直流電動(dòng)機(jī)PWM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).doc

直流電動(dòng)機(jī)pwm控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要 直流電機(jī)由于具有速度控制容易，啟、制動(dòng)性能良好，且在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點(diǎn)而在冶金、機(jī)械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類，即勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。勵(lì)磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時(shí)受到磁飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制;而且由于勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。調(diào)節(jié)電阻r即可改變端電壓，達(dá)到調(diào)速目的。但這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速方法效率低。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展了許多新的電樞電壓控制方法，其中pwm(脈寬調(diào)制)是常用的一種調(diào)速方法。其基本原理是用改變電機(jī)電樞(定子)電壓的接通和斷開的時(shí)間比(占空比)來(lái)控制馬達(dá)的速度，在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，其速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，其速度減低。脈沖寬度調(diào)制pwm(pulse width modulation),就是指保持開關(guān)周期t不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間t對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。pwm控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單,靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)等領(lǐng)域最廣泛應(yīng)用的控制方式。本文利用sg1525集成pwm控制器設(shè)計(jì)了一個(gè)基于pwm控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用了電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)控制，并且設(shè)計(jì)了完善的保護(hù)措施，既保障了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，又使系統(tǒng)具有較高的動(dòng)、靜態(tài)性能。 只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，即可使電機(jī)的速度達(dá)到并保持以穩(wěn)定值。最近幾年來(lái)，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及單片機(jī)的廣泛應(yīng)用，使調(diào)速裝置向集成化、小型化和智能化方向發(fā)展。 本電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制方式，與晶閘管調(diào)速相比技術(shù)先進(jìn)可減少對(duì)電源的污染。為使整個(gè)系統(tǒng)能正常安全地運(yùn)行, 過(guò)流、過(guò)載、過(guò)壓、欠壓保護(hù)電路, 另外還有過(guò)壓吸收電路。確保了系統(tǒng)可靠運(yùn)行。關(guān)鍵詞：脈沖寬度調(diào)制,開關(guān),直流調(diào)速系統(tǒng),雙閉環(huán)控制1系統(tǒng)內(nèi)容簡(jiǎn)介 直流電機(jī)由于具有速度控制容易，啟、制動(dòng)性能良好，且在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點(diǎn)而在冶金、機(jī)械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類，即勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。勵(lì)磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時(shí)受到磁飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制;而且由于勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。