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1、直流电动机PWM 控制系统设计直流电动机PWM控制系统设计 摘要 直流电机由于具有速度控制容易，启、制动性能良好，且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工等工业部门中得到广泛应用。直流电动机转速的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。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。但这种传统的调压调速方法效率低。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

2、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。脉冲宽度调制PWM(Pulse Width Modulation),就是指保持开关周期T不变，调节开关导通时间t对脉冲的宽度进行调制的技术。PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术等领域最广泛应用的控制方式。本文利用SG1525集成PWM控制器设计了一个基于PWM控制的直流调速系统，本系统采用了电流转速双闭环控制，并且设计了完善的保护措施，既保障了系统的可靠运行，又使系统具有较高的动、

3、静态性能。 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以稳定值。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。 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, 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。关键词：脉冲宽度调制,开关,直流调速系统,双闭环控制1系统内容简介 直流电机由于具有速度控制容易，启、制动性能良好，且在宽范围内平滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工等工业部门中得到广泛应用。直流电动机转速的控制方法可分

4、为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。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。但这种传统的调压调速方法效率低。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

5、间，即可使电机的速度达到并保持一稳定值。利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量。 PWM 具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。模拟控制电路有以下缺陷:模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而在用了PWM技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。 1.1 PWM调速方案的优越性 自从全控型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机调速系统，PWM的H型属于调压调速，PWM的H桥能实现大功率调速；国内的超大功率调

6、速还要依靠可控硅实现可控整流来实现直流电机的调压调速。本设计采用直流极式控制的桥式PWM变换器。与V-M系统相比在很多方面有较大的优越性：1）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，电极损耗及发热都较小。3）低速性能好，稳态精度高，调速范围宽，可达1:20000左右。4）若是与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强。5）功率开关器件工作在开关状态，通道损耗小，当开关频率适中时，关损耗也不大，因而装置效率高。6）直流电机采用不控整流时，电网功率因素比相控整流器高。由于由以上优点直流PWM系统应用日益广泛，特别在中、小容量的高动态性能中。已完

7、全取代了V-M系统。为达到更好的机械特性要求，一般直流电动机都是在闭环控制下运行。经常采用的闭环系统有转速负反馈和电流截至负反馈。 1.2、直流电机PWM调速基本原理 PWM方式是在大功率开关晶体管的基极上，加上脉冲宽度可调的方波电压，控制开关管的导通时间t，改变占空比，达到控制目的。图1是直流PWM系统原理框图。这是一个双闭环系统，有电流环和速度环。在此系统中有两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出作为PWM的控制电压。核心部分是脉冲功率放大器和脉宽调制器。控制部分采用SG1525（脉宽调制芯片SG1525具有欠压

8、锁定、故障关闭和软起动等功能,因而在中小功率电源和电机调速等方面应用较广泛。SG1525是电压型控制芯片,利用电压反馈的方法控制PWM信号的占空比,整个电路成为双极点系统的控制问题,简化了补偿网络的设计。）集成控制器产生两路互补的PWM脉冲波形，通过调节这两路波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，便能够实现对电机速度的控制。为了获得良好的动、静态品质，调节器采用PI调节器并对系统进行了校正。检测部分中，采用了霍尔片式电流检测装置对电流环进行检测，转速还则是采用了测速电机进行检测，能达到比较理想的检测效果。 2.系统概述2.1 系统构成 本系统主要有信号发生电路、PWM速度控制电路、电机驱动

9、电路等几部分组成。整9 个系统上采用了转速、电流双闭环控制结构，如图1所示。在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节器的输出作为PWM的控制电压。从闭环反馈结构上看，电流调节环在里面，是内环，按典型型系统设计；转速调节环在外面，成为外环，按典型型系统设计。为了获得良好的动、静态品质，调节器均采用PI调节器并对系统进行了校正。检测部分中，采用了霍尔片式电流检测装置对电流环进行检测，转速还则是采用了测速电机进行检测，达到了比较理想的检测效果。主电路部分采用了以GTR为可控开关元件、H桥电路为功率放大电路所构成的电路结构

