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1．前言

    隨著電力電子技術和控制技術的發展，直流脈沖寬度調制(PWM)型調速系統近年來已發展成熟,它已成為現代調速系統的佼佼者。與傳統的晶閘管-電動機(V-M)直流調速系統相比，它具有調速范圍寬，穩速精度高，響應速度快，低速性能好等優點。特別是大功率的普通晶閘管、門極關斷晶閘管、絕緣柵雙極晶體管的相繼問世，促使其生產水平已達到4500V，2500A，組成的PWM變換器要以用來驅動上千千瓦的電動機，廣泛用于交通、工礦企業等電動傳動系統中，因此對PWM調速系統的進一步研究，在調速精度要求較高的場合，對解決傳統直流調速系統調速精度低、穩定性差的難題，具有廣泛的意義和價值。

2．系統構成原理框圖

    本文設計的是一個直流PWM調速系統，閉環系統可以獲得比開環系統硬得多的穩態特性，從而在保證一定靜差率的要求下，提高調速范圍，因此系統采用可逆轉速、電流雙閉環控制，主電路設計為H型雙極式結構形式，在此系統選一調速電機，即 220V，6.5A的直流他勵電動機，額定轉速為1500r/min。設計時保持技術先進，便于操作，結構輕便的原則。

    本系統的原理框圖如圖1所示，它由直流電動機M，雙極式H橋PWM變換器，脈寬調制器(UPW)，電流檢測與保護電路(FA)以及速度調節器(ASR),電流調節器(ACR),測速發電機(TG)等組成。

圖1  直流脈寬調速系統原理框圖

    圖中:  UPW—脈寬調制器；GM—調制波發生器；DLD—邏輯延時環節；

    GD—基極驅動器；PWM—脈寬調制變換器；FA—瞬時動作的限流保護；

    TA—電流傳感器；TG—測速發電機；ASR—速度調節器；ACR—電流調節器； 、 —轉速給定電壓和轉速反饋電壓； 、 —電流給定電壓和電流反饋電壓。

3．利用智能功率模塊構成主電路

    智能功率模塊（Intelligent Power Module，簡稱IPM）是以IGBT為功率器件的新型模塊。這種功率模塊是將輸出功率組件IGBT和驅動電路、多種保護電路集成在同一模塊內，并可將監測到的過壓、過熱、欠壓等故障信號送給控制電路，即使發生過載或是使用不當，也可保證IPM自身不受損壞。與普通IGBT相比，在系統性能和可靠性上有進一步的提高，而且由于IPM通態損耗和開關損耗都比較低，使散熱器的尺寸減小，故使整個系統尺寸減小。  

    IPM為新型器件，且以其完善的功能和高可靠性為我們創造了很好的應用條件，可以大大地簡化交、直流大功率電流變換裝置的硬件系統的組成，提高其性價比。本系統中采用智能功率模塊來構成主電路是最佳的選擇。
IPM內部（單管）電路單元圖如圖2所示。

圖2  IPM內部電路功能原理圖

    系統調速的電動機額定電壓為220V，額定電流為6.5A，可見它的額定功率小于1430W，為小功率電機。需選擇低頻三相220V的智能功率模塊。東芝公司為了實現家用空調器中變頻系統雖然調制頻率不高但成本要低的目的，開發了低頻運行的IPM系列，即MIG系列，它們均為6單元逆變模塊。其中，MIG20J106L是一種用于低頻運行的IPM模塊，適用于小功率范圍（1.5kW以下）應用，非常適用于本次設計。

    MIG20J106L的內部等效電路圖如圖3所示。

圖3  MIG20J106L內部等效電路

    其中，管腳3、6、9、ll是控制電源，外接輸入典型值為+15V±10％；管腳1、4、7、10是控制芯片的地信號，與控制部分的信號地相接；管腳2、5、8、12、13、14是控制信號，6路PWM信號經光耦隔離后，分別供給這些控制端子，在進一步控制6只功率器件的開通和關斷。15腳F0是故障輸出信號，當IPM發生故障時，該端口輸出一低電平信號。端口P和N是變頻器主電路的直流側正負電壓輸入端，220V交流電經整流濾波后，加在該端上。管腳17、18、19是與負載相連的三相輸出端。

    用MIG20J106L型IPM構成的主電路圖如圖4所示。圖中，PC為光耦隔離器件，選擇TLP521。TLP521為雙路光電耦合器，是一種完全對稱特性的光電模擬信號隔離器。該光電耦合器在電路中將選中的模擬信號的輸入級、輸出級完全隔離開來。阻止了相互之間電的聯系，從而消除了輸入級、輸出級之間的干擾。由于MIG20J106L為低頻器件，控制信號經普通光耦TLP52l隔離后送給IPM的信號控制。IPM上橋臂三個單元的控制電源分別單獨供電，下橋臂三個單元的控制電源集中供電。故障信號F0輸出經TLP521隔離后再給控制電路。在IPM的直流輸入端并接一電容，以濾除噪聲干擾。IPM的直流輸入端電壓可直接從交流220V整流濾波后引入。

