直流電機(jī)PWM調(diào)速電路驅(qū)動(dòng)與保護(hù)部分

1、刖言上個(gè)世紀(jì)50年代，美國(guó)通用電氣公司發(fā)明的硅晶閘管的問(wèn)世，標(biāo)志著電力 電子技術(shù)的開端。此后，晶閘管（SCR）的派生器件越來(lái)越多，到了 70年代，已經(jīng) 派生了快速晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、雙向晶閘管、不對(duì)稱晶閘管等半控型器件，功 率越來(lái)越大，性能日益完善。但是由于晶閘管本身工作頻率較低（一般低于 400Hz）,大大限制了它的應(yīng)用。此外，關(guān)斷這些器件，需要強(qiáng)迫換相電路，使得 整體重量和體積增大、效率和可靠性降低。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的電力電子器件仍以 晶閘管為主。隨著關(guān)鍵技術(shù)的突破以及需求的發(fā)展，早期的小功率、低頻、半控型器件發(fā)展到了現(xiàn)在的超大功率、高頻、全控型器件。由于全控型器件可以控制開通和關(guān) 斷，大大

2、提高了開關(guān)控制的靈活性。自70年代后期以來(lái)，可關(guān)斷晶閘管（GTO）電力晶體管（GTR或BJT）及其模塊相繼實(shí)用化。此后各種高頻全控型器件不斷問(wèn) 世，并得到迅速發(fā)展。這些器件主要有電力場(chǎng)控晶體管（即功率MOSFET）絕緣柵極雙極晶體管（IGT或IGBT）、靜電感應(yīng)晶體管（SIT）和靜電感應(yīng)晶閘管（SITH） 等。與此同時(shí)，脈沖寬度調(diào)制（PWM技術(shù)與開關(guān)功率電路成為功率應(yīng)用中的主 流技術(shù)；長(zhǎng)期以來(lái)，直流電機(jī)以其良好的線性特性，優(yōu)異的控制性能、低成本等 特點(diǎn)成為大多是變速運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)的最佳選擇。因此，基于PWM Pulse Width Modulation ）的直流電機(jī)調(diào)速技術(shù)在現(xiàn)

3、代電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中被 廣泛運(yùn)用。電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制， 是電氣傳動(dòng)發(fā)展的主要方向。而驅(qū) 動(dòng)電路則是調(diào)速電路的重要組成部分， 其處在主電路和控制電路之間，將控制電 路的信號(hào)進(jìn)行放大。保護(hù)電路以及檢測(cè)電路是對(duì)電機(jī)速度精確控制的前提，本次課程設(shè)計(jì)是對(duì)直流電機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，下面是驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的具體過(guò) 程。一、設(shè)計(jì)目的：1培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的正確設(shè)計(jì)思想，訓(xùn)練綜合運(yùn)用已經(jīng)學(xué)過(guò)的理論和生產(chǎn)實(shí)際知識(shí)去分析和解決工程實(shí)際冋題的能力。2學(xué)習(xí)較復(fù)雜的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法，了解和掌握模擬、數(shù)字電路等 知識(shí)解決電子信息方面常見(jiàn)實(shí)際問(wèn)題的能力，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)、自行制作和自行調(diào)試。3、進(jìn)行基本技術(shù)技能

4、訓(xùn)練，如基本儀器儀表的使用，常用元器件的識(shí)別、 測(cè)量、熟練運(yùn)用的能力，掌握設(shè)計(jì)資料、手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范以及使用仿真軟件、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試和數(shù)據(jù)處理等。4、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。二、設(shè)計(jì)要求：1設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)主回路，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反向驅(qū)動(dòng)。2、設(shè)計(jì)PW驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生電路。3、設(shè)計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速顯示電路。4、設(shè)計(jì)點(diǎn)擊轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)電路，可以按鍵或電位器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。5、安裝調(diào)試。三、總體設(shè)計(jì)：脈寬調(diào)制的全稱為：Pulse Width Modulator 、簡(jiǎn)稱PWM由于它的特殊性 能、常被用于直流負(fù)載回路中、燈具調(diào)光或直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速、HW-102（型調(diào)速器、 就是利用脈寬調(diào)制（PWM原理制作的馬達(dá)調(diào)速器、PW碉速