10、。 PWM方式是在大功率开关晶体管的基极上，加上脉冲宽度可调的方波电压，控制开关管的导通时间t，改变占空比，达到控制目的。图1是直流PWM系统原理框图。这是一个双闭环系统，有电流环和速度环。核心部分是脉冲功率放大器和脉宽调制器。控制部分采用SG1525集成控制器产生两路互补的PWM脉冲波形，通过调节这两路波形的宽度来控制H电路中的GTR通断时间，便能够实现对电机速度的控制。图1 直流电动机PWM系统原理图图2 控制电路的原理图 图2为控制电路的原理图。图中，V为大功率晶体管，C1、R1、VD1为过电压吸收电路。由SG1525集成PWM控制器产生的PWM信号，经驱动电路隔离放大后，驱动晶体管。输

11、出的PWM电压平均值按下式变化，其中的值由SG1525定频调宽法，即T1+T2=T保持一定，使T1在0T范围内变化来调节。 系统的直流主回路电源VD，经三相桥式不可控整流滤波电路供电。当被流电机的额定功率较小时，VD 也可由单相桥式不可控整流滤波电路供电。系统由主开关器件V的PWM 斩波渡控制，在电感L左端形成主控回路的PWM脉宽可调控电压Ua ，Ua 再经 LC滤波得到直流电机两端的平直直流电压Va PWM驱动装置是利用大功率晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电源，按一个固定的频率来接通和断开，并根据需要改变一个周期内“接通”与“断开”时间的长短，通过改变11直流伺服电动机电枢上电压的“占

12、比空”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，这种装置又称为“开关驱动装置”。 2.2直流电动机的脉宽调制的工作原理 直流无刷电机由电动机、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成。直流电源通过开关线路向电动机定子绕组供电，电动机转子位置由位置传感器检测并提供信号去触发开关线路中的功率开关元件使之导通或截止，从而控制电动机的转动。在应用实例中，磁极旋转，电枢静止，电枢绕组里的电流换向借助于位置传感器和电子开关电路来实现。电机的电枢绕组作成三相，转子由永磁材料制成，与转子轴相连的位置传感器采用霍尔传感器。3600范围内，两两相差1200安装，共安装三个。为了提高电机的特性，电机采用二相导

13、通星形三相六状态的工作方式。开关电路采用三相桥式接线方式。 PWM驱动装置是利用大功率晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电源，按一个固定的频率来接通和断开，并根据需要改变一个周期内“接通”与“断开”时间的长短，通过改变直流伺服电动机电枢上电压的“占比空”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，这种装置又称为“开关驱动装置”。 PWM控制的示意图如图2所示，可控开关S以一定的时间间隔重复地接通和断开，当S接通时，供电电源US通过开关S施加到电动机两端，电源向电机提供能量，电动机储能；当开关S断开时，中断了供电电源US向电动机电流继续流通。图3 PWM控制示意图 电压平均值Uas可用下

14、式表示： Uas= tonUs/T=Us （1-1）式中，ton为开关每次接通的时间，T为开关通断的工作周期，（即开关接通时间ton和关12 断时间toff之和），为占空比，= ton/T。 由式（1-1）可见，改变开关接通时间ton和开关周期T的比例也即改变脉冲的占空比，电动机两端电压的平均值也随之改变，因而电动机转速得到了控制。23 主回路 在系统主电路部分，采用的是以大功率GTR为开关元件、H桥电路为功率放大电路所构成的电路结构。如图2所示。图中，四只GTR分为两组，1VT和4VT为一组，2VT和3VT为另一组。同一组中的两只GTR同时导通，同时关断，且两组晶体管之间可以是交替的导通和关

15、断。欲使电动机M向正方向转动，则要求控制电压kU为正，各三极管基极电压波形如图3所示。欲使电动机反转，则使控制电压kU为负即可2。GTR是一种双极性大功率高反压晶体管，它大多用作功率开关使用,而且 GTR是一种具有自关断能力的全控型电力半导体器件，这一特性可以使各类变流电路的控制更加方便和灵活，线路结构大为简化。图4双极式H型PWM变换电路图5 双极式PWM变换电路的电压、电流波形 （a）,(b) 三极管基极电压波形(c) 电枢电压波形（d）电枢电流波形(e) 重负载时ai波形(f) ESU时ai波形 设矩形波的周期为T，正向脉冲宽度为1t，并设=1t/T为占空比。则电枢电压U的平均值avU=