調(diào)節(jié)電阻r即可改變端電壓，達(dá)到調(diào)速目的。但這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速方法效率低。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展了許多新的電樞電壓控制方法，其中pwm(脈寬調(diào)制)是常用的一種調(diào)速方法。其基本原理是用改變電機(jī)電樞(定子)電壓的接通和斷開的時(shí)間比(占空比)來(lái)控制馬達(dá)的速度，在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，其速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，即可使電機(jī)的速度達(dá)到并保持一穩(wěn)定值。利用數(shù)字輸出對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種有效技術(shù)，尤其是在對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方面，可大大節(jié)省能量。 pwm 具有很強(qiáng)的抗噪性，且有節(jié)約空間、比較經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。模擬控制電路有以下缺陷:模擬電路容易隨時(shí)間漂移，會(huì)產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以及對(duì)噪聲敏感等。而在用了pwm技術(shù)后，避免了以上的缺陷，實(shí)現(xiàn)了用數(shù)字方式來(lái)控制模擬信號(hào)，可以大幅度降低成本和功耗。 1.1 pwm調(diào)速方案的優(yōu)越性 自從全控型電力電子器件問(wèn)世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方式，形成了脈寬調(diào)制變換器直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，pwm的h型屬于調(diào)壓調(diào)速，pwm的h橋能實(shí)現(xiàn)大功率調(diào)速；國(guó)內(nèi)的超大功率調(diào)速還要依靠可控硅實(shí)現(xiàn)可控整流來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。本設(shè)計(jì)采用直流極式控制的橋式pwm變換器。與v-m系統(tǒng)相比在很多方面有較大的優(yōu)越性：1）主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少。2）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電極損耗及發(fā)熱都較小。3）低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:20000左右。4）若是與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。5）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通道損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適中時(shí)，關(guān)損耗也不大，因而裝置效率高。6）直流電機(jī)采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因素比相控整流器高。由于由以上優(yōu)點(diǎn)直流pwm系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的高動(dòng)態(tài)性能中。已完全取代了v-m系統(tǒng)。為達(dá)到更好的機(jī)械特性要求，一般直流電動(dòng)機(jī)都是在閉環(huán)控制下運(yùn)行。經(jīng)常采用的閉環(huán)系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流截至負(fù)反饋。 1.2、直流電機(jī)pwm調(diào)速基本原理 pwm方式是在大功率開關(guān)晶體管的基極上，加上脈沖寬度可調(diào)的方波電壓，控制開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間t，改變占空比，達(dá)到控制目的。圖1是直流pwm系統(tǒng)原理框圖。這是一個(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng)，有電流環(huán)和速度環(huán)。在此系統(tǒng)中有兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出作為pwm的控制電壓。核心部分是脈沖功率放大器和脈寬調(diào)制器?？刂撇糠植捎胹g1525（脈寬調(diào)制芯片sg1525具有欠壓鎖定、故障關(guān)閉和軟起動(dòng)等功能,因而在中小功率電源和電機(jī)調(diào)速等方面應(yīng)用較廣泛。