5、器已經(jīng)在：工業(yè)直流電 機(jī)調(diào)速、工業(yè)傳送帶調(diào)速、燈光照明調(diào)解、計(jì)算機(jī)電源散熱、直流電扇等、得到 廣泛應(yīng)用。3.1、直流電機(jī)基本工作原理我們已經(jīng)知道通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中會(huì)受到電磁力的作用-電磁力定律。電動(dòng)機(jī)就是應(yīng)用這個(gè)定律工作的。圖是直流電動(dòng)機(jī)的原理圖。1)b)圖直流電機(jī)原理圖電樞繞組通過(guò)電刷接到直流電源上， 繞組的旋轉(zhuǎn)軸與機(jī)械負(fù)載相聯(lián)。電流從 電刷A流入電樞繞組，從電刷B流出。電樞電流la與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生電磁力 F，其方向可用左手定則判定。這一對(duì)電磁力所形成的電磁轉(zhuǎn)矩T，使電動(dòng)機(jī)電樞逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。如上圖a所示。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)到上圖b所示位置時(shí)，由于換向器的作用，電源電流 la仍由電刷 A流入繞組，由電

6、刷B流出。電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍然使電動(dòng)機(jī)電樞逆時(shí)針 方向旋轉(zhuǎn)。電樞轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，割切磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)（用右手定則判定） 的方向與電樞電流la和外加電壓U的方向總是相反的，稱為反電動(dòng)勢(shì) Ea。它與 發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)E的作用不同。發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)是電源電動(dòng)勢(shì)，在外電路產(chǎn)生 電流。而Ea是反電動(dòng)勢(shì)，電源只有克服這個(gè)反電動(dòng)勢(shì)才能向電動(dòng)機(jī)輸入電流?？梢?jiàn)，電動(dòng)機(jī)向負(fù)載輸出機(jī)械功率的同時(shí)， 電源卻向電動(dòng)機(jī)輸入電功率，電 動(dòng)機(jī)起著將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的作用。發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩者的電磁轉(zhuǎn)矩 T的作用是不同的。發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是阻 轉(zhuǎn)矩，它與原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 Ti的方向是相反的。電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)

7、矩，它使電樞轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 T必須與機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2及空載損耗轉(zhuǎn) 矩To相平衡，即T= T2十T。當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，則電動(dòng)機(jī)的 轉(zhuǎn)速、反電動(dòng)勢(shì)、電流及電磁轉(zhuǎn)矩將自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)負(fù)載的變化，保持新 的平衡?？梢?jiàn)，直流電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行和作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，雖然都產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩，但兩者作用截然相反。3.2、脈沖寬度調(diào)制12VO上述電路中，運(yùn)算放大器U1A和U1B兩級(jí)產(chǎn)生三角波，U1C為跟隨器，起隔 離作用。U1B輸出的三角波與從電位器 RP得到的直流電壓相加后輸入到 U1D的 反相端，U1D作為脈沖寬度調(diào)制電路，其輸出一定占空比的矩形脈沖，其占空比 與反相端輸入信號(hào)的瞬

8、時(shí)采樣值成比例，然后控制三極管Q1的導(dǎo)通時(shí)間，使其輸出電流隨輸入電壓的平均值大小而變化， 進(jìn)而控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。調(diào)節(jié)電位 器可調(diào)節(jié)占空比的大小，即可調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。3.3、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)霍爾傳感器原理：霍爾傳感器是一種磁傳感器。用它可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用。 霍爾傳感器以霍爾效應(yīng)為其工作基礎(chǔ)， 是由霍爾元件和它的附屬電路組成的集成傳感器。 霍爾傳感器在工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和日常生活中有著非常廣泛的應(yīng)用TO-92尺寸 3X4X1 57mmI電源+2電源-（地）3輸出圖 3.3。1霍爾傳感器也稱為霍爾集成電路，其外形較小，如圖所示，是其中一種型號(hào)的外形圖。3.4、顯示器十進(jìn)制

9、可逆計(jì)數(shù)器74LS192引腳圖管腳：74LS192是同步十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，它具有雙時(shí)鐘輸入，并具有清除和置數(shù)等功能，其引腳排列及邏輯符號(hào)如下所示：VDC也MRTCoTCuPLPaPlpF|ispu|13|i2|7|joLlJLzJLjJLILaJLlILlJLU円 Qi Qq CPq CPy 0? O3 GNO0 12 3 p F p PCPUCPDPL0 12 3 QQQQT T0 0(a)(b)圖的引腳排列及邏輯符號(hào)(a )引腳排列(b)邏輯符號(hào)圖中：F匚為置數(shù)端，匚為加計(jì)數(shù)端，：為減計(jì)數(shù)端，為非同步進(jìn)位輸出端，門為非同步借位輸出端，P0 P1、P2、P3為計(jì)數(shù)器輸入端，工丫為清除 端,

