滤波电路由示波器图可以看出滤波后的曲线更趋近于理想直流,更适合PW

40、M 变频调速使用。由于三相桥式整流电路则输出电压为Ud=2.34*Ui=2.34*94=220V3.2 PWM直流调速系统的主电路的设计PWM控制直流调速系统主要包括门极可关断晶体管IGBT，通过调节每个晶体管的导通的占空比来达到调压调速的目的。3.2.1 PWM变换器的介绍脉宽调速系统的主要电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。PWM变换器分为不可逆和可逆两类，可逆变换器又有双极式、单极式和受限单极式等多种电路。下面分别对各种形式的PWM变换器做一下简要的介绍和分析。不可逆PWM变换器分为有制动作用和无制动作用两种。图3-3（a）所示为无制动作用的简单不可逆PWM变换器主电路原理图，其

41、开关器件采用全控型的电力电子器件。电源电压一般由交流电网经不可控整流电路提供。电容C的作用是滤波，二极管VD在电力晶体管VT关断时为电动机电枢回路提供释放电储能的续流回路。图3-3 简单的不可逆PWM变换器电路（a）原理图 （b）电压和电流波型电力晶体管VT的基极由频率为f，其脉冲宽度可调的脉冲电压驱动。在一个开关周期T内，当时，为正，VT饱和导通，电源电压通过VT加到电动机电枢两端；当时，为负，VT截止，电枢失去电源，经二极管VD续流。电动机电枢两端的平均电压为 式中，PWM电压的占空比，又称负载电压系数。的变化范围在01之间，改变，即可以实现对电动机转速的调节。图3-3（b）绘出了稳态时电

42、动机电枢的脉冲端电压、平均电压和电枢电流的波型。由图可见，电流是脉动的，其平均值等于负载电流（负载转矩， 直流电动机在额定磁通下的转矩电流比）。由于VT在一个周期内具有开关两种状态，电路电压平衡方程式也分为两阶段，即在期间 在期间 式中，R，L电动机电枢回路的总电阻和总电感；E电动机的反电动势。PWM调速系统的开关频率都较高，至少是14kHz，因此电流的脉动幅值不会很大，再影响到转速n和反电动势E的波动就更小，在分析时可以忽略不计，视n和E为恒值。这种简单不可逆PWM电路中电动机的电枢电流不能反向，因此系统没有制动作用，只能做单向限运行，这种电路又称为“受限式”不可逆PWM电路。这种PWM调速

43、系统，空载或轻载下可能出现电流断续现象，系统的静、动态性能均差。图3-4（a）所示为具有制动作用的不可逆PWM变换电路，该电路设置了两个电力晶体管VT1和VT2，形成两者交替开关的电路，提供了反向电流的通路。这种电路组成的PWM调速系统可在第I、II两个象限中运行。VT1和VT2的基极驱动信号电压大小相等，极性相反，即。当电动机工作在电动状态时，在一个周期内平均电流就为正值，电流分为两段变化。在期间，为正，VT1饱和导通；为负，VT2截止。此时，电源电压加到电动机电枢两端，电流沿图中的回路流通。在期间，和改变极性，VT1截止，原方向的电流沿回路2经二极管VD2续流，在VD2两端产生的压降给VT

44、2施加反压，使VT2不可能导通。因此，电动机工作在电动状态时，一般情况下实际上是电力晶体管VT1和续流二极管VD2交替导通，而VT2则始终不导通，其电压、电流波型如图3-4（b）所示，与图3-3没有VT2的情况完全一样。如果电动机在电动运行中要降低转速，可将控制电压减小，使的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使电动机电枢两端的平均电压降低。但是由于惯性，电动机的转速n和反电动势E来不及立刻变化，因而出现的情况。这时电力晶体管VT2能在电动机制动中起作用。在期间，VT2在正的和反电动势E的作用下饱和导通，由E产生的反向电流沿回路3通过VT2流通，产生能耗制动，一部分能量消耗在回路电阻上，一部分转化为磁

45、场能存储在回路电感中，直到t=T为止。在期间，因变负，VT2截止，只能沿回路4经二极管VD1续流，对电源回馈制动，同时在VD1上产生的压降使VT1承受反压而不能导通。在整个制动状态中，VT2和VD1轮流导通，VT1始终截止，此时电动机处于发电状态，电压和电流波型图3-4（c）。反向电流的制动作用使电动机转速下降，直到新的稳态。图3-4 具有制动作用的不可逆PWM变换电路这种电路构成的调速系统还存在一种特殊情况，即在电动机的轻载电动状态中，负载电流很小，在VT1关断后（即期间）沿回路2经VD2的续流电流很快衰减到零，如在图3-4（d）中的期间的时刻。这时VD2两端的压降也降为零，而此时由于为正，