sg1525是電壓型控制芯片,利用電壓反饋的方法控制pwm信號(hào)的占空比,整個(gè)電路成為雙極點(diǎn)系統(tǒng)的控制問(wèn)題,簡(jiǎn)化了補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。）集成控制器產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的pwm脈沖波形，通過(guò)調(diào)節(jié)這兩路波形的寬度來(lái)控制h電路中的gtr通斷時(shí)間，便能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制。為了獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)，調(diào)節(jié)器采用pi調(diào)節(jié)器并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了校正。檢測(cè)部分中，采用了霍爾片式電流檢測(cè)裝置對(duì)電流環(huán)進(jìn)行檢測(cè)，轉(zhuǎn)速還則是采用了測(cè)速電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，能達(dá)到比較理想的檢測(cè)效果。 2.系統(tǒng)概述2.1 系統(tǒng)構(gòu)成 本系統(tǒng)主要有信號(hào)發(fā)生電路、pwm速度控制電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等幾部分組成。整9 個(gè)系統(tǒng)上采用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出作為pwm的控制電壓。從閉環(huán)反饋結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，是內(nèi)環(huán)，按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，成為外環(huán)，按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)，調(diào)節(jié)器均采用pi調(diào)節(jié)器并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了校正。檢測(cè)部分中，采用了霍爾片式電流檢測(cè)裝置對(duì)電流環(huán)進(jìn)行檢測(cè)，轉(zhuǎn)速還則是采用了測(cè)速電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，達(dá)到了比較理想的檢測(cè)效果。主電路部分采用了以gtr為可控開關(guān)元件、h橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)。 pwm方式是在大功率開關(guān)晶體管的基極上，加上脈沖寬度可調(diào)的方波電壓，控制開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間t，改變占空比，達(dá)到控制目的。圖1是直流pwm系統(tǒng)原理框圖。這是一個(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng)，有電流環(huán)和速度環(huán)。核心部分是脈沖功率放大器和脈寬調(diào)制器。控制部分采用sg1525集成控制器產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的pwm脈沖波形，通過(guò)調(diào)節(jié)這兩路波形的寬度來(lái)控制h電路中的gtr通斷時(shí)間，便能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制。圖1 直流電動(dòng)機(jī)pwm系統(tǒng)原理圖圖2 控制電路的原理圖 圖2為控制電路的原理圖。圖中，v為大功率晶體管，c1、r1、vd1為過(guò)電壓吸收電路。由sg1525集成pwm控制器產(chǎn)生的pwm信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后，驅(qū)動(dòng)晶體管。輸出的pwm電壓平均值按下式變化，其中的值由sg1525定頻調(diào)寬法，即t1+t2=t保持一定，使t1在0t范圍內(nèi)變化來(lái)調(diào)節(jié)。 系統(tǒng)的直流主回路電源vd，經(jīng)三相橋式不可控整流濾波電路供電。當(dāng)被流電機(jī)的額定功率較小時(shí)，vd 也可由單相橋式不可控整流濾波電路供電。系統(tǒng)由主開關(guān)器件v的pwm 斬波渡控制，在電感l(wèi)左端形成主控回路的pwm脈寬可調(diào)控電壓ua ，ua 再經(jīng) lc濾波得到直流電機(jī)兩端的平直直流電壓va pwm驅(qū)動(dòng)裝置是利用大功率晶體管的開關(guān)特性來(lái)調(diào)制固定電壓的直流電源，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”與“斷開”時(shí)間的長(zhǎng)短，通過(guò)改變11直流伺服電動(dòng)機(jī)電樞上電壓的“占比空”來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，這種裝置又稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。 