一種脈寬調制電機驅動電路的設計

1、課程設計一種脈寬調制電機驅動電路的設計系別：電子電氣工程系專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：06電氣二班學號：20695014060姓名：申向陽指導老師：歐衛(wèi)斌2009年6月27日課程設計任務書題目：一種脈寬調制電機驅動電路的設計目的：1實現對電氣控制、電機拖動、變流技術等課程內容的應用； 2掌握利用集成PWM芯片、H橋芯片快速搭建電機驅動電路的方法。課程設計任務：1. 利用集成PWM芯片（SG3525）、H橋芯片（LMD18200）快速搭建電機驅動電路；實現較好性能開環(huán)控制。2. SG3525產生PWM波，送給LMD18200，由18200驅動電機運轉。充分利用兩芯片的保護功能實現相關保護。3.

2、 選作部分：用MCU作為控制單元實現參數給定、修改，信息顯示，數據處理，給電機引入測速發(fā)電機或光電編碼盤實現閉環(huán)控制。（MCU與后級芯片要用光耦隔離）4. 最后要給出驅動電路對應的電機容量。5. 電路圖要求用軟件Protel99繪制，補充：理解好系統(tǒng)原理、搞清楚芯片原理、認真查閱資料、合理借鑒他人經驗進行適當設計完成任務目標，電路結構力求使用簡單。目錄摘要21 引言22 智能功率集成電路LMD18200T性能簡介221 引腳定義222 工作原理422的應用電路53 PWM控制芯片SG3525功能簡介53.1 SG3525引腳功能及特點簡介53.2 SG3525的工作原理64 光電隔離器84.1

3、 光電隔離器的概述84.2光耦合器的種類和優(yōu)點84.3光電隔離器的技術參數的介紹85 protel99的基本介紹96 開環(huán)控制的電機驅動電路106.1 搭建電路圖126.2 波形輸出136.3 驅動電路對應的電機容量137 結束13參考文獻13一種脈寬調制電機驅動電路的設計摘要：給出了一種使用集成PWM芯片（SG3525）和H橋芯片(LMD18200)等器件實現的一種脈寬調制電機驅動電路。對PWM控制芯片SG3525和集成電路LMD18200性能進行了介紹。闡述并分析了系統(tǒng)的工作原理、構成以及各功能的實現方案，并且用protel99繪制出電路圖。實驗結果表明，控制系統(tǒng)運行正常，成本低廉，可靠性

4、高。關鍵詞：PWM芯片；H橋芯片；脈寬調制；光電隔離；protel99.1 引言直流伺服電動機因調速性能好、起動轉矩大，故在工農業(yè)生產、國防裝備、科學研究以及第三產業(yè)中都有大量的應用，在自動控制系統(tǒng)中常用來作執(zhí)行元件或信號元件，用于傳遞和變換信號。直流伺服電動機的驅動電路可以采用分離器件來搭建，這種方法容易造成研制周期加長、電路體積增大、結構復雜以及可靠性下降等問題。為了提高驅動電路的可靠性和穩(wěn)定性，有必要選擇一種新的驅動方式，以達到減小電路體積以及提高電路選用美國國家半導體公司(NS)生產的專門用于運動控制的LMD18200T智能功率集成電路就是一種很好的解決方案。LMD18200T是一種體

5、積小、驅動能力強、內部集成了多種保護電路、單片即可實現電機全橋驅動的集成功率放大器，故可有效減少系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性，顯著提高系統(tǒng)的可靠性，充分體現了集成功率放大器外圍電路簡單、性能穩(wěn)定可靠、控制功能全面的優(yōu)點。隨著電能變換技術的發(fā)展，功率MOSFET在開關變換器中開始廣泛使用，為此美國硅通用半導體公司（Silicon General）推出SG3525。SG3525是用于驅動N溝道功率MOSFET。其產品一推出就受到廣泛好評。SG3525系列PWM控制器分軍品、工業(yè)品、民品三個等級。本文對SG3525特點、引腳功能、電氣參數、工作原理以及典型應用進行了介紹。2 智能功率集成電路LMD18200

