PWM ft流脉宽调速系统设计1 PWM调速系统的主要问题1.1什么是PWM脉冲宽度调制（PWM）,是英文“ Pulse Width Modulation ”的缩写，简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。
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最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点•由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM 控制技术发展的主要方向之一。
1.2 PWM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一直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM S速系统。
与V-M系统相比，PWM S统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）开怪频率咼，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，调速围宽，可达 1 : 10000左右。
4）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，当开关频率适当的时候，开关损耗也不大，因而装置效率较高6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。
由于有上述优点，直流PWM S速系统的应用日益广泛，特别是在中、小容量的高动态性能系统中，已经完全取代了V-M系统。
1.3 PWM变换器的工作状态和电压、电流波形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、 宽度可以改变的脉冲电压序列， 从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。
PWM变换器电路有多种形式，可以分为不可逆和可逆两大类，本次设计中要求使用可逆电路，最常用的可逆电路就是桥式可逆PWM 变换器桥式（亦称 H 形）电路，如图 1-1所示。
这是，电动机M 两端电压U AB 的极性随开关器件驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单级式、受限 单级式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆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1-2所示，它们的关系是：U gi U g4 U g2U g3。
在一个开关周期，当0 t t on 时，U AB U S ，电枢电 流i d 沿回路1流通；当t on t T 时，驱动电压反相，i d 沿回路2经二极管续流,U AB U S 。
因此，U AB 在一个周期具有正负相间的脉冲波形，这是双极式名称的 由来。
图1-1桥式可逆PWM 变换器图1-2也绘出了双极式控制时的输出电压和电流波形。
i d1相当于一般负载的情况，脉动电流的方向始终为正；i d2相当于轻载情况，电流可以在正负方向之间脉动，但平均值仍为正，等于负载电流。
在不同情况下，器件的导通，电流的 方向与回路都和有制动电流通路的不可逆PWM 变换器相似。
电动机的正反转则体现在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。
当正脉冲比较宽时，t on T，则U AB 的平均2vri二 ---------Mcnot丕'•：-Ui值为正，电动机正转，反之则反转；如果正、负脉冲相等，t on T，平均输出电压为零，则电动机停止。
图1-2所示的波形是电动机正转时的情况。
电压、输出电压和电流波形双极式控制可逆PWM变换器的输出平均电压为U d yU s T^t on U s （半1）U s （1-1）若占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相同，则在双极式控制的可逆变换器中 2 1，就和不可逆变换器中的关系不一样了。
1调速时，的可调围为0~1，相应的，为-1~+1。
当 -时，为正，电动21 1机正转；当时，为负，电动机反转；当-时，0，电动机停止。
但2 2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。
1.4 PWM控制器结构本次设计采用集成脉宽调制器SG2524作为PWM言号发生的核心元件。
由集成脉宽调制器组成的脉冲信号发生电路简单、功能完善，可产生频率超过500kHz的PWM永冲信号，而且频率与脉宽独立可调，此芯片部由基准电压源、误差放大器、限流保护器、比较器、振荡器、触发器、两个或非门和两个集电极开路的三极管组成。