2.2直流電動(dòng)機(jī)的脈寬調(diào)制的工作原理 直流無(wú)刷電機(jī)由電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。直流電源通過(guò)開關(guān)線路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置由位置傳感器檢測(cè)并提供信號(hào)去觸發(fā)開關(guān)線路中的功率開關(guān)元件使之導(dǎo)通或截止，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。在應(yīng)用實(shí)例中，磁極旋轉(zhuǎn)，電樞靜止，電樞繞組里的電流換向借助于位置傳感器和電子開關(guān)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。電機(jī)的電樞繞組作成三相，轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，與轉(zhuǎn)子軸相連的位置傳感器采用霍爾傳感器。3600范圍內(nèi)，兩兩相差1200安裝，共安裝三個(gè)。為了提高電機(jī)的特性，電機(jī)采用二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的工作方式。開關(guān)電路采用三相橋式接線方式。 pwm驅(qū)動(dòng)裝置是利用大功率晶體管的開關(guān)特性來(lái)調(diào)制固定電壓的直流電源，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”與“斷開”時(shí)間的長(zhǎng)短，通過(guò)改變直流伺服電動(dòng)機(jī)電樞上電壓的“占比空”來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，這種裝置又稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。 pwm控制的示意圖如圖2所示，可控開關(guān)s以一定的時(shí)間間隔重復(fù)地接通和斷開，當(dāng)s接通時(shí)，供電電源us通過(guò)開關(guān)s施加到電動(dòng)機(jī)兩端，電源向電機(jī)提供能量，電動(dòng)機(jī)儲(chǔ)能；當(dāng)開關(guān)s斷開時(shí)，中斷了供電電源us向電動(dòng)機(jī)電流繼續(xù)流通。圖3 pwm控制示意圖 電壓平均值uas可用下式表示： uas= tonus/t=us （1-1）式中，ton為開關(guān)每次接通的時(shí)間，t為開關(guān)通斷的工作周期，（即開關(guān)接通時(shí)間ton和關(guān)12 斷時(shí)間toff之和），為占空比，= ton/t。 由式（1-1）可見，改變開關(guān)接通時(shí)間ton和開關(guān)周期t的比例也即改變脈沖的占空比，電動(dòng)機(jī)兩端電壓的平均值也隨之改變，因而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速得到了控制。23 主回路 在系統(tǒng)主電路部分，采用的是以大功率gtr為開關(guān)元件、h橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)。如圖2所示。圖中，四只gtr分為兩組，1vt和4vt為一組，2vt和3vt為另一組。同一組中的兩只gtr同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)關(guān)斷，且兩組晶體管之間可以是交替的導(dǎo)通和關(guān)斷。欲使電動(dòng)機(jī)m向正方向轉(zhuǎn)動(dòng)，則要求控制電壓ku為正，各三極管基極電壓波形如圖3所示。欲使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，則使控制電壓ku為負(fù)即可2。gtr是一種雙極性大功率高反壓晶體管，它大多用作功率開關(guān)使用,而且 gtr是一種具有自關(guān)斷能力的全控型電力半導(dǎo)體器件，這一特性可以使各類變流電路的控制更加方便和靈活，線路結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。圖4雙極式h型pwm變換電路圖5 雙極式pwm變換電路的電壓、電流波形 （a）,(b) 三極管基極電壓波形(c) 電樞電壓波形（d）電樞電流波形(e) 重負(fù)載時(shí)ai波形(f) esu時(shí)ai波形 設(shè)矩形波的周期為t，正向脈沖寬度為1t，并設(shè)=1t/t為占空比。則電樞電壓u的平均值avu=（2-1）su=（21t/t-1）su，并定義雙極性雙極式脈寬放大器的負(fù)載電壓系數(shù)為 =avu/su=21t/t-1即 avu=su可見，可在-1到+1之間變化。 