基于智能功率模块的直流PWM调速系统设计毕业设计.doc

基于智能功率模块的直流PWM调速系统设计1前言    随着电力电子技术和控制技术的发展，直流脉冲宽度调制(PWM)型调速系统近年来已发展成熟,它已成为现代调速系统的佼佼者。与传统的晶闸管-电动机 (V-M)直流调速系统相比，它具有调速范围宽，稳速精度高，响应速度快，低速性能好等优点。特别是大功率的普通晶闸管、门极关断晶闸管、绝缘栅双极晶体 管的相继问世，促使其生产水平已达到4500V，2500A，组成的PWM变换器要以用来驱动上千千瓦的电动机，广泛用于交通、工矿企业等电动传动系统 中，因此对PWM调速系统的进一步研究，在调速精度要求较高的场合，对解决传统直流调速系统调速精度低、稳定性差的难题，具有广泛的意义和价值。2系统构成原理框图    本文设计的是一个直流PWM调速系统，闭环系统可以获得比开环系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，提高调速范围，因此系统采用可逆转 速、电流双闭环控制，主电路设计为H型双极式结构形式，在此系统选一调速电机，即 220V，6.5A的直流他励电动机，额定转速为1500r/min。设计时保持技术先进，便于操作，结构轻便的原则。    本系统的原理框图如图1所示，它由直流电动机M，双极式H桥PWM变换器，脉宽调制器(UPW)，电流检测与保护电路(FA)以及速度调节器(ASR),电流调节器(ACR),测速发电机(TG)等组成。图1  直流脉宽调速系统原理框图    图中:  UPW脉宽调制器；GM调制波发生器；DLD逻辑延时环节；    GD基极驱动器；PWM脉宽调制变换器；FA瞬时动作的限流保护；    TA电流传感器；TG测速发电机；ASR速度调节器；ACR电流调节器； 、 转速给定电压和转速反馈电压； 、 电流给定电压和电流反馈电压。3利用智能功率模块构成主电路    智能功率模块（Intelligent Power Module，简称IPM）是以IGBT为功率器件的新型模块。这种功率模块是将输出功率组件IGBT和驱动电路、多种保护电路集成在同一模块内，并可将 监测到的过压、过热、欠压等故障信号送给控制电路，即使发生过载或是使用不当，也可保证IPM自身不受损坏。与普通IGBT相比，在系统性能和可靠性上有 进一步的提高，而且由于IPM通态损耗和开关损耗都比较低，使散热器的尺寸减小，故使整个系统尺寸减小。      IPM为新型器件，且以其完善的功能和高可靠性为我们创造了很好的应用条件，可以大大地简化交、直流大功率电流变换装置的硬件系统的组成，提高其性价比。本系统中采用智能功率模块来构成主电路是最佳的选择。IPM内部（单管）电路单元图如图2所示。图2  IPM内部电路功能原理图    系统调速的电动机额定电压为220V，额定电流为6.5A，可见它的额定功率小于1430W，为小功率电机。需选择低频三相220V的智能功率模块。东芝 公司为了实现家用空调器中变频系统虽然调制频率不高但成本要低的目的，开发了低频运行的IPM系列，即MIG系列，它们均为6单元逆变模块。其 中，MIG20J106L是一种用于低频运行的IPM模块，适用于小功率范围（1.5kW以下）应用，非常适用于本次设计。    MIG20J106L的内部等效电路图如图3所示。图3  MIG20J106L内部等效电路    其中，管脚3、6、9、ll是控制电源，外接输入典型值为+15V±10；管脚1、4、7、10是控制芯片的地信号，与控制部分的信号地相接；管脚2、 5、8、12、13、14是控制信号，6路PWM信号经光耦隔离后，分别供给这些控制端子，在进一步控制6只功率器件的开通和关断。15脚F0是故障输出 信号，当IPM发生故障时，该端口输出一低电平信号。端口P和N是变频器主电路的直流侧正负电压输入端，220V交流电经整流滤波后，加在该端上。管脚 17、18、19是与负载相连的三相输出端。    用MIG20J106L型IPM构成的主电路图如图4所示。图中，PC为光耦隔离器件，选择TLP521。TLP521为双路光电耦合器，是一种完全对称 特性的光电模拟信号隔离器。该光电耦合器在电路中将选中的模拟信号的输入级、输出级完全隔离开来。阻止了相互之间电的联系，从而消除了输入级、输出级之间 的干扰。由于MIG20J106L为低频器件，控制信号经普通光耦TLP52l隔离后送给IPM的信号控制。IPM上桥臂三个单元的控制电源分别单独供 电，下桥臂三个单元的控制电源集中供电。故障信号F0输出经TLP521隔离后再给控制电路。在IPM的直流输入端并接一电容，以滤除噪声干扰。IPM的 直流输入端电压可直接从交流220V整流滤波后引入。图4  系统主电路图4控制电路设计    直流电动机的PWM控制可用不同的控制手段来实现，如使用专用集成PWM控制器，或者使用微机进行控制，也可以使用集成PWM控制器与微机相配合的方法 等。