6、T性能簡介LMD18200T是NS公司生產的專門用于直流電動機運動控制的智能功率集成電路。它將4個DMOS管構成的H橋及其控制邏輯電路封裝在一個ll引腳的芯片中。它的工作電壓高達55 v；連續(xù)工作電流3 A，峰值電流高達6 A；每個開關器件的導通電阻典型值為0.3歐姆；輸入信號兼容TTL和CMOS信號；具有溫度報警、過熱以及負載短路保護能力。21 引腳定義各功能的功能如下：引腳名稱功能描述1、11橋臂1、2的自舉輸入電容連接端在腳1與腳2與腳10與腳112、10H橋輸出端3方向輸入端轉向時，輸出驅動電流方向見表一。該腳控制輸出1與輸出2（腳2、10）之間電流的方向，從而控制馬達旋轉的方向。4剎

7、車輸入端剎車時，輸出驅動電流方向見表一。通過該端將馬達繞組短路而使其剎車。剎車時，將該腳置邏輯高電平，并將PWM信號輸入端（腳5）置邏輯高電平，3腳的邏輯狀態(tài)決定于短路馬達所用的器件。3腳為邏輯高電平時，H橋中2個高端晶體管導通。腳4置邏輯高電平、腳5置邏輯低電平時，H橋中所有晶體管關斷，此時，每個輸出端只有很小的偏流（1.5mA）。5PWM信號輸入端PWM信號與驅動電流方向的關系見表一。該端與3腳（方向輸入） 如何使用，決定于PWM信號類型。6、7電源正端與負端8電源取樣輸出端提供電流取樣信號，典型值為377A/A9溫度報警輸出溫度報警輸出，提供溫度報警信號。芯片結溫達145時，該端變?yōu)榈碗?/p>

8、平；結溫達170時，芯片關斷表一LMD18200邏輯真值表PWM轉向剎車實際輸出驅動電流電機工作狀態(tài)HHL流出1、流入2正轉HLL流入1、流出2反轉LHL流出1、流出2停止HHH流出1、流出2停止HLH流入1、流入2停止LXHNONE方式l：PWM 信號中既包含方向信息又包含幅值信息，PWM 信號從3腳輸入，5腳接至邏輯高電平。50占空比PWM 信號對應于零驅動，平均負載電流為零。大于50占空比PWM信號對應于正向電流，負載電流從OUTPUT1流向OUTPUT2。小于50占空比PWM 信號對應于反向電流，負載電流從OUTPUT2流向OUTPUT1.Vs POWER SUPPLY和GROUNDI

9、NG 直流電源的正、負輸入端。CURRENT SENSE OUTPUT 電流檢測輸出端。每輸出l A電流，引腳8輸出377的采樣電流。22 工作原理LMD18200T的內部功能框圖如圖所示。LMD18200T內部集成了4個DMOS管，組成了一個標準的H橋驅動電路。H橋高側DMOS功率器件要求其柵極驅動電壓大于電源正極約8V以上才能導通。為此該集成電路設置了內部充電泵電路，它由一個300 kHz振蕩器控制，充電泵電容被充電至14 V左右。此柵極驅動電壓上升時間典型值為20us，適用于工作頻率1 kHz左右的情況。如果要求更高的工作頻率，需要外接白舉電容。推薦用兩個10nF的電容器分別接于引腳1、

10、2和引腳10、11之間，是柵極驅動電壓上升時間在100 ns以下，允許開關頻率高達500 kHz。引腳2、10接直流電動機的電樞兩端，正轉時電流的方向應該從引腳2到引腳10；反轉時電流的方向應該是從引腳10到引腳2。電流檢測引腳8可以外接一個對地電阻，通過此電阻來檢測輸出電流的情況。內部保護電路設置的過電流閾值是10 A，當超過該值時會自動封鎖輸出，并周期性地自動恢復輸出。如果過電流持續(xù)時間過長，過熱保護將關閉整個輸出。過熱信號可以通過引腳9輸出，當結溫達到145時引腳9有輸出信號。22的應用電路該電路是一個單極性驅動直流電機閉環(huán)控制電路。信號由腳輸入，轉向信號由腳輸入。的占空比決定轉速，方向