圖4  系統主電路圖

4．控制電路設計

    直流電動機的PWM控制可用不同的控制手段來實現，如使用專用集成PWM控制器，或者使用微機進行控制，也可以使用集成PWM控制器與微機相配合的方法等。由于主電路中采用了IPM，它已經集成了電力晶體管基極的驅動器GD與瞬時動作限流保護環節FA，因此在控制電路中不必考慮這兩個環節。

    4.1 脈寬調制器（UPW）

    如果利用專用集成PWM控制器芯片，可以使電路簡單，符合本次設計原則，在此次設計中選專用集成PWM控制器作為UPW。SG1525/2525/3525系列集成PWM控制器是頻率固定的單片集成脈寬調制型控制器的一個系列。其中，1525使用溫度為–55~+125℃，2525為–25~+85℃，3525為0~+70℃。考慮到散熱溫度較高，系統選用SG1525。

    SG1525集成PWM控制器的內部結構框圖如圖5：

圖5  SG1525集成PWM控制器的內部結構框圖

    圖中，管腳1：反相輸入；管腳2：同相輸入；管腳3：外同步輸入；管腳4：振蕩器輸出；管腳5：CT；管腳6：RT；管腳7：RD；管腳8：軟啟動；管腳9：補償；管腳10：關閉；管腳11：輸出Ⅰ；管腳12：接地；管腳13：UCC2；管腳14：輸出Ⅱ；管腳15：UCC1；    管腳16：UREF 。
由SG1525構成的脈寬調制電路如圖6所示。

圖6  SG1525構成的脈寬調制電路

    系統控制器輸出的控制脈沖電壓V01和V02 (11和14腳)的上跳時間，由一個鋸齒波電壓V+的谷點時刻確定。即V01和V02總是在鋸齒波電壓V+取最小值時，由邏輯低電平上跳為邏輯高電平(圖7)。為保證V01和V02不同時出現邏輯高電壓(每間隔一個鋸齒波出現一次)，V01和V02的頻率設置為鋸齒波電壓頻率的二分之一。圖5中，FF觸發器在CP脈沖控制下輸出 和 兩個二分頻計數脈沖分別至不同或一或非門B輸入端，即可達到上述頻率設置的目地。CP脈沖出現的時刻與鋸齒波峰點對齊，CP后沿下跳時刻與谷點對齊，這樣可保證CP與鋸齒波的同步同頻率變化。CP與鋸齒波V+的同步同頻率設置功能，由OSC振蕩器完成。CP實際是由雙門限比較器將鋸齒波電壓整形后的OSC輸出。集成控制器與系統工作波形參見圖7。

圖7  SG1525各點波形與PWM斬波調壓波形圖

    a)比較器DC輸入電壓波形  b)振蕩器OSC輸出波形        c)PWM鎖存器輸出波形
d)分相器 端輸出波形    e)分相器 端輸出波形        f)輸出Ⅰ端輸出波形
g) 輸出Ⅱ端輸出波形     h) 輸出Ⅰ和輸出Ⅱ端輸出波形  i)PWM斬波調壓波形4

    .2 邏輯延時環節（DLD）

    雖然在IPM中已經設置了短路保護，但為了避免系統一旦發生上下橋臂直通就發出故障信號從而使IPM關斷，系統中止運行的頻率太高，還是必須在控制電路中設置延時電路，這樣能使系統運行比較穩定。

圖8  放大及延時保護電路

    見圖8所示，該電路包括放大和延時。

    4.3 電流調節器（ACR）和轉速調節器（ASR）

    電流調節器可以直接利用SG1525中的EA運算放大器組成PI，將電流反饋接到SG1525的2腳，9腳補償可經過R2、C2（見圖6）連接到1腳，于是構成了一個電流調節器。電流反饋可通過一個電流傳感器反饋過來，電流傳感器采用北京LEM傳感器公司生產的霍爾傳感器，型號為SCT254AK。

    轉速調節器也采用PI型，如圖9所示。

圖9  轉速調節器ASR

    4.4 整流濾波電路

    交流220V要經整流濾波后，才能加在IPM的16和20腳上，故在此要進行整流濾波電路的設計。PWM的電源電壓一般由不可控整流電源提供，因為電動機功率比較小，可以選擇單相橋式電路來進行整流濾波。如圖10所示：

圖10  整流濾波電路

5．系統總電路

    綜合以上設計，將主電路、控制電路連接在一起后得出的總電路圖見圖11。

圖11 系統總電路

6．結論

    本次設計的直流PWM 調速系統與由晶閘管相控整流裝置供電的直流調速系統的區別在于主電路和PWM 控制電路。至于閉環控制系統，靜、動態分析和設計基本相同。在提高主電路驅動能力，完善相應的保護電路后, PWM系統還可用于一般直流電機的調速。PWM調速系統結構簡單，省去了復雜的換流裝置，因此體積小，成本低，加之采用IPM來完成直流電動機PWM調速控制器的設計，不僅簡化了系統的結構，提高了系統的性能價格比，而且提高了系統的靈活性、可靠性和抗干擾性，PWM調速可有效克服以往的直流調速中的諧波大、功率因數低的問題，是一種節能的調速方案，在應用中取得了令人滿意的結果。

參考文獻

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