PWM控制直流电机调速.doc

毕业设计论文 PWM控制直流电机调速绪论脉宽调制(PWM)控制技术，是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲序列，并控制电压脉冲的宽度和脉冲序列的周期以达到变压变频目的的一种控制技术。PWM控制技术广泛地应用于开关稳压电源，不间断电源(UPS)，以及交直流电动机传动等领。本文阐述了PWM变频调速系统的基本原理和特点，并在此基础上给出了一种基于Mitel SA866DE三相PWM波形发生器和绝缘栅双极功率晶体管(IGBT)的变频调速设计方案。 直流电动机具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。 直流电动机的转速调节主要有三种方法：调节电枢供电的电压、减弱励磁磁通和改变电枢回路电阻。针对三种调速方法，都有各自的特点，也存在一定的缺陷。例如改变电枢回路电阻调速只能实现有级调速，减弱磁通虽然能够平滑调速，但这种方法的调速范围不大，一般都是配合变压调速使用。所以，在直流调速系统中，都是以变压调速为主。其中，在变压调速系统中，大体上又可分为可控整流式调速系统和直流PWM调速系统两种。直流PWM调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点:由于PWM调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流,低速特性好，稳速精度高，调速范围宽，可达1：10000左右;同样,由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强,可以获得很宽的频带;开关器件只工作在开关状态,主电路损耗小,装置效率高;直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。 正因为直流PWM调速系统有以上的优点，并且随着电力电子器件开关性能的不断提高,直流脉宽调制( PWM) 技术得到了飞速的发展。传统的模拟和数字电路PWM已被大规模集成电路所取代,这就使得数字调制技术成为可能。目前,在该领域中大部分应用的是数字脉宽调制器与微处理器集为一体的专用控制芯片, 如TI公司生产的TMS320C24X系列芯片。电动机调速系统采用微机实现数字化控制,是电气传动发展的主要方向之一。采用微机控制后,整个调速系统实现全数字化,结构简单,可靠性高,操作维护方便,电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平,静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。 1 毕业设计论文 PWM控制直流电机调速1 PWM调速控制概述1.1直流电机转速控制1.1.1直流电机转速控制类型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。1.1.2直流电动机转速的计算直流电动机转速n=(U-IR)/K其中U为电枢端电压，I为电枢电流，R为电枢电路总电阻，为每极磁通量，K为电动机结构参数。此电路是通过调节电压U来改变电机转速的。此电路电机额定电压为12V。1.2 PWM调速控制的原理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。设电机始终接通电源时，电机转速最大为nmax，且设占空比为D=tT，则电机的平均速度nd为：nd= nmaxD 由公式可知，当改变占空比D=tT时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可将其近似地看成线性关系。 在直流电机驱动控制电路中，PWM信号由外部控制电路提供，并经高速光电隔离电路、电机驱动逻辑与放大电路后，驱动H桥下臂MOSFET的开关来改变直流电机电枢上平均电压，从而控制电机的转速，实现直流电机PWM调速。1.3 桥式电路的结构及原理桥式电路是一种最基本的驱动电路结构。控制电机正反转的桥式驱动电路有单电源和双电源两种驱动方式。由于本例采用单电源的驱动方式可以满足实际的应用需要，所以这里只介绍单电源的驱动方式，其电路如下图1所示。图1 驱动方式注意，在上图中的4个二极管为续流二极管。如果选用的驱动电路中使用的是晶体三极管，那么这4个二极管是必须使用的，其主要作用是用以消除电机所产生的反向电动势，避免该反向电动势对晶体三极管的反向击穿。单电源方式的桥式驱动电路又称为全桥方式驱动或者H桥方式驱动。电机正转时三极管Q1和Q4导通，反转时Q2和Q3导通，两种情况下，加在电机两端的电压极性相反。当4个晶体三极管全部关断时，电机停转。若Q1与Q3关断，而Q2与Q4同时导通时，电机处于短路制动状态，将在瞬时停止转动。