目录----------------------------------------------------------------1
设计前言- ----------------------------------------------------------2
一、系统工作原理----------------------------------------------------2
1.1结构与调速原理-------------------------------------------------- 3
二、主电路的设计与分析----------------------------------------------4
2.1 主电路的各个部分电路--------------------------------------------4
2.1.1 整流电路------------------------------------------------------4
2.1.2 斩波调速电路--------------------------------------------------6
三、控制电路的设计与分析-------------------------------------------7
3.1 触发电路的设计与分析--------------------------------------------8
3.2脉宽调制（PWM ）控制的设计与分析----------------------------------8
3.2.1 欠压锁定功能--------------------------------------------------8
3.2.2系统的故障关闭功能--------------------------------------------9
3.2.3软起动功能----------------------------------------------------9
3.2.4 波形的产生及控制方式分析-------------------------------------10
3.3 延时、驱动电路的设计--------------------------------------------10
3.4 ASR和ACR 调节器设计------------------------------------------11
3.4.1 ASR （速度调节器）---------------------------------------------11
3.4.2 ACR （电流调节器）----------------------------------------------13
四、总电路图-------------------------------------------------------15
心得体会-----------------------------------------------------------16
参考文献----------------------------------------------------------18
设计前言：
长期以来，直流电机以其良好的线性特性、优异的控制性能等特点成为大多
数变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择。特别随着计算机在控制领
域和高开关频率、全控型第二代电力半导体器件的发展，以及脉宽调制(PWM)直
流调速技术的应用，直流电机得到广泛应用。直流电动机转速的控制方法可分励
磁控制法与电枢电压控制法两类。励磁控制法控制磁通，其控制功率虽然小，但
低速时受到磁饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制；而且
由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以常用的控制方法是改变电枢端电压
调速的电枢电压控制法，调节电阻R 即可改变端电压，达到调速目的。这种传统
的调压调速方法效率低。
目前, 市场上用的最多的IGBT 直流斩波器, 它是属于全控型斩波器，它的主导
器件采用国际上先进的电力电子器件IGBT ，由门极电压控制，从根本上克服了晶
闸管斩波器及GTR 斩波器的缺点。该斩波器既能为煤矿窄轨电机车配套的调速装
置，针对不同的负载对象，做一些少量的改动又可用于其它要求供 电电压可调
的直流负载上。与可控硅脉冲调速方式和电阻调速方式相比，具有明显的优点。
一、系统工作原理
直流电机斩波调速控制系统的原理框图如图1-1所示：
图1-1 原理框图
1.1 结构与调速原理
直流电机由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。其构造的主
要特点是具有一个带换向器的电枢。直流电机的定子由机座、主磁极、换
向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。其中主磁极是产生直流电机气隙磁
场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。直流电机
的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件构成。其中电枢由
电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均
匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械整流部件。由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片间
互相绝缘。换向器质量对运行可靠性有很大影响。
直流电机斩波调速原理是利用可控硅整流调压来达直流电机调速的目的，利
用交流电相位延迟一定时间发出触发信号使可控硅导通即为斩波，斩波后的交流