11、信號決定轉向；增量式編碼器反饋電機位置通過其輸出的、B兩項信號獲得轉速和轉向信息，從而形成閉環(huán)控制。3 PWM控制芯片SG3525功能簡介SG3525是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調制器是按照接反饋電流來調節(jié)脈寬的。在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結構上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關電源的電壓調整率、負載調整率和瞬態(tài)響應特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。3.1 SG3525引腳功能及特點簡介其原理圖如圖4.13下：1.Inv.input(引腳1)：誤差放大

12、器反向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該引腳接反饋信號。在開環(huán)系統(tǒng)中，該端與補償信號輸入端（引腳9）相連，可構成跟隨器。2.Noninv.input(引腳2)：誤差放大器同向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)中，該端接給定信號。根據需要，在該端與補償信號輸入端（引腳9）之間接入不同類型的反饋網絡，可以構成比例、比例積分和積分等類型的調節(jié)器。3.Sync(引腳3)：振蕩器外接同步信號輸入端。該端接外部同步脈沖信號可實現與外電路同步。4.OSC.Output(引腳4)：振蕩器輸出端。5.CT(引腳5)：振蕩器定時電容接入端。6.RT（引腳6）：振蕩器定時電阻接入端。7.Discharge(引腳7)：振蕩器放電端。

13、該端與引腳5之間外接一只放電電阻，構成放電回路。8.Soft-Start(引腳8)：軟啟動電容接入端。該端通常接一只5 的軟啟動電容。9.Compensation(引腳9)：PWM比較器補償信號輸入端。在該端與引腳2之間接入不同類型的反饋網絡，可以構成比例、比例積分和積分等類型調節(jié)器。10.Shutdown(引腳10)：外部關斷信號輸入端。該端接高電平時控制器輸出被禁止。該端可與保護電路相連，以實現故障保護。11.Output A（引腳11）：輸出端A。引腳11和引腳14是兩路互補輸出端。12.Ground(引腳12)：信號地。13.Vc(引腳13)：輸出級偏置電壓接入端。14.Output

14、B（引腳14）：輸出端B。引腳14和引腳11是兩路互補輸出端。15.Vcc（引腳15）：偏置電源接入端。16.Vref(引腳16)：基準電源輸出端。該端可輸出一溫度穩(wěn)定性極好的基準電壓。特點如下：（1）工作電壓范圍寬：835V。（2）5.1（1 1.0%）V微調基準電源。（3）振蕩器工作頻率范圍寬：100Hz400KHz.（4）具有振蕩器外部同步功能。（5）死區(qū)時間可調。（6）內置軟啟動電路。（7）具有輸入欠電壓鎖定功能。（8）具有PWM瑣存功能，禁止多脈沖。（9）逐個脈沖關斷。（10）雙路輸出（灌電流/拉電流）： mA(峰值)。3.2 SG3525的工作原理SG3525 內置了5.1V精密基

15、準電源，微調至 1.0%，在誤差放大器共模輸入電壓范圍內，無須外接分壓電組。SG3525還增加了同步功能，可以工作在主從模式，也可以與外部系統(tǒng)時鐘信號同步，為設計提供了極大的靈活性。在CT引腳和Discharge引腳之間加入一個電阻就可以實現對死區(qū)時間的調節(jié)功能。由于SG3525內部集成了軟啟動電路，因此只需要一個外接定時電容。 輸入S G 3 5 2 5 的誤差信號經過誤差放大器放大后， 與其內部振蕩器產生的鋸齒波進行比較，比較器輸出的脈寬信號再經分相器分成兩路互不重疊的A, B兩相脈寬信號，山具有圖騰柱結構的輸出端1 1 和1 4 腳輸出，見圖由圖可知， 鋸齒波的高低電位分別為3 . 3

