IGBT斩波控制直流电机调速系统的设计.docx
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IGBT斩波控制直流电机调速系统的设计
课程设计名称：
电力电子技术
题目：
IGBT斩波控制直流电机调速系统的设计
专业：
班级：
姓名：
学号：
课程设计任务书
一、设计题目
IGBT斩波控制的直流电机调速系统设计
二、设计任务
1．选用合适的IGBT设计制作一个斩波调速器，使占空比可调,占空比调节范围为10%~90%。
2．斩波调速器负载选用额定电压为220V，额定电流为1.2A，实现电机的单向调速，即电机的单象限运行。
三、设计计划
第1天：
查阅相关材料，熟悉设计任务；
第2天：
确定设计的内容以及主电路的选择；
第3天：
IGBT驱动电路的选择；
第4天：
保护电路的设计；
第5天：
软件绘图
四、设计要求
1.主电路的设计及原理说明；
2．驱动电路设计及原理说明；
3．控制电路的设计及分析
4．保护电路的设计
指导教师：
李国华
时间：
20年月日
辽宁工程技术大学
课程设计成绩评定表
学期
姓名
专业
班级
课程名称
电力电子课程设计
论文题目
IGBT斩波控制的直流电机调速系统设计
评
定
标
准
评定指标
分值
得分
知识创新性
20
理论正确性
20
内容难易性
15
结合实际性
10
知识掌握程度
15
书写规范性
10
工作量
10
总成绩
100
评语：
任课教师
时间
年月日
备注
摘要
在工业生产和机械制造中，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。
当今市场上用的最多的IGBT直流斩波器，是一种全控型斩波器，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，又可以针对不同的负载对象，做少量的改动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，具有极其明显的优势。
关键词：
直流电动机；IGBT；直流斩波；调速
前言
随着电力电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多。
电子设备的小型化和低成本化使电源向轻、薄、小和高效率方向发展。
开关电源因其体积小，重量轻和效率高的优点而在各种电子信息设备中得到广泛的应用。
直流电动机在冶金、矿山、化工、交通、机械、纺织、航空等领域中已经得到了广泛的应用。
直流电动机的启动和调速性能、过载能力强等特点显得十分重要。
IGBT降压斩波电路就是直流斩波中最基本的一种电路，是用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路，用于直流到直流的降压变换。
IGBT是MOSFET与双极晶体管的复合器件。
它既有MOSFET易驱动的特点，又具有功率晶体管电压、电流容量大等优点。
其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十千赫兹频率范围内，故在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。
所以用IGBT作为全控型器件的降压斩波电路就有了IGBT易驱动，电压、电流容量大的优点。
因此，在电力电子技术应用领域中有广阔的发展前景，也由于开关电源向低电压，大电流和高效率发展的趋势，促进了IGBT降压斩波电路的发展。
1课程设计的目的
电力电子技术是一门实践性很强的技术。
由电力电子器件构成的直流电机斩波调速电路，由于其节能，先进，灵活等特点在工业控制中得到了广泛应用。
基于IGBT的直流电机脉宽调速与转速检测课程设计，结合电力电子、电力拖动和电子技术基础等多门专业课的理论知识的运用。
通过实践，加强了学生的动手和灵活运用多门专业知识的能力，并达到深化运用先进的电力电子技术解决实际问题能力的培养。
通过本次课程设计，运用所学知识结合相关资料设计出理想的IGBT斩波控制直流电机调速系统。
2系统主电路设计
2.1主电路方案
对于降压斩波电路的选择，可运用电力电子开关来控制电路的通断即改变占空比，从而获得我们所想要的电压。
这就可以根据所学的buck降压电路作为主电路，这个方案是较为简单的方案，直接进行直直变换简化了电路结构。
而另一种方案是先把直流变交流降压，再把交流变直流，这种方案把本该简单的电路复杂化，不可取。
至于开关的选择，选用全控型的IGBT管，而不选半控型的晶闸管，因为IGBT控制较为简单，且它既具有输入阻抗高、开关速度快、驱动电路简单等特点，又用通态压降小、耐压高、电流大等优点。
2.2基本直流斩波电路原理图
系统的基本直流斩波电路原理图如图2.1所示：
图2.1降压斩波电路原理图
此电路使用一个全控型器件V，图中为IGBT，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。
并设置了续流二极管VD，在V关断时给负载中电感电流提供通道。
主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，后两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中Em所示。
上述直流斩波电路的工作原理为：
（1）t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。
（2）t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。
（3）通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。
具体工作区间分段详见图2.2：
图2.2电流连续与断续波形图
2.3各参数间数量关系
（1）电流连续时
负载电压平均值：
式中，ton为V处于通态的时间，toff为V处于断态的时间，T为开关周期，α为导通占空比，简称占空比或导通比负载电流平均值：
（2）电流断续时，负载电压u0平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。
3IGBT驱动电路的选择
3.1IGBT元件简介
IGBT是一种场控器件，其开通和关断是由栅极和发射机间的电压决定。
该电压大于开启电压时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。
当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。
而且IGBT是三端器件，具有栅极G，集电极C和发射极E。
通态时电导调制效应使电阻R减小，使通态压降减小。
当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。
3.2IGBT驱动电路的条件
驱动电路的作用是将芯片输出的脉冲进行功率放大,以驱动IGBT.保证IGBT的可靠工作,驱动电路起着至关重要的作用,对IGBT驱动电路的基本要求如下:
（1）提供适当的正向和反向输出电压,使IGBT可靠的开通和关断.