这4种状态所对应的H桥式驱动电路状态如下图2所示。 3 毕业设计论文 PWM控制直流电机调速 （a） （b） (c) (d)图2 驱动电路状态上图2中，从图（a）到图（d）分别表示H桥式驱动电路的开关工作状态的切换，电机分别处于正转、反转、停机和短路制动4个状态。从图中可以看出，该电机的驱动电路可以完成本例的两个基本要求：通过三极管的放大，保证了电机的驱动电流；通过桥式电路，对不同开关的选择，可以实现单片机的数字电平控制三极管的导通和截止，从而控制小电机的正反转。2 SG3525芯片的选择2.1 SG3525功能简介 SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。2.2 引脚功能及特点简介SG3525芯片内部电路原理图如图3图3 SG3525芯片内部电路原理1.Inv.input(引脚1)：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信 5 毕业设计论文 PWM控制直流电机调速号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器。 2.Noninv.input(引脚2)：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。 3.Sync(引脚3)：振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。 4.OSC.Output(引脚4)：振荡器输出端。 5.CT(引脚5)：振荡器定时电容接入端。 6.RT（引脚6）：振荡器定时电阻接入端。 7.Discharge(引脚7)：振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。 8.Soft-Start(引脚8)：启动电容接入端。该端通常接一只5 的启动电容。 9.Compensation(引脚9)：PWM比较器补偿信号输入端。在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。 10.Shutdown(引脚10)：外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输出被禁止。该端可与保护电路相连，以实现故障保护。 11.Output A（引脚11）：输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。 12.Ground(引脚12)：信号地。 13.Vc(引脚13)：输出级偏置电压接入端。 14.Output B（引脚14）：输出端B。引脚14和引脚11是两路互补输出端。 15.Vcc（引脚15）：偏置电源接入端。 16.Vref(引脚16)：基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。 特点如下： （1）工作电压范围宽：835V。 （2）5.1（1 1.0%）V微调基准电源。 （3）振荡器工作频率范围宽：100Hz400KHz. （4）具有振荡器外部同步功能。 （5）死区时间可调。 （6）内置启动电路。 （7）具有输入欠电压锁定功能。 （8）具有PWM锁存功能，禁止多脉冲。 （9）逐个脉冲关断。 （10）双路输出（灌电流/拉电流）： mA(峰值)。 2.3 SG3525的工作原理 SG3525内置了5.1V精密基准电源，微调至 1.0%，在误差放大器共模输入电压范围内，无须外接分压电组。SG3525还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。在CT引脚和Discharge引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。由于SG3525内部集成了启动电路，因此只需要一个外接定时电容。 SG3525的启动接入端（引脚8）上通常接一个5 的启动电容。上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平。此时，PWM锁存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。只有启动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时，SG3525才开始工作。由于实际中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上。当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM比较器输出为正的时间变长，PWM锁存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态。