雙極式pwm變換器的優(yōu)點(diǎn)：1、電流一定連續(xù)；2、可使電機(jī)在四象限中運(yùn)行；3、電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除正、反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)；4、低速時(shí)，每個(gè)晶體管的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導(dǎo)通；5、低速平穩(wěn)性好，低速范圍可達(dá)20000左右。a).正向電動(dòng)運(yùn)行波形 b).反向電動(dòng)運(yùn)行波形3單元電路設(shè)計(jì) 31 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)電路311電路原理 在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，電流調(diào)節(jié)器的輸出控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。電流調(diào)節(jié)器在里面稱作內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外面稱作外環(huán)，這樣就形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖7所示。檢測(cè)部分中，采用了霍爾片式電流檢測(cè)裝置對(duì)電流環(huán)進(jìn)行檢測(cè)，轉(zhuǎn)速 15 則是采用了測(cè)速電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。 為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器都采用pi 調(diào)節(jié)器。pi調(diào)節(jié)器的輸出由兩部分組成，第一部分是比例部分，第二部分是積分部分。把比例運(yùn)算電路和積分電路組合起來(lái)就構(gòu)成了比例積分調(diào)節(jié)器，如圖6所示?？芍猽o=-i1r1-r0c1 1 uidt i1=i0=ui/r0 u0=-r1ui/r0- r0c1/1uidt 當(dāng)突加輸入信號(hào)ui時(shí)，開始瞬間電容c1相當(dāng)于短路，反饋回路中只有電阻r1，此時(shí)相當(dāng)于比例調(diào)節(jié)器，它可以毫無(wú)延遲地起調(diào)節(jié)作用，故調(diào)節(jié)速度快；而后隨著電容c1被充電而開始積分，u0線性增長(zhǎng)，直到穩(wěn)態(tài)。圖6 pi調(diào)節(jié)器電路 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速跟隨其給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用，其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。電流調(diào)節(jié)器使電流緊緊跟隨其給定電壓變化，對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起及時(shí)抗擾作用，在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過(guò)程中能夠獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過(guò)程，當(dāng)電機(jī)過(guò)載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。 圖7轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)電路圖 asr轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器acr電流調(diào)節(jié)器gt觸發(fā)裝置m 直流電動(dòng)機(jī)tg測(cè)速發(fā)電機(jī)ta電流互感器upe-電力電子變換器un*-轉(zhuǎn)速給定電壓un-轉(zhuǎn)速反饋電壓ui*-電流給電壓ui-電流反饋電壓 圖中，來(lái)自速度給定電位器給定的信號(hào)un*與速度反饋信號(hào)un比較后，偏差為un= un*-un，送到速度調(diào)節(jié)器asr的輸入端。速度調(diào)節(jié)器的輸出ui*作為電流調(diào)節(jié)器acr的給定信號(hào)，與電流反饋信號(hào)ui比較后，偏差為un= ui*-ui，送到電流調(diào)節(jié)器acr的輸入端，電流調(diào)節(jié)器的輸出uct送到觸發(fā)器，以控制可控整流器，整流器為電動(dòng)機(jī)提供直流電壓ud.。 3.2 pwm驅(qū)動(dòng)裝置控制電路 pwm khz圖6為pwm驅(qū)動(dòng)裝置控制電路框圖。該控制電路包括恒頻波形發(fā)生器、脈寬調(diào)制器、脈沖分配電路等脈寬調(diào)速系統(tǒng)所特有的電路。