直流电动机脉宽调制（PWM）控制器

1、摘要随着电力电子器件、计算机技术和控制理论的迅速发展，电气自动化技术也在日新月异的变化，电气传动自动化技术己广泛应用于各个工程领域。目前，功率集成电路己将主电路器件、控制驱动、保护等集成一体，为电气传动自动控制系统机电一体化开辟了广阔的前景，数字PWM技术、微机控制及各种新型控制技术，如滑模变结构控制、自适应控制、鲁棒控制模糊控制等。己日益渗入各类电气传动控制系统中。而直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机。与交流电机相比，直流电机因结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约了它的发展，应用不如交流电机广泛。但由于直流电动机具有优良的起动、调速和制动性能，因此，在工业领域仍占有一席之地。随着电力

2、电子技术的发展，直流发电机虽有被可控速流电源取代的趋势，但从供电的的质量和可靠性来年看，直流民电机仍有一定的优势，困此在某些场合，例如化学工业中的电镀、电解等设备，直流电焊机和某些大型同步电机的励磁电源仍然使用直流发电机作为供电电源。直流电动机、发电机目前还没有其它的电气设备能取代。所以，还有一定的用武之地。此设计为直流单闭环不可逆调速系统的设计。直流单闭环不可逆调速系统 直流电动机脉宽调制(PWM)控制器UC3637用于控制开环或闭环直流电动机速度或位置，其内部产生1路模拟误差电压信号，并输出2路PWM脉冲信号，这2路PWM脉冲信号与误差电压信号的幅值成正比，并与其极性相关，因此构成双向调速

3、系统，实现PWM双输出，驱动电流能力为100 mA，该器件还具有限流保护、欠电压封锁及温度补偿等特点。而驱动集成电路IR2110对PWM信号具有自举功能。有2路完全独立的高保真输入输出通道，且这2路通道具有开通慢、关断快的防桥臂直通的互锁功能，可使电路可靠工作。这里采用UC3637和IR2110设计一种直流电动机PWM开环控制电路，并与计算机控制系统相结合，实现对某种舵系统直流电动机的控制，进而验证该电路的正确性。 PWM开环控制电路 该电路设计控制系统的目标是在计算机不同的给定信号下，电动机可快速达到指定位置，以满足系统性能要求。控制原理框图如图1所示。被控直流电动机M的转速由测速发电机G测

4、得，测速发电机所测得的转速信号经AD转换后的数字信号在计算机中与给定信号相比较，再经计算后输出数字控制信号，经DA转换变为模拟信号送至UC3637的脉宽信号产生电路，从而实现对直流电动机的速度控制。 图2为基于UC3637的直流电动机PWM控制电路，该电路分为4部分：脉宽信号产生电路、自举驱动电路、主电路、保护电路。 该电路产生510 V的阈值电压，分别将U2=10 V接引脚1，U1=5 V接引脚3，这样三角波就在510 V内变化，即电容CT连接的引脚2电压在510 V内变化。UK是从计算机输出经数模转换得到的电压，其范围为-10+lO V，而UC3637需要510 V的控制电压接引脚9和11

5、，控制输出端的占空比。利用R2R5对控制电压UK进行电平转换，令R2=10 k、R3=18 k、R5=20 k，当UK=-10 V时，应有UR=5 V，由电路分流可以获得： 代入数据解得，R4=2 k。 为避免工作过程中发生直通短路现象，应在UC3637的输出端引脚4和引脚7后各接一个RC延时电路，设需延时时间r=5s，延时电路中所用电阻R6取5 ，由公式可得： 这样双路互补PWM脉冲信号在上升沿有几个微秒的延时，在下降沿无延时，与IR2110内部上下路信号设置的延时相结合，可确保“H”桥中同一桥臂的上下两个MOS管存在一个死区时间，从而保证电路工作安全稳定。由于15 V直流供电电源含有一定的

