1．前言

    隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，直流脈沖寬度調(diào)制(PWM)型調(diào)速系統(tǒng)近年來已發(fā)展成熟,它已成為現(xiàn)代調(diào)速系統(tǒng)的佼佼者。與傳統(tǒng)的晶閘管-電動(dòng)機(jī)(V-M)直流調(diào)速系統(tǒng)相比，它具有調(diào)速范圍寬，穩(wěn)速精度高，響應(yīng)速度快，低速性能好等優(yōu)點(diǎn)。特別是大功率的普通晶閘管、門極關(guān)斷晶閘管、絕緣柵雙極晶體管的相繼問世，促使其生產(chǎn)水平已達(dá)到4500V，2500A，組成的PWM變換器要以用來驅(qū)動(dòng)上千千瓦的電動(dòng)機(jī)，廣泛用于交通、工礦企業(yè)等電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)中，因此對PWM調(diào)速系統(tǒng)的進(jìn)一步研究，在調(diào)速精度要求較高的場合，對解決傳統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速精度低、穩(wěn)定性差的難題，具有廣泛的意義和價(jià)值。

2．系統(tǒng)構(gòu)成原理框圖

    本文設(shè)計(jì)的是一個(gè)直流PWM調(diào)速系統(tǒng)，閉環(huán)系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，提高調(diào)速范圍，因此系統(tǒng)采用可逆轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，主電路設(shè)計(jì)為H型雙極式結(jié)構(gòu)形式，在此系統(tǒng)選一調(diào)速電機(jī)，即 220V，6.5A的直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min。設(shè)計(jì)時(shí)保持技術(shù)先進(jìn)，便于操作，結(jié)構(gòu)輕便的原則。

    本系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，它由直流電動(dòng)機(jī)M，雙極式H橋PWM變換器，脈寬調(diào)制器(UPW)，電流檢測與保護(hù)電路(FA)以及速度調(diào)節(jié)器(ASR),電流調(diào)節(jié)器(ACR),測速發(fā)電機(jī)(TG)等組成。

圖1  直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)原理框圖

    圖中:  UPW—脈寬調(diào)制器；GM—調(diào)制波發(fā)生器；DLD—邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)；

    GD—基極驅(qū)動(dòng)器；PWM—脈寬調(diào)制變換器；FA—瞬時(shí)動(dòng)作的限流保護(hù)；

    TA—電流傳感器；TG—測速發(fā)電機(jī)；ASR—速度調(diào)節(jié)器；ACR—電流調(diào)節(jié)器； 、 —轉(zhuǎn)速給定電壓和轉(zhuǎn)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(gòu)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(qū)動(dòng)電路、多種保護(hù)電路集成在同一模塊內(nèi)，并可將監(jiān)測到的過壓、過熱、欠壓等故障信號送給控制電路，即使發(fā)生過載或是使用不當(dāng)，也可保證IPM自身不受損壞。與普通IGBT相比，在系統(tǒng)性能和可靠性上有進(jìn)一步的提高，而且由于IPM通態(tài)損耗和開關(guān)損耗都比較低，使散熱器的尺寸減小，故使整個(gè)系統(tǒng)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(chuàng)造了很好的應(yīng)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(tǒng)的組成，提高其性價(jià)比。本系統(tǒng)中采用智能功率模塊來構(gòu)成主電路是最佳的選擇。
IPM內(nèi)部（單管）電路單元圖如圖2所示。

圖2  IPM內(nèi)部電路功能原理圖

    系統(tǒng)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)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(jī)。需選擇低頻三相220V的智能功率模塊。東芝公司為了實(shí)現(xiàn)家用空調(diào)器中變頻系統(tǒng)雖然調(diào)制頻率不高但成本要低的目的，開發(fā)了低頻運(yùn)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(yùn)行的IPM模塊，適用于小功率范圍（1.5kW以下）應(yīng)用，非常適用于本次設(shè)計(jì)。

    MIG20J106L的內(nèi)部等效電路圖如圖3所示。

圖3  MIG20J106L內(nèi)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(jīng)光耦隔離后，分別供給這些控制端子，在進(jìn)一步控制6只功率器件的開通和關(guān)斷。15腳F0是故障輸出信號，當(dāng)IPM發(fā)生故障時(shí)，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(cè)正負(fù)電壓輸入端，220V交流電經(jīng)整流濾波后，加在該端上。管腳17、18、19是與負(fù)載相連的三相輸出端。

    用MIG20J106L型IPM構(gòu)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(lián)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(jīng)普通光耦TLP52l隔離后送給IPM的信號控制。IPM上橋臂三個(gè)單元的控制電源分別單獨(dú)供電，下橋臂三個(gè)單元的控制電源集中供電。故障信號F0輸出經(jīng)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(tǒng)主電路圖

4．控制電路設(shè)計(jì)