46、使VT2得以导通，反电动势E经VT2沿回路3流过反向电流，产生局部时间的能耗制动作用。到了期间，VT2关断，又沿回路4经VD1续流，到时衰减到零，VT1在作用下因不存在而反压而导通，电枢电流再次改变方向为沿回路经VT1流通。在一个开关周期内，VT1、VD1、VT2、VD1四个电力电子开关器件轮流导通，其电流波形示图3-4（d）。综上所述，具有制动作用的不可逆PWM变换器构成的调速系统，电动机电枢回路中的电流始终是连续的；而且，由于电流可以反向，系统可以实现二象限运行，有较好的静、动态性能。由具有制动作用的不可逆PWM变换器构成的直流调速系统，电动机有两种运行状态，在电动状态下，依靠电力晶体管V

47、T1的开和关两种状态，在发电制动状态下则依靠VT2的开和关两种状态。两种工作状态下电路电压平衡方程式都分为两个阶段，情况同简单的不可逆的PWM变换器电路相同，即在期间为式，在期间为式，只不过两种状态下电流的方向相反，即在制动状态时为。可逆PWM变换器主电路的结构形式有T型和H型两种，其基本电路如图3-5所示，图中（a）为T型PWM变换器电路，（b）为H型PWM变换器电路。图3-5 可逆PWM变换器电路（a）T型 （b）H型T型电路由两个可控电力电子器件和与两个续流二极管组成，所用元件少，线路简单，构成系统时便于引出反馈，适用于作为电压低于50V的电动机的可控电压源；但是T型电路需要正负对称的双

48、极性直流电源，电路中的电力电子器件要求承受两倍的电源电压，在相同的直流电源电压下，其输出电压的幅值为H型电路的一半。H型电路是实际上广泛应用的可逆PWM变换器电路，它由四个可控电力电子器件（以下以电力晶体管为例）和四个续流二极管组成的桥式电路，这种电路只需要单极性电源，所需电力电子器件的耐压相对较低，但是构成调速系统的电动机电枢两端浮地。H型变换器电路在控制方式上分为双极式、单极式和受限单极式三种。（1）双极式可逆PWM变换器：双极式可逆PWM变换器的主电路如图3-5（b）所示。四个电力晶体管分为两组，VT1和VT4为一组，VT2和VT3为一组。同一组中两个电力晶体管的基极驱动电压波形相同，即

49、，VT1和VT4同时导通和关断；，VT2和VT3同时导通和关断。而且，和，相位相反，在一个开关周期内VT1，VT4和VT2，VT3两组晶体管交替地导通和关断，变换器输出电压在一个周期内有正负极性变化，这是双极式PWM变换器的特征，也是“双极性”名称的由来。H桥电路中采用了缓冲电路，由电阻和电容组成。 IGBT的缓冲电路功能侧重于开关过程中过电压的吸收与抑制，这是由于IGBT的工作频率可以高达30-50kHz；因此很小的电路电感就可能引起颇大的，从而产生过电压，危及IGBT的安全。逆变器中IGBT开通时出现尖峰电流，其原因是由于在刚导通的IGBT负载电流上叠加了桥臂中互补管上反并联的续流二极管的

50、反向恢复电流，所以在此二极管恢复阻断前，刚导通的IGBT上形成逆变桥臂的瞬时贯穿短路，使出现尖峰，为此需要串入抑流电感，即串联缓冲电路，或放大IGBT的容量。缓冲电路参数：经实验得出缓冲电路电阻R=10K；电容。由于电压极性的变化，使得电枢回路电流的变化存在两种情况，其电压、电流波形如图3-6所示。图3-6 双极式PWM变换器电压和电流波形（a）电动机负载较重时 （b）电动机负载较轻时如果电动机的负载较重，平均负载电流较大，在时，和为正，VT1和VT4饱和导通；而和为负，VT2和VT3截止。这时，加在电枢AB两端，电枢电流沿回路流通（见图3-6（a），电动机处于电动状态。在时，和为负，VT1和