10、Q0 Q1、Q2、Q3為數(shù)據(jù)輸出端。四、單元電路設(shè)計(jì)：器材列表：9013三極管6個(gè)，二極管IN4007 6個(gè)，10K電阻4個(gè)，20K電阻2個(gè)，電路板一塊，導(dǎo)線若干。驅(qū)動(dòng)電路圖如下：10GrA/xA?_10074廠丿 a1直流電機(jī)901390151 KCWv1 kQwv-廠9015lX功放電路805090504.1、PWM空制調(diào)速原理直流電機(jī)PW調(diào)速的基本原理圖如圖?？煽亻_關(guān)S以固定的周期重復(fù)地 接通和斷開，當(dāng)開關(guān)S接通時(shí)，直流供電電源U!過(guò)開關(guān)S施加到直流電機(jī)兩端， 電機(jī)在電源作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)電樞電感儲(chǔ)存能量；當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)，供電電源停止向電動(dòng)機(jī)提供能量，但此時(shí)電樞電感所儲(chǔ)存的能量將通過(guò)續(xù)

11、流二極管VD使電機(jī)電樞電流繼續(xù)維持，電樞電流仍然產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩使得電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。開關(guān)S重復(fù)動(dòng)作時(shí)，在電機(jī)電樞兩端就形成了一系列的電壓脈沖波形， 如圖所示。 電樞電壓平均值Uav的理論計(jì)算式為：+c nUav = U 二:U（ 1）其中a為占空比，即導(dǎo)通時(shí)間與脈沖周期之比。由式（1）可知，平均電壓由占空比及電源電壓決定，保持開關(guān)頻率恒定， 改變占空比能夠相應(yīng)地改變平均電壓，從而實(shí)現(xiàn)了直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。aW 益 ua圖4.1.2電壓及電流波形圖4.1.1 簡(jiǎn)單直流PWM控制電路注：PWM直流電機(jī)調(diào)速的關(guān)鍵是調(diào)整占空比來(lái)調(diào)節(jié)平均電壓從而達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn) 速的目的。4.2、H橋驅(qū)動(dòng)電路H型全橋式驅(qū)動(dòng)電路的

12、4只開關(guān)管都工作在斬波狀態(tài)。S1、S2為一組，S3 S4為一組，這兩組狀態(tài)互補(bǔ)，當(dāng)一組導(dǎo)通時(shí)，另一組必須關(guān)斷。當(dāng) S1、S2導(dǎo)通 時(shí)，S3 S4關(guān)斷，電機(jī)兩端加正向電壓實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動(dòng)；當(dāng) S3 S4 導(dǎo)通時(shí)，S1、S2關(guān)斷，電機(jī)兩端為反向電壓，電機(jī)反轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動(dòng)。實(shí)際控制中，需要不斷地使電機(jī)在四個(gè)象限之間切換， 即在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間 切換，也就是在S1、S2導(dǎo)通且S3 S4關(guān)斷到S1、S2關(guān)斷且S3 S4導(dǎo)通這兩種 狀態(tài)間轉(zhuǎn)換。這種情況理論上要求兩組控制信號(hào)完全互補(bǔ)，為了避免直通短路且保證各個(gè)開關(guān)管動(dòng)作的協(xié)同性和同步性，兩組控制信號(hào)理論上要求互為倒相，因此我們?cè)趯?shí)際操作中采取的是運(yùn)用反

13、相器來(lái)實(shí)現(xiàn)它們的 倒相。圖2中4只開關(guān)管為續(xù)流二極管，可為線圈繞組提供續(xù)流回路。當(dāng)電機(jī)正常 運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)主開關(guān)管流過(guò)電機(jī)。 當(dāng)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電機(jī)工作在 發(fā)電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子電流必須通過(guò)續(xù)流二極管流通， 否則電機(jī)就會(huì)發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)甚至 燒毀。圖2 II怖切率嘟劫臉坤熾電路得名于“ H橋驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜?Ho 4個(gè)三極管組成H 的4條垂直腿，而電機(jī)就是H中的橫杠（注意：圖423和圖424的圖都只是 示意圖，而不是完整的電路圖）。如圖423所示，H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn) 轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能 會(huì)從左

14、至右或從右至左流過(guò)電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向圖423 H橋驅(qū)動(dòng)電路要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。例如，如圖4所示,當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過(guò)電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流將從左至右流過(guò)電機(jī),從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向 轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周圍的箭頭指示為順時(shí)針?lè)较颍?。圖424 H橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)圖425所示為另一對(duì)三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過(guò) 電機(jī)。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另 一方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周圍的箭頭表示為逆時(shí)