基准电压为5V，基准源负载能力达50mA它的振荡频率f由外接电阻R t和电容C t决定，电阻R t的选取围为1.8 k至U 100 k ，电容G的选取围在0.001 F到0.1 F 之间，对应着f 1.3/（R t C t）可以得到频率围在130Hz到722kHz 的PWM永冲信号。
C t上的正向锯齿波和误差放大器输出地控制电压信号通过比较器比较后，获得脉宽可调的脉冲输出。
该电路可采用2种输出方式：单端PWM方式：当输出端的两个三极管并联应用时，输出频率与振荡频率相同，占空比为0~90%;推挽输出方式，输出端的两个三极管分别使用，占空比为0~45%,脉冲频率等于振荡器频率的1/2。
当脚10关断端加高电平时，可实现对输出脉冲的封锁，与外电路适当连接，则具有过流保护功能。
根据主电路中IGBT 的开关频率，选择适当的R 、G 值即可确定振荡频率。
本次设计中使用的开关频率为 10kHz ，可以选择 R 13k，C t 0.01uF 。
PWM 俞入控制信号由 2引脚引入，再通过调节电位器，调节速度给定，就可以改变输出 PWM 勺占空比，进而改变电动机的电枢电压，达到调速的目的。
PWM 俞出信号由12、13引脚并联输出，经驱动电路驱动IGBT 开关管。
SG2524引脚图及相应功能介绍如图1-3所示：UIN- 11 wR=F OUTIN* 215 V CC CSC OUT14 EMIT 2CURR LIM+ 1 13 COL 2 CURR LIM- £12 j CCL 1RT11 EMIT 1CT 7 m SHUTDOWNGND89 COMP图1-3 SG2524引脚图由SG2524构成的典型电路如图 1-4所示，由15脚输入+15V 电压，用于产生+5V 基准电压。
12、13引脚通过电阻与 +15V 电压源相连，供部晶体管工作, 通过其电压大小调节11、14引脚的输出脉冲宽度。
图1-4 SG2524的典型测试电路在实际使用 SG2524产生PWM 永冲波时，由电流调节器输出的控制电压作为2脚同相输入端IN+的输入，来起到调节11、14脚输出的PWM 永冲波的脉宽的目COMP CURR LIIM--------------------------------------------- V ------------------------OutputsVrc * 8 V to 40 VSHUTDOWNosc owr REF OUTCOL 2 CURRLIW + COL1 EMIT2 EMIT 1R TaVcc3G2524 or V REF01 nF13 J的。
12、13引脚通过电阻与+15V电圧源相连，供部晶体管工作。
9脚是误差放大器的输出端，在1、9引脚之间接入外部阻容元件构成PI调节器，可提高稳态精度，关于9脚旁路电阻的的选择参照图1-5 :OPEN<QOP VOLTAGE AMPLIFICATION OFERROR AMPLIFIERVSFREQUENCY€060401 k 10k 1(M k 1 M 10 MFrequency ■ Hz908070图1-5误差放大器的开环放大增益和输出频率的关系我们可以看到，当输出频率为10kHz时，若选择R L为50k ，则误差放大器的开环放大增益能达到40 dB以上，这个开环放大增益足以使稳态精度达到很高的标准。
而旁路电容的选择通常为0.001 F以免带来大的延时。
本次设计中的实际使用的电路如图1-6所示：图1-6实际使用电路图2总体设计方案2.1电路主要部分设计2.1.1电路总体结构框图电路设计的第一步就是设计整个电路的各个环节所组成的结构框图，然后才是通过框图设计各个环节的具体电路，并在明确了各个环节所要实现的功能后对各个环节的电路进行参数的调整，所以结构框图作为设计的第一步是十分重要的。
本次设计要求采用PWM空制和变换器实现电机调速的功能，为了使系统的稳态性能和动态性能都达到比较高的标准，还是采用了转速电流双闭环的控制方式，电路总体结构框图如图2-1所示：图2-1电路总体结构框图2.1.2给定电压电源电路设计给定电压由外电路提供，一般给定电压能够达到15V就够了，所以给定电压的电源电路使用LM7815作为稳压芯片。
其电路原理图如图2-2所示：变压器选择变比为11 : 1的降压变压器，对功率没有特殊要求，将220V交流电压转换成 20V 交流电压，然后经过整流桥，将交流电压变成直流电压，通过4700 F 大电容C1滤波产生脉动小的直流电压，之后通过 LM7815芯片将电压稳定在15V 。
后级的100 F 电容C4起到减小纹波的目的，进一步减小电流脉动。
0.01 F 电容C5的作用是滤去输出信号中的高频噪声，进一步提高输出电压的 质量。
在使用LM7815时，要配套使用 C2和C3,并分别取值为 0.33 F 和0.1 F ， 它们所起的作用是防止芯片部电路产生高频自激震荡。
二极管D1的作用是保护芯片在切断电源时不会受到负载的反电动势的作用, 起到为芯片后级负载续流的作用，虽然本次设计中 电路设计的良好习惯还是加上了二极管 D1。
2.1.3电流调节器设计本次课题中将才哟哦那给工程设计法来设计转速、电流双闭环调速系统的两个调节器。
按照设计多环控制系统先环后外环的一般原则，从环开始，逐步向外 环扩展。
在双闭环系统中，应该首先设计电流调节器，然后把整个电流环看作是 转速调节系统中的一个环节，再设计转速调节器。