16、（2-1）SU=（21t/T-1）SU，并定义双极性双极式脉宽放大器的负载电压系数为 =avU/SU=21t/T-1即 avU=SU可见，可在-1到+1之间变化。 双极式PWM变换器的优点：1、电流一定连续；2、可使电机在四象限中运行；3、电动机停止时有微振电流，能消除正、反向时的静摩擦死区；4、低速时，每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证晶体管可靠导通；5、低速平稳性好，低速范围可达20000左右。a).正向电动运行波形 b).反向电动运行波形3单元电路设计 31 转速、电流双闭环调节电路311电路原理 在双闭环直流调速系统中设置了两个调节器，转速调节器的输出当作电流调节器的输入，电流调节

17、器的输出控制晶闸管整流器的触发装置。电流调节器在里面称作内环，转速调节器在外面称作外环，这样就形成转速、电流双闭环调速系统。双闭环直流调速系统原理图如图7所示。检测部分中，采用了霍尔片式电流检测装置对电流环进行检测，转速 15 则是采用了测速电机进行检测。 为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器都采用PI 调节器。PI调节器的输出由两部分组成，第一部分是比例部分，第二部分是积分部分。把比例运算电路和积分电路组合起来就构成了比例积分调节器，如图6所示。可知UO=-I1R1-R0C1 1 Uidt I1=I0=Ui/R0 U0=-R1Ui/R0- R0C1/1Uidt 当突加输入信号Ui

18、时，开始瞬间电容C1相当于短路，反馈回路中只有电阻R1，此时相当于比例调节器，它可以毫无延迟地起调节作用，故调节速度快；而后随着电容C1被充电而开始积分，U0线性增长，直到稳态。图6 PI调节器电路 转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速跟随其给定电压变化，稳态时实现转速无静差，对负载变化起抗扰作用，其输出限幅值决定电机允许的最大电流。电流调节器使电流紧紧跟随其给定电压变化，对电网电压的波动起及时抗扰作用，在转速动态过程中能够获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程，当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。 图7转速、电流调节

19、电路图 ASR转速调节器ACR电流调节器GT触发装置M 直流电动机TG测速发电机TA电流互感器UPE-电力电子变换器Un*-转速给定电压Un-转速反馈电压Ui*-电流给电压Ui-电流反馈电压 图中，来自速度给定电位器给定的信号Un*与速度反馈信号Un比较后，偏差为Un= Un*-Un，送到速度调节器ASR的输入端。速度调节器的输出Ui*作为电流调节器ACR的给定信号，与电流反馈信号Ui比较后，偏差为Un= Ui*-Ui，送到电流调节器ACR的输入端，电流调节器的输出Uct送到触发器，以控制可控整流器，整流器为电动机提供直流电压Ud.。 3.2 PWM驱动装置控制电路 PWM kHz图6为PWM

20、驱动装置控制电路框图。该控制电路包括恒频波形发生器、脉宽调制器、脉冲分配电路等脉宽调速系统所特有的电路。图8 PWM驱动装置控制电路框图 321恒频波形发生器 它的作用是产生频率恒定的振荡信号作为时间比较的基准，其波形可以是三角形波或锯齿波。PWM波由具有输出的PWM控制器产生。 3.2.2脉宽调制器 SG1525为单片脉宽调制型控制器芯片，具有输出5.1V 的基准稳压电源，误差放大器、振荡频率在100 400kHz范围内的锯齿波振荡器、软启动电路、关闭电路、脉宽调制比较器、RS寄存器以及保护电路等。它解决了PWM电路的集成化问题，在实例中用此芯片来实现系统的调速。在具体的电路中，首先对位置传

21、感器信号进行整形，形成所需要的前后沿很陡，具有一定宽度的波形。经微分电路微分，产生的微分脉冲去触发时基电路LM555，形成占空比为2:1的方波，方波频率约为200Hzo 此方波频率计算公式为:f= n * p/ 60式中Y1为电机的额定转速r/min, f为位置传感器输出信号的频率、P为电机的极对数。方波经滤波器滤波后，形成直流电压送人脉宽调制器，与脉宽调制器的反馈电压进行比较，利用得到的误差信号去控制脉宽调制器输出的调制方波脉冲的宽度变化，即PWM输出脉冲占空比的变化，利用占空比的变化调整加在电机电枢绕组上的电压，改变电压随即改变电机电流，转速依据电流的大小来改变。 结束语：在应用实例中，P