电经电机滤波后其平均电压随斩波相位变化而变化。为了达到控制直流电机目
的，在控制回路加入了速度、电压、电流反馈环路和PID 调节器来防止电机由
于负载变化而引起的波动和对电机速度、电压、电流超常保护。
二、主电路的设计与分析
2.1 主电路的各个部分电路
主电路主要环节是：整流电路、斩波电路及保护电路。
图2-1 调速系统
直流脉宽调速系统的组成如图2-1所示，由主电路、控制及保护电路、信号
检测电路三大部分组成。二极管整流桥把输入的交流电变为直流电，电阻R1为
起动限流电阻，C1为滤波电容。可逆PWM 变换器主电路系采用MOSFET 所构成的
H 型结构形式，它是由四个功率IGBT 管（VT1、VT2、VT3、VT4）和四个续流二
极管（VD1、VD2、VD3、VD4）组成的双极式PWM 可逆变换器，根据脉冲占空比的
不同，在直流电机M 上可得到正或负的直流电压。
2.1.1 整流电路
晶体二极管桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路，只要增加
两只二极管口连接成" 桥" 式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程
度上克服了它的缺点。
图2-2 整流电路
桥式整流电路的工作原理如下：e2 为正半周时，对D1 、D3 和方向电压，
Dl ，D3 导通；对D2 、D4 加反向电压，D2 、D4 截止。电路中构成e2 、Dl 、
Rfz 、D3 通电回路，在Rfz ，上形成上正下负的半波整洗电压，e2 为负半周
时，对D2 、D4 加正向电压，D2 、D4 导通；对D1 、D3 加反向电压，D1 、D3 截止。电路中构成e2 、D2 Rfz 、D4 通电回路，同样在Rfz 上形成上正下负的
另外半波的整流电压。如此重复下去，结果在R ，上便得到全波整流电压。其
波形图和全波整流波形图是一样的。从图2-2中还不难看出，桥式电路中每只二
极管承受的反向电压等于变压器次级电压的最大值，比全波整洗电路小一
2.1.2 斩波调速电路
T2导通，T1、T3关断，调控T4，电动机可以运行在反向制动状态。
三、控制电路的设计与分析
控制电路（如图3-1）主要环节是：触发电路、电压电流检测单元、驱动电路、检测与故障保护电路。主电路电力电子开关器件要采用IGBT ，并且系统具有完善的保护。
图3-1 控制电路
3.1 触发电路的设计与分析
锯齿波同步移相触发电路由同步检测，锯齿波形成，移相控制，脉冲形成，脉冲放大等环节组成。
3.2脉宽调制（PWM ）控制的设计与分析
根据IGBT 的特点，本设计用脉宽调制（PWM ）控制方式对开关管的占空比进行控制。采用的芯片是脉宽调制器SG3525。要改变输出脉冲PWM 的占空比， 只要改变调制信号Ur 的电压大小即可实现 。SG3525的引脚及其内部框图如图3-2所示。
图3-2 SG3523引脚图
它主要由基准电压调整器、震荡器、误差放大器、比较器、锁存器、欠压锁定电路、闭锁控制电路、软启动电路、输出电路构成。
3.2.1 欠压锁定功能
基准电压调整器受15端的外加直流电压Vc 的影响，当Vc 低于7V
或严重欠
压时，基准电压调整器的精度值就得不到保证，由于设置了欠压锁定电路，当出现欠电压时，欠电压锁定功能使A 端线由低电压上升为逻辑高电平经过或非门输出转化为P1=P2=0 ,SG3525的13脚输出电平，功率驱动电路输出至功率场效应管的控制脉冲消失，逆变器无电压输出。
3.2.2系统的故障关闭功能
为便于从主回路受检测到的故障信号，集成控制器内部T3晶体管基极经一电阻连接10引脚。过流保护环节检测到的故障信号使10脚为高电平，由于T3基极与A 端线相连，故障信号产生的关闭过程与欠电压锁定过程类似。在电路中，过流保护环节还输出一个信号到与门的输入端，当出现过流信号时，检测环节输出一低电平信号到与门的输入端，使脉冲消失，与SG3525的故障关闭功能一起构成双重保护。
3.2.3软起动功能
软起动功能的实现主要由晶体管T3和外接电容C3及锁存器来实现的。当出现欠压或者有过流故障时，A 端线高电平传到T3晶体管基极，T3导通为8引脚外接电容C3提供放电的途径，C3经T3放电到零电压后，限制了比较器的PWM ′脉冲电压输出，该电压上升为恒定的逻辑高电平，PWM ′高电平经PWM 锁存器输出至D 端线仍为恒定的逻辑高电平，C3电容重新充电之前，D 端线的高电平不会发生变化，封锁输出。当故障消除后， A端线恢复为低电压正常值，T3截止，C3电容由50μA 电流源缓慢充电，C3充电对PWM ′和D 端线脉冲宽度产生影响，同时对P1和P2输出脉冲产生影响，其结果是使P1和P2脉冲由窄缓慢变宽，只有C3充电结束后，P1和P2的脉冲宽度才不受C3充电的影响。这种软启动方式，可使系统主回路电机及功率场效应管避免承受过大的冲击浪涌电流。
3.2.4 波形的产生及控制方式分析
锯齿波作为载波信号Ut ，调制信号由9脚输入，此图中，调制信号由可调电位器RP 上的电压信号Ur ′和外加的给定信号Ug 叠加而成，RP 上的电压信号用于确定脉宽调制波的初始占空比，Ug 可正可负，用于控制逆变器输出电压的大小和极性，Ug 也可以由摸拟或数字调节器的输出来控制，构成闭环自动控制系统。
集成控制器SG3525的输出侧采用推拉式电路，可使关断速度加快。11脚、14脚与12脚连接。PWM 脉冲由13脚输出，这样能够保证13脚的输出与锁存器的输出一致。
锯齿波与调制波的交点比较功能由比较器完成，Ut 〉Ur 时，比较器输出的PWM ′波形由逻辑低电平变为高电平，Ut 〈Ur 时，比较器输出的PWM ′波形由逻辑高电平变为低电平。为保证PWM ′波宽不至于太窄，用PWM 锁存器锁存高电平值，并在CP 脉冲下跳时对锁存器清零，以进行下一个比较点的锁存。 3.3 延时、驱动电路的设计