6、交流杂波，故分别在引脚1、引脚3和15 V电源前并联1只01F的电容，以滤除交流杂波的干扰。 自举驱动电路 该电路使用2个IR2110，这两个IR2110由4个MOS管组成的“H”桥电路相连接。 IR2110的供电电压为15 V的电源电压UVD，其输出工作电源为悬浮电源，通过自举技术由固定电源得出。自举技术利用升压二极管、自举升压电容，使电容放电电压和电源电压叠加，从而使电压升高。该技术可将电源电压值升高数倍，所以充电二极管VD的耐压能力必须大于高压母线的峰值电压。为防止自举电容两端电压放电，则采用一个高频快恢复二极管。自举电容C3的电容值对于5 kHz以上的开关频率取O1F即可。为向开关的容

7、性负载提供瞬态电流，应在VCC与COM、VDD与VSS之间连接两只旁路电容，VCC上旁路用一只 01F的陶瓷电容和一只1F的钽电容并联，而逻辑电源VDD上用一只01斗F的陶瓷电容即可，即电容C4、C5分别为1F、01F。在具体布线时，IR2110是逻辑部分和功率变换部分的接口，逻辑信号地线和主功率电源的地线应合理布局，使负载回路的引线尽可能短，以减少回路电感，同时还要避免因布线而引起的负载电流在信号回路中流动产生的共模干扰。 主电路 直流电动机的转速通过测速发电机测得，当被控直流电动机的转速小于给定转速时，计算机经DA转换器输出控制电压UK，再经R2R5电平转换成UR输入至引脚9和引脚11，使

8、引脚4导通。引脚4的导通信号经RC延时电路传输至IR2110(1)的引脚10和IR2110(2)的引脚12，分别使上通道引脚10和下通道引脚12导通。这时2片IR2110间的“H”桥电路中的VF1、VF2被触发导通，电路给电动机提供正向的电流，电动机升速。当被控直流电动机的转速大于给定转速时，UR使UC3637中的引脚7导通，引脚7的导通信号经RC延时电路传输至IR2110(1)的引脚12和IR2110(2)的引脚10，分别使下通道引脚12和上通道引脚1O导通。这时“H”桥电路中的VF4、VF3 被触发导通，流过电动机的电流反向，电动机降速。在控制电路输出的上、下通道输入信号的作用下，VF1、

9、VF2和VF4、VF3交替轮流导通，实现直流电动机的调速。由于IR2110内部的驱动阻抗很小，直接用其驱动“H”桥中的MOSFET器件会引起快速开关，可能造成MOSFET漏源间电压振荡，从而损坏MOS管。所有，应在IR211O的输出端和MOS管之间串接1个约20 的无感电阻。 保护电路 在该电路中需限制流经直流电动机的电流，以保护电路的各元件。TA为电流取样环节，由此构成对IR2110的过流保护。电流传感器从电动机的旁路中对电流取样，将取样电流输入至IR2110的引脚11。当电流过大时，SD为高电平，施密特触发器的S端被触发，Q为低电平，IR2110停止工作。Vf为电压反馈信号，构成闭环调压网

10、络。该网络中，RS为电动机电流检测电阻，RS取值由允许的电动机最大电流决定。检测信号从引脚12和引脚13输入。设比较器CL有200 mV的阈值，则有 取Imax=8 A，则：RS=0025 当电动机电流增大而使RS上的电压达到该阈值时，C/L输出高电平，令SRA和SRB复位至低电平，进而AOUT和BOUT变为低电平，停止输出。 实验验证 在某种舵系统实验中，选用额定工作电压为27 V，3W额定工作电流为1 A的永磁直流电动机，根据实验的不同要求，电机系统可完成阶跃、正弦等运动，采用精密电阻电位计检测电机位置，经AD转换反馈到计算机中与给定控制信号经一种自适应变结构控制得到1个输出信号，再经DA

11、转换送至UC3637的PWM控制器中，驱动电动机到期望的位置。其中，信号的给定，反馈信号取样、控制算法及控制脉冲输出均由计算机完成。图3、图4分别表示系统的数字仿真与实验曲线，其中曲线1为实验曲线，曲线2为一种自适应变结构控制的数字仿真曲线。由图可知，运用该控制电路控制直流电动机是可行的。直流电动机过流保护电路图下图是一实用的大功率电动机过流保护电路图，Ro为电流取样电阻。为了防止电机在启动时产生的大电流造成电路的误动作，由Cl、Rl、RPl及与非门l组成了开机保护延时电路。电机开始启动时，Cl上无电压，此时与非门1输出低电平，与非门3则输出高电平，使VT2处于截止状态，继电器Kl不工作，其触