反之亦然。 外接关断信号对输出级和启动电路都起作用。当Shutdown（引脚10）上的信号为高电平时，PWM锁存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，启动电容将开始放电。如果该高电平持续，启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入启动过程。注意，Shutdown引脚不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作。 欠电压锁定功能同样作用于输出级和启动电路。如果输入电压过低，在SG3525的输出被关断同时，启动电容将开始放电。 此外，SG3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWM脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM锁存器才被复位。 7 毕业设计论文 PWM控制直流电机调速3 LMD18200芯片的选择3.1 LMD18200芯片的主要性能（1）峰值输出电流高达6A，连续输出电流达3A（2）工作电压高达55V (3) Low RDS(ON) typically 0.3W per switch (4) TTL/CMOS兼容电平的输入 (5) 无“shoot-through” 电流 (6) 具有温度报警和过热与短路保护功能 (7) 芯片结温达145，结温达170时，芯片关断 (8) 具有良好的抗干扰性3.2 典型应用(1) 驱动直流电机、步机电机(2) 伺服机构系统位置与转速(3) 应用于机器人控制系统(4) 应用于数字控制系统(5) 应用于电脑打印机与绘图仪3.3 内部结构和引脚说明 LMD18200外形结构如图4所示，内部电路框图5所示。它有11个引脚,采用TO-220和双列直插式封装。图4 LMD18200外形结构图图5 LMD18200内部电路框图各引脚的功能如下表1： 9 毕业设计论文 PWM控制直流电机调速引脚名称功能描述1、11桥臂1，2的自举输入电容连接端在脚1与脚2、脚10与脚11之间应接入10uF的自举电容2、10H桥输出端3方向输入端转向时，输出驱动电流方向见表2。该脚控制输出1与输出2（脚2、10）之间电流的方向，从而控制马达旋转的方向。4刹车输入端刹车时，输出驱动电流方向见表2。通过该端将马达绕组短路而使其刹车。刹车时，将该脚置逻辑高电平，并将PWM信号输入端（脚5）置逻辑高电平，3脚的逻辑状态决定于短路马达所用的器件。3脚为逻辑高电平时，H桥中2个高端晶体管导通；3脚呈逻辑低电平时，H桥中2个低端晶体管导通。脚4置逻辑高电平、脚5置逻辑低电平时，H桥中所有晶体管关断，此时，每个输出端只有很小的偏流（1.5mA）。5PWM信号输入端PWM信号与驱动电流方向的关系见表2。该端与3脚（方向输入）如何使用，决定于PWM信号类型。6、7电源正端与负端8电流取样输出端提供电流取样信号，典型值为377 A/A。9温度报警输出温度报警输出，提供温度报警信号。芯片结温达145时，该端变为低电平；结温达170时，芯片关断。表1 引脚的功能LMD18200逻辑真值表2PWM转向刹车实际输出驱动电流电机工作状态HHL流出1、流入2正转HLL流入1、流出2反转LL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表2 LMD18200逻辑真值3.4 LMD18200工作原理：内部集成了四个DMOS管，组成一个标准的H型驱动桥。通过充电泵电路为上桥臂的2个开关管提供栅极控制电压，充电泵电路由一个300kHz左右的工作频率。可在引脚1、11外接电容形成第二个充电泵电路，外接电容越大，向开关管栅极输入的电容充电速度越快，电压上升的时间越短，工作频率可以更高。引脚 2、10接直流电机电枢，正转时电流的方向应该从引脚2到引脚10；反转时电流的方向应该从引脚10到引脚2。电流检测输出引脚8可以接一个对地电阻，通过电阻来输出过流情况。内部保护电路设置的过电流阈值为10A，当超过该值时会自动封锁输出，并周期性的自动恢复输出。如果过电流持续时间较长，过热保护将关闭整个输出。过热信号还可通过引脚9输出，当结温达到145度时引脚9有输出信号。3.5 应用电路及其说明 11 毕业设计论文 PWM控制直流电机调速LMD18200典型应用电路如图6所示。图6 LMD18200单极性驱动电动机的实际应用电路LMD18200提供双极性驱动方式和单极性驱动方式。双极性驱动是指在一个PWM周期里，电动机电枢的电压极性呈正负变化。