15、針?lè)较颍?。圖425 H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)4.3、H橋驅(qū)動(dòng)使能控制及方向邏輯驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，保證H橋上兩個(gè)同側(cè)的三極管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通非常重要。如果 三極管Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通，那么電流就會(huì)從正極穿過(guò)兩個(gè)三極管直接回到負(fù)極。 此時(shí)，電路中除了三極管外沒(méi)有其他任何負(fù)載， 因此電路上的電流就可能達(dá)到最 大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞三極管?；谏鲜鲈颍趯?shí)際驅(qū) 動(dòng)電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開關(guān)。注：三極管和電阻、二極管組成的電路驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)可調(diào)速正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。四個(gè)二極管起保護(hù)三極管的作用，防止感性元件（電機(jī)）產(chǎn)生的負(fù)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)三極管的沖擊4.4、性能指標(biāo)對(duì)于PWMS速的直流

16、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，主要考慮以下性能指標(biāo)：1、輸出電流和電壓范圍。它決定著電路能驅(qū)動(dòng)多大功率的電機(jī)；2、效率。高的效率不僅意味著節(jié)省電源，也會(huì)減少驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)熱。要提高電路的效率，可以從保證功率器件的開關(guān)工作狀態(tài)和防止共態(tài)導(dǎo)通（H橋電路可能出現(xiàn)的一個(gè)問(wèn)題，即兩個(gè)功率器件同時(shí)導(dǎo)通使電源短路）入手；3、對(duì)控制輸入端的影響。功率電路對(duì)其輸入端應(yīng)有良好的信號(hào)隔離，防止 有高電壓大電流進(jìn)入主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實(shí)現(xiàn)隔 離；4、對(duì)電源的影響。共態(tài)導(dǎo)通可以引起電源電壓的瞬間下降造成高頻電源污 染，大電流可能導(dǎo)致地線電位浮動(dòng)；5、可靠性。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該盡可能做到：無(wú)論加上何種控制信號(hào)，何種

17、無(wú)源負(fù)載，電路都是安全的。五、調(diào)試：用數(shù)字信號(hào)發(fā)生器輸出一個(gè)可用的矩形波，連接到線路板的一個(gè)輸入端，另一個(gè)輸入端連接到CD4069反相器上，有兩個(gè)接頭接到電源+12V和地端，剩下 的兩個(gè)接頭分別接到萬(wàn)用表的兩端，觀察電壓值的變化。六、電路測(cè)試及測(cè)試結(jié)果：通過(guò)萬(wàn)用表的測(cè)量，觀察到當(dāng)改變輸入波形的占空比時(shí)，輸出電壓在變化， 即改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。通過(guò)交換接到萬(wàn)用表兩端的接頭，可以改變電壓值的正負(fù)， 即實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)。七、設(shè)計(jì)總結(jié)：本次課程設(shè)計(jì)主要是對(duì)調(diào)速器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。同時(shí)，由于自己的能力水平 有限，設(shè)計(jì)中仍有不少錯(cuò)誤的地方或有更優(yōu)化的方案。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，我細(xì)化的了解了直流電機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)電路的知

18、識(shí)，掌握了H橋驅(qū)動(dòng)電路雙向調(diào)速的原理。我對(duì)本專業(yè)的認(rèn)識(shí)更加深刻了，同時(shí)加強(qiáng)了對(duì)專業(yè) 知識(shí)的掌握，提高了運(yùn)用能力，積累了一些相關(guān)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。 從本次設(shè)計(jì)基本滿 足了設(shè)計(jì)的要求，實(shí)現(xiàn)了正、反轉(zhuǎn)的調(diào)節(jié)。在課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們遇到過(guò)各種各樣的問(wèn)題，培養(yǎng)了我們綜合運(yùn)用所 學(xué)知識(shí)解決實(shí)際技術(shù)問(wèn)題的能力；掌握了資料查詢的基本方法，培養(yǎng)自己學(xué)習(xí)及 獨(dú)立思考解決問(wèn)題的的能力，并融會(huì)貫通知識(shí)體系，但對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程有一個(gè)總體的 設(shè)計(jì)思路，才是我們?cè)O(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵。首先，通過(guò)對(duì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，我掌握了驅(qū)動(dòng)電路電路的設(shè)計(jì)方向、 思路、方法。其次，本次課程設(shè)計(jì)內(nèi)容比較豐富，用到的設(shè)計(jì)資料、書籍和設(shè)計(jì)工具也比 較多。本次設(shè)計(jì)鍛煉了自己的動(dòng)手能力， 樹立了理論聯(lián)系實(shí)際的理念，并且使自 己進(jìn)一步熟練了對(duì)Microsoft office 和protel以及各種輔助應(yīng)用軟件的使用， 對(duì)我有大有裨益。設(shè)計(jì)過(guò)程中與大家交流是非常必要的。合理