圖8 pwm驅(qū)動(dòng)裝置控制電路框圖 321恒頻波形發(fā)生器 它的作用是產(chǎn)生頻率恒定的振蕩信號(hào)作為時(shí)間比較的基準(zhǔn)，其波形可以是三角形波或鋸齒波。pwm波由具有輸出的pwm控制器產(chǎn)生。 3.2.2脈寬調(diào)制器 sg1525為單片脈寬調(diào)制型控制器芯片，具有輸出5.1v 的基準(zhǔn)穩(wěn)壓電源，誤差放大器、振蕩頻率在100 400khz范圍內(nèi)的鋸齒波振蕩器、軟啟動(dòng)電路、關(guān)閉電路、脈寬調(diào)制比較器、rs寄存器以及保護(hù)電路等。它解決了pwm電路的集成化問(wèn)題，在實(shí)例中用此芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)速。在具體的電路中，首先對(duì)位置傳感器信號(hào)進(jìn)行整形，形成所需要的前后沿很陡，具有一定寬度的波形。經(jīng)微分電路微分，產(chǎn)生的微分脈沖去觸發(fā)時(shí)基電路lm555，形成占空比為2:1的方波，方波頻率約為200hzo 此方波頻率計(jì)算公式為:f= n * p/ 60式中y1為電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速r/min, f為位置傳感器輸出信號(hào)的頻率、p為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。方波經(jīng)濾波器濾波后，形成直流電壓送人脈寬調(diào)制器，與脈寬調(diào)制器的反饋電壓進(jìn)行比較，利用得到的誤差信號(hào)去控制脈寬調(diào)制器輸出的調(diào)制方波脈沖的寬度變化，即pwm輸出脈沖占空比的變化，利用占空比的變化調(diào)整加在電機(jī)電樞繞組上的電壓，改變電壓隨即改變電機(jī)電流，轉(zhuǎn)速依據(jù)電流的大小來(lái)改變。 結(jié)束語(yǔ)：在應(yīng)用實(shí)例中，pwm對(duì)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，有如下優(yōu)點(diǎn):系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定精度等指標(biāo)比較好;電樞電流的脈動(dòng)量小，容易連續(xù)，而且可以不必外加濾波電抗也可以平穩(wěn)工作;系統(tǒng)的調(diào)速范圍寬;使用元件少、線路簡(jiǎn)單。 它的作用是實(shí)現(xiàn)電壓、脈寬的轉(zhuǎn)換（v/m），即形成pwm信號(hào)。sg1525集成控制器由r2 和rp1分壓給出ea(+)(2引腳)的系統(tǒng)設(shè)定值電壓。這就要求提供此電壓的基準(zhǔn)電源vref有較高精度。vref受15引腳vcc1電源電壓的影響。vcc1是標(biāo)準(zhǔn)三端集成穩(wěn)壓器的輸入電壓。vref是穩(wěn)壓器的輸出電壓 vcc。低于7v或嚴(yán)重欠電壓時(shí)，vref的精度值(51v1% )就得不到保證；為防止ea(+)設(shè)定值電壓波動(dòng)導(dǎo)致系統(tǒng)失控，在器件內(nèi)部設(shè)置有欠壓鎖定功能。出現(xiàn)欠電壓時(shí)，欠電壓鎖定功能使圖7中 a 端線由低電壓上升為邏輯高電壓經(jīng)“或”一“或非”門輸出轉(zhuǎn)化為p1= p2=dcba=dcb1；p1 =2p=1；p1 和p2的邏輯低電壓使輸出驅(qū)動(dòng)晶體管t1和t2 截止，p1和p2的邏輯高電壓使晶體管t和t的集電極對(duì)地導(dǎo)通?？刂破?1 和l4引腳的輸出電壓脈沖消失( v01=v02 = 0)，功率驅(qū)動(dòng)電路輸出至主開關(guān)管v的控制驅(qū)動(dòng)脈沖消失，主開關(guān)管關(guān)斷使直流電機(jī)停轉(zhuǎn)。 欠電壓使a端線高電壓傳遞到t3晶體管基極，t3導(dǎo)通為8引腳外接電容c3，提供放電的徑c3經(jīng)t3發(fā)射極電阻放電為零電壓后，限制了比較器c的pwm 脈沖電壓輸出 ，該脈沖電壓上升為恒定的邏輯高電壓。 pwm 高電壓經(jīng) pwm 鎖存器輸出到d端線仍為恒定的邏輯高壓，c3 電容重新充電之前，d端線的高電壓不會(huì)發(fā)生變化。d與 a同為高電壓雙重封鎖v01和v02為零出欠電壓消失后，欠電壓鎖定功能使a恢復(fù)低電壓正常值，a的低電壓使管恢復(fù)截止。c3電容由50a 電流源緩慢充電。c3充電對(duì)pwm 和d端線脈沖寬度產(chǎn)生影響。同時(shí)對(duì)v01和v02產(chǎn)生影響，其結(jié)果是使v01和v02脈沖由窄緩慢變寬。只有c3充電結(jié)束后v01和v02脈沖寬度才不再受c3充電的影響。參見圖8和圖9。圖9 sg1525集成pwm控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 由于v01和v02脈沖寬度受c3充電影響緩慢加寬，欠電壓消失后的功率驅(qū)動(dòng)脈沖也是由窄變寬的，主開關(guān)管斬波輸出的直流電壓va呈現(xiàn)出由小變大的趨勢(shì)，而不是躍變?yōu)槟骋还潭ㄖ惦妷?。這種軟啟動(dòng)方式，使系統(tǒng)主回路電機(jī)及開關(guān)器件避免承受過(guò)大的沖擊渲涌電流。c3 一般選用幾微法的電解電容器. 