由于主电路中采用了IPM，它已经集成了电力晶体管基极的驱动器GD与瞬时动作限流保护环节FA，因此在控制电路中不必考虑这两个环节。    4.1 脉宽调制器（UPW）    如果利用专用集成PWM控制器芯片，可以使电路简单，符合本次设计原则，在此次设计中选专用集成PWM控制器作为UPW。SG1525/2525 /3525系列集成PWM控制器是频率固定的单片集成脉宽调制型控制器的一个系列。其中，1525使用温度为55+125，2525为 25+85，3525为0+70。考虑到散热温度较高，系统选用SG1525。    SG1525集成PWM控制器的内部结构框图如图5：图5  SG1525集成PWM控制器的内部结构框图    图中，管脚1：反相输入；管脚2：同相输入；管脚3：外同步输入；管脚4：振荡器输出；管脚5：CT；管脚6：RT；管脚7：RD；管脚8：软启动；管脚 9：补偿；管脚10：关闭；管脚11：输出；管脚12：接地；管脚13：UCC2；管脚14：输出；管脚15：UCC1；    管脚16：UREF 。由SG1525构成的脉宽调制电路如图6所示。图6  SG1525构成的脉宽调制电路    系统控制器输出的控制脉冲电压V01和V02 (11和14脚)的上跳时间，由一个锯齿波电压V+的谷点时刻确定。即V01和V02总是在锯齿波电压V+取最小值时，由逻辑低电平上跳为逻辑高电平(图 7)。为保证V01和V02不同时出现逻辑高电压(每间隔一个锯齿波出现一次)，V01和V02的频率设置为锯齿波电压频率的二分之一。图5中，FF触发 器在CP脉冲控制下输出 和 两个二分频计数脉冲分别至不同或一或非门B输入端，即可达到上述频率设置的目地。CP脉冲出现的时刻与锯齿波峰点对齐，CP后沿下跳时刻与谷点对齐，这样 可保证CP与锯齿波的同步同频率变化。CP与锯齿波V+的同步同频率设置功能，由OSC振荡器完成。CP实际是由双门限比较器将锯齿波电压整形后的OSC 输出。集成控制器与系统工作波形参见图7。图7  SG1525各点波形与PWM斩波调压波形图    a)比较器DC输入电压波形  b)振荡器OSC输出波形        c)PWM锁存器输出波形 d)分相器 端输出波形    e)分相器 端输出波形        f)输出端输出波形g) 输出端输出波形     h) 输出和输出端输出波形  i)PWM斩波调压波形4    .2 逻辑延时环节（DLD）    虽然在IPM中已经设置了短路保护，但为了避免系统一旦发生上下桥臂直通就发出故障信号从而使IPM关断，系统中止运行的频率太高，还是必须在控制电路中设置延时电路，这样能使系统运行比较稳定。图8  放大及延时保护电路    见图8所示，该电路包括放大和延时。    4.3 电流调节器（ACR）和转速调节器（ASR）    电流调节器可以直接利用SG1525中的EA运算放大器组成PI，将电流反馈接到SG1525的2脚，9脚补偿可经过R2、C2（见图6）连接到1脚，于 是构成了一个电流调节器。电流反馈可通过一个电流传感器反馈过来，电流传感器采用北京LEM传感器公司生产的霍尔传感器，型号为SCT254AK。    转速调节器也采用PI型，如图9所示。图9  转速调节器ASR    4.4 整流滤波电路    交流220V要经整流滤波后，才能加在IPM的16和20脚上，故在此要进行整流滤波电路的设计。PWM的电源电压一般由不可控整流电源提供，因为电动机功率比较小，可以选择单相桥式电路来进行整流滤波。如图10所示：图10  整流滤波电路5系统总电路    综合以上设计，将主电路、控制电路连接在一起后得出的总电路图见图11。图11 系统总电路6结论    本次设计的直流PWM 调速系统与由晶闸管相控整流装置供电的直流调速系统的区别在于主电路和PWM 控制电路。至于闭环控制系统，静、动态分析和设计基本相同。在提高主电路驱动能力，完善相应的保护电路后, PWM系统还可用于一般直流电机的调速。PWM调速系统结构简单，省去了复杂的换流装置，因此体积小，成本低，加之采用IPM来完成直流电动机PWM调速 控制器的设计，不仅简化了系统的结构，提高了系统的性能价格比，而且提高了系统的灵活性、可靠性和抗干扰性，PWM调速可有效克服以往的直流调速中的谐波 大、功率因数低的问题，是一种节能的调速方案，在应用中取得了令人满意的结果。参考文献1 陈伯时.电力拖动自动控制系统.M北京：机械工业出版社，2000.2 吴守箴，臧英杰.电气传动的脉宽调制控制技术.M北京：机械工业出版社，2002.3 廖晓钟.电气传动与调速系统.M北京：中国电力出版社，1998.4 郭永贞.智能功率模块及其在功率变换器中的应用.J半导体技术，2000，25(4)：56-59.5 于福振，吴玉广.智能功率模块及其应用.J微电机，2003，36(1)：52-55.6 李宏.电力电子设备用器件与集成电路应用指南控制用集成电路册.M北京：机械工业出版社，2001.7 曹玉平，阎祥安.智能功率模块MIG20J106L原理及应用.M自动化与仪器仪表，1999，11：1517；