16、V和0 . 9 V， 故控制電路送給S G 3 5 2 5的控制電壓信號應在0.9 V 至3 . 3 V之間變化， 如果控制信號小于0 . 9 V， 則控制效果和0 . 9 V相同;同樣地，如果控制信號大于3 . 3 V，則和3 . 3 V的控制效果相同?？?制 信號 在0 . 9 V - 3 . 3 V之問變化時 ， 控制信號越大 ， 則輸出的脈寬 越寬。SG3525的軟啟動接入端（引腳8）上通常接一個5 的軟啟動電容。上電過程中，由于電容兩端的電壓不能突變，因此與軟啟動電容接入端相連的PWM比較器反向輸入端處于低電平，PWM比較器輸出高電平。此時，PWM瑣存器的輸出也為高電平，該高電平通過

17、兩個或非門加到輸出晶體管上，使之無法導通。只有軟啟動電容充電至其上的電壓使引腳8處于高電平時， SG3525才開始工作。由于實際中，基準電壓通常是接在誤差放大器的同相輸入端上，而輸出電壓的采樣電壓則加在誤差放大器的反相輸入端上。當輸出電壓因輸入電壓的升高或負載的變化而升高時，誤差放大器的輸出將減小，這將導致PWM比較器輸出為正的時間變長，PWM瑣存器輸出高電平的時間也變長，因此輸出晶體管的導通時間將最終變短，從而使輸出電壓回落到額定值，實現了穩(wěn)態(tài)。反之亦然。外接關斷信號對輸出級和軟啟動電路都起作用。當 Shutdown（引腳10）上的信號為高電平時，PWM瑣存器將立即動作，禁止SG3525的輸

18、出，同時，軟啟動電容將開始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動電容將充分放電，直到關斷信號結束，才重新進入軟啟動過程。注意，Shutdown引腳不能懸空，應通過接地電阻可靠接地，以防止外部干擾信號耦合而影響SG3525的正常工作。欠電壓鎖定功能同樣作用于輸出級和軟啟動電路。如果輸入電壓過低，在SG3525的輸出被關斷同時，軟啟動電容將開始放電。此外，SG3525還具有以下功能，即無論因為什么原因造成PWM脈沖中止，輸出都將被中止，直到下一個時鐘信號到來，PWM瑣存器才被復位。4 光電隔離器4.1 光電隔離器的概述光電隔離器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光耦合器，簡稱光耦。光耦

19、合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪

20、比。在計算機數字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計算機工作的可靠性。4.2光耦合器的種類和優(yōu)點光耦合器的種類達數十種，主要有通用型（又分無基極引線和基極引線兩種）、達林頓型、施密特型、高速型、光集成電路、光纖維、光敏晶閘管型（又分單向晶閘管、雙向晶閘管）、光敏場效應管型。光耦合器的主要優(yōu)點是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現了電氣隔離隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩(wěn)定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。光耦合器是70年代發(fā)展起來產新型器件，現已廣泛用于電氣絕緣、電平轉換、級間耦合、驅動電路、開關電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔離 、脈沖放大電路

21、、數字儀表、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設備及微機接口中。在單片開關電源中，利用線性光耦合器可構成光耦反饋電路，通過調節(jié)控制端電流來改變占空比，達到精密穩(wěn)壓目的。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發(fā)光二極管(LED)，使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。所以，

22、它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計算機數字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計算機工作的可靠性。光耦合器的種類達數十種，主要有通用型(又分無基極引線和基極引線兩種)、達林頓型、施密特型、高速型、光集成電路、光纖維、光敏晶閘管型(又分單向晶閘管、雙向晶閘管)、光敏場效應管型。4.3光電隔離器的技術參數的介紹光耦合器的技術參數主要有發(fā)光二極管正向壓降VF、正向電流IF、電流傳輸比CTR、輸入級與輸出級之間的絕緣電阻、集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓V(BR)CEO、集電極-發(fā)射極飽和壓降VCE(sat)。此外，在傳輸數字信號時還需考慮上升時間、下降時間、延遲時間