    直流電動(dòng)機(jī)的PWM控制可用不同的控制手段來實(shí)現(xiàn)，如使用專用集成PWM控制器，或者使用微機(jī)進(jìn)行控制，也可以使用集成PWM控制器與微機(jī)相配合的方法等。由于主電路中采用了IPM，它已經(jīng)集成了電力晶體管基極的驅(qū)動(dòng)器GD與瞬時(shí)動(dòng)作限流保護(hù)環(huán)節(jié)FA，因此在控制電路中不必考慮這兩個(gè)環(huán)節(jié)。

    4.1 脈寬調(diào)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(shè)計(jì)原則，在此次設(shè)計(jì)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(diào)制型控制器的一個(gè)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(tǒng)選用SG1525。

    SG1525集成PWM控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖5：

圖5  SG1525集成PWM控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(dòng)；管腳9：補(bǔ)償；管腳10：關(guān)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(gòu)成的脈寬調(diào)制電路如圖6所示。

圖6  SG1525構(gòu)成的脈寬調(diào)制電路

    系統(tǒng)控制器輸出的控制脈沖電壓V01和V02 (11和14腳)的上跳時(shí)間，由一個(gè)鋸齒波電壓V+的谷點(diǎn)時(shí)刻確定。即V01和V02總是在鋸齒波電壓V+取最小值時(shí)，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(shí)出現(xiàn)邏輯高電壓(每間隔一個(gè)鋸齒波出現(xiàn)一次)，V01和V02的頻率設(shè)置為鋸齒波電壓頻率的二分之一。圖5中，F(xiàn)F觸發(fā)器在CP脈沖控制下輸出 和 兩個(gè)二分頻計(jì)數(shù)脈沖分別至不同或一或非門B輸入端，即可達(dá)到上述頻率設(shè)置的目地。CP脈沖出現(xiàn)的時(shí)刻與鋸齒波峰點(diǎn)對齊，CP后沿下跳時(shí)刻與谷點(diǎn)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(shè)置功能，由OSC振蕩器完成。CP實(shí)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(tǒng)工作波形參見圖7。

圖7  SG1525各點(diǎn)波形與PWM斬波調(diào)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(diào)壓波形4

    .2 邏輯延時(shí)環(huán)節(jié)（DLD）

    雖然在IPM中已經(jīng)設(shè)置了短路保護(hù)，但為了避免系統(tǒng)一旦發(fā)生上下橋臂直通就發(fā)出故障信號從而使IPM關(guān)斷，系統(tǒng)中止運(yùn)行的頻率太高，還是必須在控制電路中設(shè)置延時(shí)電路，這樣能使系統(tǒng)運(yùn)行比較穩(wěn)定。

圖8  放大及延時(shí)保護(hù)電路

    見圖8所示，該電路包括放大和延時(shí)。

    4.3 電流調(diào)節(jié)器（ACR）和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器（ASR）

    電流調(diào)節(jié)器可以直接利用SG1525中的EA運(yùn)算放大器組成PI，將電流反饋接到SG1525的2腳，9腳補(bǔ)償可經(jīng)過R2、C2（見圖6）連接到1腳，于是構(gòu)成了一個(gè)電流調(diào)節(jié)器。電流反饋可通過一個(gè)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(chǎn)的霍爾傳感器，型號為SCT254AK。

    轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器也采用PI型，如圖9所示。

圖9  轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR

    4.4 整流濾波電路

    交流220V要經(jīng)整流濾波后，才能加在IPM的16和20腳上，故在此要進(jìn)行整流濾波電路的設(shè)計(jì)。PWM的電源電壓一般由不可控整流電源提供，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)功率比較小，可以選擇單相橋式電路來進(jìn)行整流濾波。如圖10所示：

圖10  整流濾波電路

5．系統(tǒng)總電路

    綜合以上設(shè)計(jì)，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(tǒng)總電路

6．結(jié)論

    本次設(shè)計(jì)的直流PWM 調(diào)速系統(tǒng)與由晶閘管相控整流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)的區(qū)別在于主電路和PWM 控制電路。至于閉環(huán)控制系統(tǒng)，靜、動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)基本相同。在提高主電路驅(qū)動(dòng)能力，完善相應(yīng)的保護(hù)電路后, PWM系統(tǒng)還可用于一般直流電機(jī)的調(diào)速。PWM調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，省去了復(fù)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(dòng)機(jī)PWM調(diào)速控制器的設(shè)計(jì)，不僅簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的性能價(jià)格比，而且提高了系統(tǒng)的靈活性、可靠性和抗干擾性，PWM調(diào)速可有效克服以往的直流調(diào)速中的諧波大、功率因數(shù)低的問題，是一種節(jié)能的調(diào)速方案，在應(yīng)用中取得了令人滿意的結(jié)果。

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