PWM控制的直流电动机调速系统设计.doc

中国计量学院现代科技学院电气工程课程设计

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、设计要求及组内分工
2.1设计要求
（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。
2.2组内分工
（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、方案选择及论证
4.1、方案选择
4.1.1、改变电枢回路电阻调速
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。
4.1.2、改变励磁电流调速
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。

4.1.3、采用PWM控制的调速方法
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