23、和存儲時間等參數。最重要的參數是電流放大系數傳輸比CTR(Curremt-Trasfer Ratio)。通常用直流電流傳輸比來表示。當輸出電壓保持恒定時，它等于直流輸出電流IC與直流輸入電流IF的百分比。當接收管的電流放大系數HFE為常數時，它等于輸出電流IC之比，通常用百分數來表示。有公式：CTR=IC/ IF×100%采用一只光敏三極管的光耦合器，CTR的范圍大多為20%30%(如4N35)，而PC817則為80%160%，達林頓型光耦合器(如4N30)可達100%500%。這表明欲獲得同樣的輸出電流，后者只需較小的輸入電流。因此，CTR參數與晶體管的HFE有某種相似之處。普通光

24、耦合器的CTR-IF特性曲線呈非線性，在IF較小時的非線性失真尤為嚴重，因此它不適合傳輸模擬信號。線性光耦合器的CTR-IF特性曲線具有良好的線性度，特別是在傳輸小信號時，其交流電流傳輸比(CTR=IC/IF)很接近于直流電流傳輸比CTR值。因此，它適合傳輸模擬電壓或電流信號，能使輸出與輸入之間呈線性關系。這是其重要特性。在設計光耦反饋式開關電源時必須正確選擇線性光耦合器的型號及參數，選取原則如下：(1)光耦合器的電流傳輸比(CTR)的允許范圍是50%200%。這是因為當CTR<50%時，光耦中的LED就需要較大的工作電流(IF>5.0mA)，才能正?？刂茊纹_關電源IC的占空比，

25、這會增大光耦的功耗。若CTR>200%，在啟動電路或者當負載發(fā)生突變時，有可能將單片開關電源誤觸發(fā)，影響正常輸出。(2)推薦采用線性光耦合器，其特點是CTR值能夠在一定范圍內做線性調整。(3)由英國埃索柯姆公司、美國摩托羅拉公司生產的4N××系列(如4N25 、4N26、4N35)光耦合器，目前在國內應用地十分普遍。鑒于此類光耦合器呈現開關特性，其線性度差，適宜傳輸數字信號(高、低電平)，因此不推薦用在開關電源中。5protel99的基本介紹Protel99是應用于Windows9X/2000/NT操作系統(tǒng)下的EDA設計軟件，采用設計庫管理模式，可以進行聯網設計，具有

26、很強的數據交換能力和開放性及3D模擬功能，是一個32位的設計軟件，可以完成電路原理圖設計，印制電路板設計和可編程邏輯器件設計等工作，可以設計32個信號層，16個電源-地層和16個機加工層。一、Protel99 的系統(tǒng)組成 按照系統(tǒng)功能來劃分，Protel99主要包含以下倆大部分和6個功能模塊。 1、電路工程設計部分 (1)電路原理設計部分（Advanced Schematic 99）：電路原理圖設計部分包括電路圖編輯器（簡稱SCH編輯器）、電路圖零件庫編輯器（簡稱Schlib編輯器）和各種文本編輯器。本系統(tǒng)的主要功能是：繪制、修改和編輯電路原理圖；更新和修改電路圖零件庫；查看和編輯有關電路圖和零件庫的各種報表。（2）印刷電路板設計系統(tǒng)（Advanced PCB 99）：印刷電路板設計系統(tǒng)包括印刷電路板編輯器（簡稱PCB編輯器）、零件封裝編輯器（簡稱PCBLib編輯器）和電路板組件管理器。本系統(tǒng)的主要功能是：繪制、修改和編輯電路板；更新和修改零件封裝；管理電路板組件。（3）自動布線系統(tǒng)（Advanced Route 99）：本系統(tǒng)包含一個基于形狀（Shape-based）的無柵格自動布線器，用于印刷電路板的自動布線，以實現PCB設計的自動化。 2、電路仿真與PLD部分 （1）電路模擬仿真系統(tǒng)（Advanced SIM 99）：電路模擬仿真系統(tǒng)包含一個數字/模擬信號仿真器