3.2.3系統(tǒng)的故障關(guān)閉功能 為便于從直流電機(jī)主回路接受檢測(cè)到的故障信號(hào)，例如，電機(jī)過(guò)電流，過(guò)電壓，vd直流失壓等故障信號(hào)，集成控制器內(nèi)部t3晶體管基極經(jīng)-50k13電阻連接1引腳。外部故障信號(hào)使va穩(wěn)壓管導(dǎo)通時(shí)，穩(wěn)壓管導(dǎo)通電流在r6兩端產(chǎn)生邏輯高電壓，此邏輯高電壓使t3管基極上升為邏輯高電壓。由于t3基極與 a端線相連，故障信號(hào)產(chǎn)生的關(guān)閉過(guò)程與欠電壓鎖定過(guò)程類似。即使p1 =p2=0，t1和t2晶體管截止；p1=2p=1， t2t導(dǎo)通。v01=v02=0；關(guān)閉驅(qū)動(dòng)脈沖使主開關(guān)管v關(guān)斷，va =0，電機(jī)停轉(zhuǎn)。另外，故障信號(hào)使，導(dǎo)通提供8引腳腳c3電容的放電路徑，c3放電到零電壓為軟啟動(dòng)作好準(zhǔn)備。故障消除后t3截止,c3由電流源緩慢充電，v01和v02脈沖由窄變寬，由低值逐漸升高到某固定值，電機(jī)在不承受過(guò)大啟動(dòng)電流的狀態(tài)下平穩(wěn)上升到某固定轉(zhuǎn)速。3.2.4系統(tǒng)波形與控制方式分析 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總是在鋸齒渡電壓v+取最小值時(shí)，由邏輯低電平上跳為邏輯高電平(圖3)。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)，vo1和vo2的頻率設(shè)置為鋸齒波電壓頻率的二分之一。圖2中，ff 觸發(fā)器在cp脈沖控帝葺下輸出q和q兩個(gè)二分頻計(jì)數(shù)脈沖分別至不同或一或非門口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(duì)齊，cp后沿下跳時(shí)刻與谷點(diǎn)對(duì)齊，這樣可保證cp與鋸齒渡的同步同頻率變化。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輸出波形參見圖3。 vo1和vo2脈沖的后沿下跳時(shí)刻由鋸齒渡v+ 的上升沿區(qū)間和v一電壓的交點(diǎn)確定，當(dāng)v +上升到v+v-的臨界對(duì)應(yīng)時(shí)刻時(shí)，vo1或vo2脈沖由邏輯高電平跳變?yōu)檫壿嫷碗娖?。誤差放大器 ea的輸出電壓v-，可由2引腳設(shè)定電位器rp1調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)rp1使v-等于v+的谷點(diǎn)電壓時(shí)，vo1和vo2的脈寬縮減為零，vo1= vo2=0；調(diào)節(jié)rp1使v-等于v+的蜂點(diǎn)電壓時(shí)，vo1和vo2的脈寬達(dá)到最大值。由于v-電壓由v+的谷點(diǎn)到峰點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)時(shí)，和v +交點(diǎn)在鋸齒波上升沿移動(dòng)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為t1，vo1 和vo2的最大脈沖寬度也為t1。v+ 與v-的交點(diǎn)比較功能由c比較器(圖2)完成，當(dāng)v+v-，c比較器輸出的pwm 渡形由邏輯低電平變?yōu)楦唠娖?；v+v-時(shí)(v+下降沿交點(diǎn))，c比較器輸出pwm波由邏輯高電平變?yōu)榈碗娖剑瑸楸ＷCpwm波寬不致于太窄，用pwm鎖存器鎖存高電平值，并在cp脈沖下跳時(shí)對(duì)鎖存器清零。以進(jìn)行下一個(gè)比較點(diǎn)的鎖存。經(jīng)pwm鎖存器輸出到“或”一“或非”門c輸入端的脈沖最小寬度與cp同寬。集成控制器與系統(tǒng)工作波形圖見3。系統(tǒng)的自動(dòng) 調(diào)節(jié)過(guò)程分析如下： 圖10 sg1525各點(diǎn)波形與pwm斬波調(diào)壓波形 調(diào)節(jié)電位器rp1使誤差放大器輸出一固定的v-電壓在v+的谷點(diǎn)和v-與v+交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的區(qū)間內(nèi)有固定的vo1 +vo2脈沖(11和14腳并接獲vo1+vo2)輸出到功率驅(qū)動(dòng)電路，主開關(guān)管v以某固定脈寬斬波輸出ua，濾波輸由rp1調(diào)節(jié)確定的直流電壓va值到直流電機(jī)，電機(jī)保持其穩(wěn)定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。當(dāng)電機(jī)因某種擾動(dòng)固察使轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，例如，負(fù)載變化使轉(zhuǎn)速下降，則由系統(tǒng)檢測(cè)反饋的vf電壓值跟隨下降，vf經(jīng)r3及串聯(lián)二極管(此二極管可防止調(diào)試系統(tǒng)時(shí)正負(fù)極接反形成正反饋)使誤差放大器ea(-)反相輸入端電位下降，誤差電壓e=ea(+)-ea(-)增大(方向由ea(+)指向ea(-)，誤差放大器對(duì)e的比例積分運(yùn)算(ea誤差放大器的輸出9引腳和反相輸入引腳間接有 r4、c2構(gòu)成的比例積分反饋網(wǎng)絡(luò))輸出電壓v-值上升，v-的上升使v +v-的交點(diǎn)時(shí)刻(鋸齒披上升沿交點(diǎn))后移。