在可逆变换器中，跨接在电源Us 两端的上、下两个功率场效应管经常交替工作，由于功率场效应管的关断要有一定的时间。在这段时间内功率场效应管并未完全关断。如果在此期间另一个功率场效应管已经导通，则将造成上下两管直通，从而使电源正负极短路。为了避免发生这种情况。设置了由R 、C 电路构成的逻辑延时环节。保证在对一个管子发出关闭脉冲后，延时2μS 左右的时间后再发出对另一个管子的开通脉冲。如图所示，Ua 为SG3525的13脚输出占空比可调的脉冲波形（占空比调节范围不小于0.1~0.9），经过RC 移相后，输出两组互为到相、死区时间为4μS 左右的脉冲，经过光耦隔离后，分别驱动四只IGBT
管，其中VT1、VT4驱动信号相同，VT2、VT3驱动信号相同。
微分等运算，使其输出按某一规律变化。它由运算放大器，输入与反馈网络及二极管限幅环节组成。其原理图如图3-4所示。
转速调节器ASR 也可当作电压调节器AVR 来使用。
速度调节器采用电路运算放大器，它具有两个输入端，同相输入端和倒相输入端，其输出电压与两个输入端电压之差成正比。电路运算放大器具有开环放大倍数大，零点漂移小，线性度好，输入电流极小，输出阻抗小等优点，可以构成理想的调节器。图1-7中，由二极管VD4，VD5和电位器RP2，RP3组成正负限幅可调的限幅电路。由C2，R9组成反馈微分校正网络，有助于抑制振荡，减少超调，R15，C1组成速度环串联校正网络。场效应管V5为零速封锁电路，当4端为0V 时VD5导通，将调节器反馈网络短接而封锁，4端为-13V 时，VD5夹断，调节器投入工作。RP1为放大系数调节电位器。元件RP1，RP2，RP3均安装在面板上。电容C1两端在面板上装有接线柱，电容C2两端也装有接线柱，可根据需要外接电容。
号，来自电流变换器的过流信号U β，当该点电位高于某值时，VST1击穿，正信号输入，ACR 输出负电压使触发电路脉冲后移。U Z 、U F 端接逻辑控制器的相应输出端，当这二端为高电平时，三极管V1、V2导通将Ugt 和Ugi 信号对地短接，用于逻辑无环流可逆系统。
晶体管V 3和V 4构成互补输出的电流放大级，当V 3、V 4基极电位为正时，V 4
R20
管（PNP 型晶体管）截止，V 3管和负截构成射极跟随器。如V 3，V 4基极电位为负时，V 3管（NPN 型晶体管）截止，V 4管和负截构成射极跟随器。接在运算放大器输入端前面的阻抗为输入阻抗网络。改变输入和反馈阻抗网络参数，就能得到各种运算特性。元件RP1、RP2、RP3装在面板上，C1、C2的数值可根据需要，由外接电容来改变。
四、 总电路图
图4-1 总电路图
总结：
现在，直流斩波器广泛应用于生产、生活等实际情况当中，从中国大面积，多人口，低技术，少能源等国情出发，大力发展直流电技术，结合电力电子技术，这对改善我国科技现状水平，提高经济效益将起着重要作用。电力投资的持续增长，因此直流斩波器在电力电子行业有着巨大的发展潜力，它的传统领域和新领域节前景非常广阔
直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速时受到磁饱和限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。大多数应用场合都使用电枢电压控制法。随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中PWM(脉宽调制) 便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。
PWM 调速控制的基本原理是按一个固定频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内接通和断开的时间比(占空比) 来改变直流电机电枢上电压的" 占空比" ，从而改变平均电压，控制电机的转速。在脉宽调速系统中，当电机通电时其速度增加，电机断电时其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可控制电机转速。而且采用PWM 技术构成的无级调速系统．启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。
通过电力电子技术课程设计，我加深了对课本专业知识的理解，平常都是理论知识的学习，在此次课程设计中，真正做到了自己查阅资料、完成一个基本汇编程序的设计。在此次的设计过程中，我更进一步地熟悉了单相相控整流电路的
原理以及触发电路的设计。当然，在这个过程中我也遇到了困难，通过查阅资料，相互讨论，我准确地找出错误所在并及时纠正了，这也是我最大的收获，使自己的实践能力有了进一步的提高，让我对以后的工作学习有了更大的信心。从选题到定稿，从理论到实践，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，通过这次课程设计，把以前所学过的知识重新温故，巩固了所学的知识。
同时也知道了我们在学习和生活得过程中每个人都要学会应用资源和我们
自身的优势，让自己有能面对任何苦难都不认输的豪情。还要 有过硬的技术水平，在走出大学的时候能让自己成为有用之人。不要自己成为大学包装的绣花枕头。通过课程设计让自己明白自己所差的还很多很多，在接下来的日子里一定要努力学习以备将来走入社会能不让人用轻飘飘的眼神看自己。也用自己的所学来证明自己的尊严和人格。
在这次设计中，由于我们知识的欠缺，设计的并不详细，知识的衔接也不理
想，错误应该是有的，但我们已经努力了，设计中错误的地方希望老师能谅解，加以指点。这次电力电子技术课程设计，让我们有机会将课堂上所学的理论知识运用到实际中。并通过对知识的综合利用，进行必要的分析，比较。从而进一步验证了所学的理论知识。同时，这次课程设计也为我们以后的学习打下基础。指导我们在以后的学习，多动脑的同时，要善于自己去发现并解决问题。这次的课
程设计，还让我知道了最重要的是心态，在你拿到题目时会觉得困难，但是只要充满信心，就肯定会完成的。 参考文献：
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[8]．刘星平．电力电子技术及电力拖动自动控制系统．机械工业出版社1999 [9.] 刘星平. 双闭环直流脉宽调速系统的设计与应用. 电气自动化出版社.2003