双极性可逆系统虽然有低速运行平稳性的优点，但也存在着电流波动大，功率损耗较大的缺点，尤其是必须增加死区来避免开关管直通的危险，限制了开关频率的提高，因此只用于中小功率直流电动机的控制。本文中将介绍单极性可逆驱动方式。单极性驱动方式是指在一个PWM周期内,电动机电枢只承受单极性的电压。该应用电路是Motorola 68332CPU与LMD18200接口例子，它们组成了一个单极性驱动直流电机的闭环控制电路。在这个电路中，PWM控制信号是通过引脚5输入的，而转向信号则通过引脚3输入。根据PWM控制信号的占空比来决定直流电机的转速和转向。采用一个增量型光电编码器来反馈电动机的实际位置，输出AB两相，检测电机转速和位置，形成闭环位置反馈，从而达到精确控制电机。4 PWM 直流电机控制电路4.1 电路特点本电路能驱动多种型号 12V 30V 的 PMDC 型电机，能提供 3A 的最大电流，通过滑片开关控制电机运转方向。电位器控制电机速度，电路简单，性能可靠。具有以下特点：1 PWM 可调频率范围为 1 16kHz 35 1kH2 占空比可调范围为 10 100 3 负载短路保护功能4 电机驱动芯片过热保护功能5 未使用单片机，降低了控制电路成本4.2 控制电路结构原理图控制电路如图7所示。 LMD18200 和 SG3525 为电路核心芯片。 SG3525 为脉宽调制控制器， LMD18200 为电机双向驱动芯片。 13 毕业设计论文 PWM控制直流电机调速图7 控制电路原理图电路设计原理： (1) PWM 信号的产生PWM信号由 SG3525芯片产生， 脉冲的频率由该芯片的 5 、 6 脚所接电容 C3 和电阻 R3 参数决定；调节可调电阻 P2 可以得到 1 16kHz 35 1kHz 范围内的 PWM 信号；调节可调电阻 P1 可以使占空比在 10 100 范围内变化，有效的控制电机的运转速度。（2）电机驱动电压的产生(a) 后级电机驱动芯片使用 LMD18200，但SG3525 最大的驱动电流为 400mA ，不能满足 3A 电流的驱动要求 ，因此将 SG3525 输出引脚 11 和 14 分别连接到地(b) 反馈 R1 接 VREF 端将芯片内 OC 三极管输出转变为 TTL 电平输出 (c) LMD18200 具有过热自动保护功能，在温度达到 170 时，芯片自动断电，当温度达到 145 时。芯片通过第 9 脚输出过热信号，因未使用其他判断电路或单片机，此引脚输出信号无用，通过 R4 直接拉到高电平(d) 滑片开关 S1 接到 LMD18200 的 3 脚 DIR 端控制电机运转方向(e) 芯片 4 脚为强制停机信号输入端，高电平有效，因不存在外围控制电路，直接将其接地(f) 芯片的 2 脚和 10 脚为电机驱动引脚。 7 .5V 18V 非稳定电压通过 K2 送入 L7805ACV 产生 5V 直流稳压，电容 C5 、 C8 和 C9 为输入和输出端电源滤波，减少电源噪声(g) 电机供电电源通过 K3 输入，滤波电容 C6 和 C7 应根据所选择的供电电压来选择合适的耐压值，发光二极管 D2 为电路工作指示灯，在供电电压为 12V 时，电阻 R7 推荐值为 1K ，在供电电压为 24 时， R7 的推荐值为 1 5K 4.3 实验数据验证正转反转占空比D(100%)输出电压 V占空比D(100%)输出电压 V频率f 4K250.17250.09502.39501.32759.20755.709511.319510.53频率f 10k250.21250.17502.66502.03759.64756.369511.559511.44表3 负载、占空比与输出电压的关系由表3的实验数据可以得出随着电阻的调节，当占空比越大，其输出电压越大，则直流电机转的也就越快。 15 毕业设计论文 PWM控制直流电机调速4.4 实验图片图8 电路接线图9 电路接线结论时间过得很快，随着我们大家的共同努力，我们的项目PWM调速控制最终成功完成。在此期间我懂得了许多，我们根据电路原理图采购所需的电子元器件，最后进行的是电路焊接与调试，调节可调电阻P1可以得到不同频率范围的PWM信号；调节可调电阻P1可以使占空比得到变化，进而有效的控制电机的运转速度，而通过对滑片开关的控制可以使电机进行不同方向的转动。通过实验数据可以得出当改变电阻时，在总体情况下，占空比越大输出电压越大，及电机转的越快。在占空比在50%以下增大时，输出电压没有得到较明显的升高，但当在后50%增加时输出电压会有很明显的增大。我知道了直流电动机具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动和反转;能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。也知道了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