vo1+vo2和u。脈沖寬度均變寬，ua的濾波平均值電壓va按比例積分規(guī)律增大, va增大使電機(jī)轉(zhuǎn)速回升，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速回升到rp1設(shè)定值ea(+)所對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，e調(diào)節(jié)為零，v-停止比例積分變化，系統(tǒng)進(jìn)入新和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。3.2.5 脈沖分配電路 在可逆pwm變換器中，上、下兩個(gè)晶體管經(jīng)常交替工作，如圖10所示。由于晶體管存在關(guān)斷時(shí)間，因此有可能能造成在一個(gè)晶體管未完全關(guān)斷時(shí)，另一個(gè)晶體管已導(dǎo)通，從而使電源短路。為了避免這種情況發(fā)生，根據(jù)功率轉(zhuǎn)換電路的工作要求，設(shè)置了大功率晶體管的導(dǎo)通次序，即脈沖分配電路，使大；功率晶體管能按照指定的順序?qū)ā?在圖11中，晶體管v1、v4是同時(shí)關(guān)斷的，v2、v3也是同時(shí)導(dǎo)通同時(shí)關(guān)斷的，但v1與v2、v3與v4都不允許同時(shí)導(dǎo)通，否則電源ud直通短路。設(shè)v1、v4先同時(shí)導(dǎo)通t1秒后同時(shí)關(guān)斷，間隔一定時(shí)間之后，再使v2、v3同時(shí)導(dǎo)通t2秒后同時(shí)關(guān)斷，如此反復(fù)，則電動(dòng)機(jī)電樞端電壓波形如圖11（b）所示。圖11脈沖分配電路電動(dòng)機(jī)電樞端電壓的平均值為ua= udt tudtttt)11 2(2121=（2-1）ud 由于01，ua值的范圍是-udud，因而電動(dòng)機(jī)可以在正反兩個(gè)方向調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)。3.2.6基極驅(qū)動(dòng)電路 系統(tǒng)采用的功率驅(qū)動(dòng)電路取決于主開關(guān)管v的器件類別。用不同類別的主開關(guān)其功率驅(qū)動(dòng)電路也不同。本系統(tǒng)采用bjt功率晶體管的驅(qū)動(dòng)電路。圖2是驅(qū)動(dòng) bjt功率晶體管的一種用的雙電源光電耦合驅(qū)動(dòng)電路，其工作原理如下。 vo1+vo2為邏輯低電平時(shí)，t4晶體管止集電極輸出高電平至t3基極，穩(wěn)壓管w與t3均導(dǎo)通，使集電極為低電平。一般可設(shè)計(jì)t3集電極低電平為負(fù)值，例如，設(shè)計(jì)vca=vw+vcesa-vcc=2.6v，受vc3負(fù)位制約；bjt基極電位(a點(diǎn))為vc3+veb2=-2v(此時(shí)t1管vbe1-veb2=o6v反偏電壓截止)。bjt發(fā)射極連于電容c的聯(lián)交點(diǎn)b，可獲得直流懸浮零電位vb(vccvc)=0( vc=2vcc c cc )。該直流懸浮零電位使 bjt基極發(fā)射極間有2v的反向偏置電壓，以保證bjt的可靠關(guān)斷。因bjt發(fā)極與電感l(wèi)相連，電容c還有效隔斷驅(qū)動(dòng)路和l強(qiáng)電電路的直流電聯(lián)系。 vo1+vo2為高電平時(shí)，t4導(dǎo)通，t3和穩(wěn)壓管關(guān)斷，vcc經(jīng)r3和t1管基極、發(fā)射極向bj提供基極開通電流，t2管承受vbe1=-veb2反壓截止。r1限制bjt導(dǎo)通基流的大小。r2在bjt關(guān)斷瞬間，限制電容c經(jīng)bjt發(fā)射極、基極，t2發(fā)射極、集電極，負(fù)電源回路的反向恢復(fù)電流峰值。 調(diào)試圖2中的 r5，可改變vo1+vo2脈沖的幅值，以適應(yīng)輸入光電耦合電路的參敬定額要求。圖12電路的適應(yīng)性較強(qiáng)也可用于igbt絕緣柵雙極晶體管的功率驅(qū)動(dòng)電路。圖12 基極驅(qū)動(dòng)電路3.3、相關(guān)數(shù)據(jù)分析該系統(tǒng)調(diào)速精度與調(diào)速范圍要求不高。本系統(tǒng)采用三相 (1)ct,rt，rd的選取 sg1525集成控制器可輸出01400khz的脈沖頻率，對(duì)應(yīng)ct= 00010.1f，rt=2 150k取值。一般對(duì)于bjt和gto器件可取f=1khz以下，igbt器件取f= 10khz左右。f與ct,rt，rd的關(guān)系用下式確定。 f=l(t1+ t2)=1(067r1ctr1+1.3rdct) 例如f= lkhz，t= 0001s，取定t= 002s，t2=016s，可算得ce=0.122vmin/r時(shí)rt與rd分別為rt = t1067ct