22、WM对调速系统来说，有如下优点:系统的响应速度和稳定精度等指标比较好;电枢电流的脉动量小，容易连续，而且可以不必外加滤波电抗也可以平稳工作;系统的调速范围宽;使用元件少、线路简单。 它的作用是实现电压、脉宽的转换（V/M），即形成PWM信号。SG1525集成控制器由R2 和Rp1分压给出EA(+)(2引脚)的系统设定值电压。这就要求提供此电压的基准电源VREF有较高精度。VREF受15引脚VCC1电源电压的影响。VCC1是标准三端集成稳压器的输入电压。VREF是稳压器的输出电压 Vcc。低于7V或严重欠电压时，VREF的精度值(51V1% )就得不到保证；为防止EA(+)设定值电压波动导致系统

23、失控，在器件内部设置有欠压锁定功能。出现欠电压时，欠电压锁定功能使图7中 A 端线由低电压上升为逻辑高电压经“或”一“或非”门输出转化为P1= P2=DCBA=DCB1；P1 =2P=1；P1 和P2的逻辑低电压使输出驱动晶体管T1和T2 截止，P1和P2的逻辑高电压使晶体管T和T的集电极对地导通。控制器11 和l4引脚的输出电压脉冲消失( V01=V02 = 0)，功率驱动电路输出至主开关管V的控制驱动脉冲消失，主开关管关断使直流电机停转。 欠电压使A端线高电压传递到T3晶体管基极，T3导通为8引脚外接电容C3，提供放电的径C3经T3发射极电阻放电为零电压后，限制了比较器C的PWM 脉冲电压

24、输出 ，该脉冲电压上升为恒定的逻辑高电压。 PWM 高电压经 PWM 锁存器输出到D端线仍为恒定的逻辑高压，C3 电容重新充电之前，D端线的高电压不会发生变化。D与 A同为高电压双重封锁V01和V02为零出欠电压消失后，欠电压锁定功能使A恢复低电压正常值，A的低电压使管恢复截止。C3电容由50A 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V01和V02产生影响，其结果是使V01和V02脉冲由窄缓慢变宽。只有C3充电结束后V01和V02脉冲宽度才不再受C3充电的影响。参见图8和图9。图9 SG1525集成PWM控制器的内部结构图 由于V01和V02脉冲宽度受C3充电影响缓

25、慢加宽，欠电压消失后的功率驱动脉冲也是由窄变宽的，主开关管斩波输出的直流电压Va呈现出由小变大的趋势，而不是跃变为某一固定值电压。这种软启动方式，使系统主回路电机及开关器件避免承受过大的冲击渲涌电流。C3 一般选用几微法的电解电容器. 3.2.3系统的故障关闭功能 为便于从直流电机主回路接受检测到的故障信号，例如，电机过电流，过电压，VD直流失压等故障信号，集成控制器内部T3晶体管基极经-50k13电阻连接1引脚。外部故障信号使Va稳压管导通时，稳压管导通电流在R6两端产生逻辑高电压，此逻辑高电压使T3管基极上升为逻辑高电压。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

26、似。即使P1 =P2=0，T1和T2晶体管截止；P1=2P=1， T2T导通。V01=V02=0；关闭驱动脉冲使主开关管V关断，Va =0，电机停转。另外，故障信号使，导通提供8引脚脚C3电容的放电路径，C3放电到零电压为软启动作好准备。故障消除后T3截止,C3由电流源缓慢充电，V01和V02脉冲由窄变宽，由低值逐渐升高到某固定值，电机在不承受过大启动电流的状态下平稳上升到某固定转速。3.2.4系统波形与控制方式分析 系统控制器输出的控制脉冲电压V01和V02 (11和14脚)的上跳时间，由一个锯齿波电压V+的谷点时刻确定。即V01和V02总是在锯齿渡电压V+取最小值时，由逻辑低电平上跳为逻辑