51、VT4截止；和为正，在电枢电感释放储能的作用下，电枢电流经二极管VD2和VD3续流，在VD2和VD3上的正向压降使VT2和VT3的c-e极承受反压而不能导通，电枢电流沿回路2流通，电动机仍处于电动状态。有关参量波形图如图3-6（a）。如果电动机负载较轻，平均电流较小，在续流阶段电流很快衰减到零，即当时，。于是在时，VT2和VT3的c-e极两端失去反压，并在负的电源电压（）和电动机反电动势E的共同作用下导通，电枢电流反向，沿回路3流通，电动机处于反接制动状态。在（）时，和变负，VT2和VT3截止，因电枢电感的作用，电流经VD1和VD4续流，使VT1和VT4的c-e极承受反压，虽然和为正，VT1和

52、VT4也不能导通，电流沿回路4流通，电动机工作在制动状态。当时，VT1和VT4才导通，电流又沿回路1流通。有关参量的波形示于图3-6（b）。这样看来，双极式可逆PWM变换器与具有制动作用的不可逆PWM变换器的电流波形差不多，主要区别在于电压波形；前者，无论负载是轻还是重，加在电动机电枢两端的电压都在和之间变换；后者的电压只在和0之间变换。这里并未反映出“可逆”的作用。实现电动机制可逆运行，由正、负驱动电压的脉冲宽窄而定。当正脉冲较宽时， ，电枢两端的平均电压为正，在电动运行时电动机正转；当正脉冲较窄时，平均电压为负，电动机反转。如果正、负脉冲宽度相等，平均电压为零，电动机停止运转。因为双极式可

53、逆PWM变换器电动机电枢两端的平均电压为 若仍以来定义PWM电压的占空比，则双极式PWM变换器的电压占空比为。改变即可调速，的变化范围为。为正值，电动机正转；为负值，电动机反转；，电动机停止运转。在时，电动机虽然不动，但电枢两端的瞬时电压和流过电枢的瞬时电流都不为零，而是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增加了电动机的损耗，当然是不利的。但是这个交变电流使电动机产生高频微振，可以消除电动机正、反向切换时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用，有利于快速切换。（2）单极式可逆PWM变换器：单极式可逆PWM变换器和双极式变换器在电路构成上完全一样，不同之处在于驱动信号不一样。

54、图3-5（b）中，左边两个电力电子器件的驱动信号，具有和双极式一样的正、负交替的脉冲波形，使VT1和VT2交替导通；右边两个器件VT3、VT4的驱动信号则按电动机的转向施加不同的控制信号：电动机正转时，使恒为负，恒为正，VT3截止VT4常通；电动机反转时，则使恒为正，恒为负，VT3常通VT4截止。这种驱动信号的变化显然会使不同阶段各电力电子器件的开关情况和电流流通的回路与双极式变换器相比有不同。当电动机负载较重时电流方向连续不变；负载较轻时，电流在一个开关周期内也会变向。由于本次设计要求电机能实现启动、制动、正反转，并且能进行无极调速等。又根据双极式H型可逆PWM变换器具有的优点：电流一定连续

55、，可以使电动机实现四象限动行；电动机停止时的微振交变电流可以消除静摩擦死区；低速时由于每个电力电子器件的驱动脉冲仍较宽而有利于折可靠导通；低速平稳性好，可达到很宽的调速范围。但双极式H型可逆PWM变换器也有缺点，在工作过程中，四个电力电子器件都处于开关状态，容易发生上、下两只电力电子器件直通的事故，降低了设备的可靠性。为了避免这种情况，我们设置逻辑延时环节DLD，保证在对一个元件发出关断信号后，延迟足够时间再发出对另一个元件的开通信号。由于电力电子的器件的导通时也存在开通时间，因此延迟时间通常大于元件的关断时间即可以了。所以，本次设计我们选择双极式H型可逆PWM变换器。主电路如图3-7所示。图

56、3-7 H桥主电路其中FU是熔断器，当电路出现过电流时使其熔断，它起到保护电路的作用。RC为缓冲电路，它是为缓解电路中产生的过电压而设计的。4 PWM控制直流电机控制系统的设计PWM控制电路主要的作用是给主电路晶体管提供规律性的脉冲的4.1 PWM信号发生器PWM信号发生器以集成可调脉宽调制器SG3525为核心构成，他把产生的电压信号送给H桥中的四个IGBT。通过改变电力晶体管基极控制电压的占空比，而达到调速的目的。其控制电路如图4-1所示.图4-1 PWM控制电路4.1.1 SG3525芯片的主要特点SG3525为美国Silicon General公司生产的专用PWM控制集成电路，如图4-2所示。