（2）提供足够大的瞬态功率或瞬时电流,使IGBT能迅速建立栅控电场而导通.
（3）尽可能小的输入输出延迟时间,以提高工作效率.
（4）足够高的输入输出电气隔离性能,使信号电路与栅极驱动电路绝缘.
（5）具有灵敏的过流保护能力.
本系统驱动电路为IGBT光电隔离门极驱动电路。
为使IGBT工作稳定，驱动电路按要求使用正15V和负15V正、反偏压的双电源供电。
为使驱动电路与信号电路隔离，采用抗噪能力强、响应快的光耦合器件。
输入信号通过U3光耦合器件引入驱动电路，然后通过推拉式的电路，向IGBT集电极提供电流。
由于IGBT的转移特性，当其集电极电流增加到一定值时，其栅射电压就会突然上升，这样，IGBT就导通了。
集电极电流下降到一定值或被撤除时，栅射电压不足，IGBT又断开。
根据要求，对驱动电路进行设计，如图其工作原理：
控制电路所输出的信号通过TLP521-1光耦合器实现电气隔离，再经过推挽电路进行放大，从而把输出的控制信号放大。
驱动电路的隔离方式，采用光电耦合式驱动电路比较方便，该电路双侧都有源。
其提供的脉冲宽度不受限制，较易检测IGBT的电压和电流的状态，对外送出过流信号。
另外它使用比较方便，稳定性比较好。
但是它需要较多的工作电源，其对脉冲信号有1us的时间滞后，不适应于某些要求比较高的场合。
对于光电耦合式驱动电路可以直接用光耦电路进行主电路与控制电路隔离，再把驱动信号加一级推挽电路进行放大使得驱动信号足以驱动IGBT管。
IGBT降压斩波电路的驱动电路提供电气隔离环节。
一般电气隔离采用光隔离或磁隔离。
光隔离一般采用光耦合器，光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，封装在一个外壳内。
本电路中采用的隔离方法是，先加一级光耦隔离，再加一级推挽电路进行放大。
采用的光耦是TLP521-1。
为得到最佳的波形，在调试的过程中对光耦两端的电阻要进行合理的搭配。
具体驱动电路如图3.2所示：
图3.2驱动电路
4控制电路的选择
4.1控制电路方案选择
控制电路需要实现的功能是产生控制信号，用于控制斩波电路中主功率器件的通断，通过对占空比的调节达到控制输出电压大小的目的。
斩波电路有三种控制方式：
1.保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，称为脉冲宽度调制或脉冲调宽型；
2.保持导通时间不变，改变开关周期T，成为频率调制或调频型；
3.导通时间和周期T都可调，是占空比改变，称为混合型。
因为斩波电路有这三种控制方式，又因为PWM控制技术应用最为广泛，所以采用PWM控制方式来控制IGBT的通断。
PWM控制就是对脉冲宽度进行调制的技术。
这种电路把直流电压“斩”成一系列脉冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压。
改变脉冲的占空比就是对脉冲宽度进行调制，只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压，因此脉冲是等幅的，仅仅是对脉冲的占空比进行控制。
图3.1SG3525引脚图
对于控制电路的设计其实可以有很多种方法，可以通过一些数字运算芯片如单片机、CPLD等等来输出PWM波，也可以通过特定的PWM发生芯片来控制。
因为题目要求输出电压连续可调，所以我选用一般的PWM发生芯片来进行连续控制。
对于PWM发生芯片，我选用了SG3525芯片，其引脚图如图所示，它是一款专用的PWM控制集成电路芯片，它采用恒频调宽控制方案，内部包括精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。
其11和14脚输出两个等幅、等频、相位互补、占空比可调的PWM信号。
脚6、脚7内有一个双门限比较器，内设电容充放电电路，加上外接的电阻电容电路共同构成SG3525的振荡器。
振荡器还设有外同步输入端（脚3）。
脚1及脚2分别为芯片内部误差放大器的反相输入端、同相输入端。
该放大器是一个两级差分放大器。
根据系统的动态、静态特性要求，在误差放大器的输出脚9和脚1之间一般要添加适当的反馈补偿网络，另外当10脚的电压为高电平时，11和14脚的电压变为10输出。
4.2SG3525芯片工作原理简介
查阅资料显示，SG3525的振荡频率可表示为：
式中:
分别是与脚5、脚6相连的振荡器的电容和电阻；
是与脚7相连的放电端电阻值。
根据任务要求需要频率为40kHz，所以由上式可取
=0.01μF,
=
=
。
可得f=40kHz，满足要求。
系统控制电路如图3.2所示：
图3.2系统控制电路
芯片SG3525有过流保护的功能，可以通过改变10脚电压的高低来控制脉冲波的输出。
因此可以将驱动电路输出的过流保护电流信号经一电阻作用，转换成电压信号来进行过流保护，同理也可以用10端进行过压保护，如图所示10端外接过压过流保护电路。
当驱动电路检测到过流时发出电流信号，由于电阻的作用将10脚的电位抬高，从而11、14脚输出低电平，而当其没有过流时，10脚一直处于低电平，从而正常的输出PWM波。
芯片SG3525还有稳压作用。
1端接芯片内置电源，2端接负载输出电压，通过1端的变位器得到它的一个基准电位，从而当负载电位发生变化时能够通过1、2所接的误差放大器来控制输出脉宽的占空比，若负载电位升高则输出脉宽占空比减小，使得输出电压减小从而稳定了输出电压，反之则然。
5保护电路的设计
5.1主电路器件的保护电路
系统的安全运行需要保护电路的保护，所以当本系统达到—定电压值时，系统自动开通保护电路，使过压通过保护电路形成通路，消耗过压储存的电磁能量，从而使过压的能量不会加到主开关器件上，保护了电力电子器件。
设计时为了达到保护效果，可以使用阻容保护电路来实现。
将电容并联在回路中，当电路中出现电压尖峰电压时，电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制电路中的过压。
与电容串联的电阻能消耗掉部分过压能量，同时抑制电路中的电感与电容产生振荡，过电压保护电路如图5.1所示。
图5.1RC阻容过电压保护电路图
6设计总结
本次设计深刻的体会到电力电子器件的系统的五个组成部分：
主电路，控制电路，驱动电路，保护电路和检测电路的强大功能和相互间的协调。
并学会了各电路的区分：
主电路为电力电子电路，控制电路为信息电子电路，驱动电路用于控制主电路中电力电子器件的导通或关断，保护电路主要是保护电力电子器件。
本次课程设计目的是用IGBT直流斩波电路控制直流电动机的转速，通过改变IGBT的开通与关断时间，来控制电枢回路电压的大小来实现对电机调速的目的。
在本次课程设计经过查找相关文献和参阅课本，主要完成了对直流斩波电路的设计，驱动电路的选择，驱动电路实现了用光耦合器实现电气隔离，再经过推挽电路进行放大，从而把输出的控制信号放大。
控制电路的选择和设计，控制电路主要通过特定的PWM发生芯片，对脉冲宽度进行调制。
保护电路主要实现了对主电路中电力电子器件保护，保证系统的安全运行。
心得体会
最初接触这个课题时，我还不有点知道从何下手，很多东西不知道应该如何实现。
在图书馆、数据库和网上查资料，请教同学，经过努力，基于IGBT的斩波直流调速系统终于完成了。
通过这次设计加深了我对电力电子技术这门课程的了解，特别是直流斩波技术这一部分，以前总是觉得理论结合不了实际，但通过这次设计使我认识到了理论结合实际的重要性。
但由于我知识的限制，设计还有很多不足之处，希望老师指出并教导。
在设计过程中，对电路图的研究，也增强了我的思考能力；在使用软件绘制电路图的过程中，学到了很多实用的技巧；在对课题研究和资料查阅时，也开阔了我的视野，了解了不少电力电子、电机拖动相关的知识。
从开始任务到查找资料，到设计电路图，到最后的实际接线过程中，我更深入地了解了电力电子技术，学到了课堂上学习不到的知识，如脉冲调制控制器的原理、IGBT的驱动电路等等。
课程设计是培养学生综合运用所学知识和实践能力,使课堂理论知识与实际运用相结合的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。
感谢学校给我们提供这样好的机会，感谢老师对我的指导，我会以这次课程设计作为对自己的激励，继续努力学习。
参考文献
[1].钟炎平.电力电子电路设计.华中科技大学出版社.2010
[2].李传琦.电力电子技术计算机仿真实验.电子工业出版社.2005
[3].王兆安.电力电子技术.机械工业出版社.2009
[4].黄俊主编.电力电子技术.北京：
机械工业出版社,2006
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