27、高电平(图3)。为保证V01和V02不同时出现逻辑高电压 (每间隔一个锯齿波出现一次)，Vo1和Vo2的频率设置为锯齿波电压频率的二分之一。图2中，FF 触发器在CP脉冲控帝葺下输出Q和Q两个二分频计数脉冲分别至不同或一或非门口B输入端，即可达到上述频率设置的目地。CP脉冲出现的时刻与锯齿波峰点对齐，CP后沿下跳时刻与谷点对齐，这样可保证CP与锯齿渡的同步同频率变化。CP与锯齿波V+的同步同频率设置功能，由OSC振荡器完成。CP实际是由双门限比较器将锯齿波电压整形后的。OSC输出波形参见图3。 Vo1和Vo2脉冲的后沿下跳时刻由锯齿渡V+ 的上升沿区间和V一电压的交点确定，当V +上升到V+V

28、-的临界对应时刻时，Vo1或Vo2脉冲由逻辑高电平跳变为逻辑低电平。误差放大器 EA的输出电压V-，可由2引脚设定电位器Rp1调节。调节Rp1使V-等于V+的谷点电压时，Vo1和Vo2的脉宽缩减为零，Vo1= Vo2=0；调节RP1使V-等于V+的蜂点电压时，Vo1和Vo2的脉宽达到最大值。由于V-电压由V+的谷点到峰点电压调节时，和V +交点在锯齿波上升沿移动所对应的时间为t1，Vo1 和Vo2的最大脉冲宽度也为t1。V+ 与V-的交点比较功能由C比较器(图2)完成，当V+V-，C比较器输出的PWM 渡形由逻辑低电平变为高电平；V+V-时(V+下降沿交点)，C比较器输出PWM波由逻辑高电平变

29、为低电平，为保证PWM波宽不致于太窄，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。经PWM锁存器输出到“或”一“或非”门C输入端的脉冲最小宽度与CP同宽。集成控制器与系统工作波形图见3。系统的自动 调节过程分析如下： 图10 SG1525各点波形与PWM斩波调压波形 调节电位器RP1使误差放大器输出一固定的V-电压在V+的谷点和V-与V+交点对应的区间内有固定的Vo1 +Vo2脉冲(11和14脚并接获Vo1+Vo2)输出到功率驱动电路，主开关管V以某固定脉宽斩波输出Ua，滤波输由RP1调节确定的直流电压Va值到直流电机，电机保持其稳定转速运行。当电机因

30、某种扰动固察使转速发生变化时，例如，负载变化使转速下降，则由系统检测反馈的Vf电压值跟随下降，Vf经R3及串联二极管(此二极管可防止调试系统时正负极接反形成正反馈)使误差放大器EA(-)反相输入端电位下降，误差电压E=EA(+)-EA(-)增大(方向由EA(+)指向EA(-)，误差放大器对E的比例积分运算(EA误差放大器的输出9引脚和反相输入引脚间接有 R4、C2构成的比例积分反馈网络)输出电压V-值上升，V-的上升使V +V-的交点时刻(锯齿披上升沿交点)后移。Vo1+Vo2和U。脉冲宽度均变宽，Ua的滤波平均值电压Va按比例积分规律增大, Va增大使电机转速回升，当电机转速回升到Rp1设定

31、值EA(+)所对应的稳定状态时，E调节为零，V-停止比例积分变化，系统进入新和稳态运行。3.2.5 脉冲分配电路 在可逆PWM变换器中，上、下两个晶体管经常交替工作，如图10所示。由于晶体管存在关断时间，因此有可能能造成在一个晶体管未完全关断时，另一个晶体管已导通，从而使电源短路。为了避免这种情况发生，根据功率转换电路的工作要求，设置了大功率晶体管的导通次序，即脉冲分配电路，使大；功率晶体管能按照指定的顺序导通。 在图11中，晶体管V1、V4是同时关断的，V2、V3也是同时导通同时关断的，但V1与V2、V3与V4都不允许同时导通，否则电源Ud直通短路。设V1、V4先同时导通T1秒后同时关断，间隔一定时间之后，再使V2、V3同时导通T2秒后同时关断，如此反复，则电动机电枢端电压波形如图11（b）所示。图11脉冲分配电路电动机电枢端电压的平均值为Ua= UdT TUdTTTT)11 2(2121=（2-1）Ud 由于01，Ua值的范围是-UdUd，因而电动机可以在正反两个方向调速运转。3.2.6基极驱动电路 系统采用的功率驱动电路取决于主开关管V的器件类别。用不同类别的主开关其功率驱动电路也不同。本系统采用BJT功率晶体管的驱动电路。图2是驱动 BJT功率晶体管的一种用的双电源光电耦合驱动电路，其