PWM控制的直流电动机调速系统设计.doc

中国计量学院课程设计设计报告书题目:PWM控制的直流电动机调速系统设计二级学院现代科技学院专业电气工程及自动化班级电气062姓名*****学号**********同组同学姓名*************同组同学学******************** 2009 年12月23日设计题目:PWM控制的直流电动机调速系统设计1、前言近年来,随着科技的进步,电力电子技术得到了迅速的发展,直流电机得到了越来越广泛的应用。直流它具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求,从而对直流电机的调速提出了较高的要求,改变电枢回路电阻调速,改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求,这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法应运而生。采用传统的调速系统主要有以下缺陷: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。另外,由于PWM调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流,低速特性好;同样,由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强,可以获得很宽的频带;开关器件只工作在开关状态,主电路损耗小,装置效率高。PWM具有很强的抗噪性,且有节约空间、比较经济等特点。2、(1)根据电机与拖动实验室提供的直流电动机,设计基于PWM的电动机调速方案。(2)选用合适的功率器件,设计电动机的驱动电路。(3)设计PWM波形发生电路,使能通过按键对电机转速进行调节,要求至少有两个速度控制按键,其中一个为加速键(每按一次,使电机转速增加);另一个为减速键,功能与加速键相反。(4)撰写课程设计报告。(1)负责直流电动机调速控制硬件设计及电路焊接:主要由胡佳春和叶秋平完成(2)负责调速控制软件编写及调试:主要由朱健和叶秋平完成(3)撰写报告:主要由胡佳春和朱健完成3、系统设计原理脉宽调制技术是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控制技术的理论基础为:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率。直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为(1)式中Ua——电枢供电电压(V);Ia——电枢电流(A);Ф——励磁磁通(Wb);Ra——电枢回路总电阻(Ω);CE——电势系数,,p为电磁对数,a为电枢并联支路数,N为导体数。由式(1)可以看出,式中Ua、Ra、Ф三个参量都可以成为变量,只要改变其中一个参量,就可以改变电动机的转速,所以直流电动机有三种基本调速方法:(1)改变电枢回路总电阻Ra;;(2)改变电枢供电电压Ua;(3)改变励磁磁通Ф。4、、方案选择可以通过改变电枢回路电阻来调速,此时转速特性公式为n=U-【I(R+Rw)】/KeФ(2)式中Rw为电枢回路中的外接电阻(Ω)。当负载一定时,随着串入的外接电阻Rw的增大,电枢回路总电阻R=(Ra+Rw)增大,电动机转速就降低。Rw的改变可用接触器或主令开关切换来实现。这种调速方法为有级调速,转速变化率大,轻载下很难得到低速,效率低,故现在这种调速方法已极少采用,本次设计不采用。当电枢电压恒定时,改变电动机的励磁电流也能实现调速。由式1-1可看出,电动机的转速与磁通Ф(也就是励磁电流)成反比,即当磁通减小时,转速n升高;反之,则n降低。与此同时,由于电动机的转矩Te是磁通Ф和电枢电流Ia的乘积(即Te=CTФIa),电枢电流不变时,随着磁通Ф的减小,其转速升高,转矩也会相应地减小。所以,在这种调速方法中,随着电动机磁通Ф的减小,其转矩升高,转矩也会相应地降低。在额定电压和额定电流下,不同转速时,电动机始终可以输出额定功率,因此这种调速方法称为恒功率调速。为了使电动机的容量能得到充分利用,通常只是在电动机基速以上调速时才采用这种调速方法。本次设计不采用。图1为PWM降压斩波器的原理电路及输出电压波形。在图1a中,假定晶体管V1先导通T1,秒(忽略V1的管压降,这期间电源电压Ud全部加到电枢上),然后关断T2秒(这期间电枢端电压为零)。如此反复,则电枢端电压波形如图1b中所示。电动机电枢端电压Ua为其平均值。图1PWM降压斩波器原理电路及输出电压波形原理图b)输出电压波形(3)式(3)中(4)为一个周期T中,晶体管V1导通时间的比率,称为负载率或占空比