12、点仍保持常闭状态，直流电机可获得正常供电。当Cl的端电压逐渐升高到一定值时，与非门1发生翻转，输出端变为高电平，开机保护启动电路结束工作，此后与非门3的输出状态则由RP2、R2、VTl及Ro等组成的电流检测电路控制。图 直流电动机过流保护电路图电动机、变压器的控制快速瓶劲识别-更好的负载测试方法 曾经说过：电动机、变压器等非线性负载的工作需要一个完整的正弦波电压。否则会出现电动机或变压器发热或嗡嗡响的情况。 许多读者就此问题发来email，询问更多有关这方面的知识。接下来，我就此问题为大家做一个分析。 在智能家居控制中有一个非常有趣的而且是非常容易被混淆的问题是速度控制。而且我也发现我们很容易

13、把调光与速度控制联系在一起。那么就让我们从调光与速度控制的区别开始谈起吧！ 我们都知道，白炽灯是电阻性负载（虽然它也含有很小的电感性，但与它的电阻性相比，电感性显得微不足道，因此我们把它看为纯电阻性负载）。就此而言，电学知识告诉我们，纯电阻性负载是不含有电感性和电容性的负载。那我们就把白炽灯比作一个大电阻。许多X10调光开关的设计就是把白炽灯作为一个既没有电感性又没有电容性的负载来看的。可以驱动纯电阻负载的器件是可控硅，但是可控硅并不能改变正弦波的幅度。我们可以用一个很大的可变电阻或可调压变压器来改变一个完整的正弦波的幅度（如图一所示）。可变电阻式调光法曾经被用于舞台调光，但那已经是二十世纪上

14、半世纪的事了。用那种方法调光，不但工作效率低而且花费昂贵。如今，我们有固态器件可控硅。它控制灯的亮度不是改变正弦波的幅度，而是非常快的打开-关闭输出给灯的正弦波。举个例子吧，如果你有一个开和关的速度都足够快的开关，在正弦波的每个半波里，你开关一次，就可以使正弦波的一部分流过电灯。作为替代可变电阻的可控硅，它是通过改变切割正弦波的位置来改变输出给负载的功率的。如图二所示，图中的两个周期的正弦波，就是X10调光开关的输出波形。你一定会注意到每个半波的前面一小部分都被切去了。其实，当把X10调光开关开到最亮时，灯的亮度并不是100%，而是96% 。如果你很细心，那么你就会发现当你装上X10调光开关后

15、，灯的最大亮度比原来暗了一点点。那4%的正弦波去那里了呢？这也是机械式开关所无法做到的。下面我就谈谈这4%正弦波的去向问题。通常情况下，特别是一些老房子，一般墙上开关盒里只有两根线，但那并不是零线和火线。零线一般会直接布到灯上，再从灯上引一根线到墙上开关盒。火线一般会直接布到墙上开关盒，这样开关盒里的两根线就是火线和来自于灯的一根线。为了适应这种场合，许多型号的X10调光开关都被设计为两线式，并且通过灯丝来为它提供能量（如图三所示）。既然白炽灯属于线性负载，那么它就会为X10调光开关提供一个很好的工作电流。当白炽灯不亮时，从灯丝可以流过足够的电流来维持X10调光开关的正常操作。当灯全亮时，X1

16、0调光开关会为自己保留4%的电能。如果给灯100%的电能，X10调光开关就会因为失去电能而失效。这就是图二中那4%被切去的正弦波的去向。同时这也是两线式X10调光开关为什么要有最小负载功率限制的原因。如果电灯功率为400W或500W那么它会为X10调光开关提供足够多的电能。当然，用40W或60W的电灯也一样会为它提供足够的电流。可是如果用功率很小的电灯（5W或10W），X10调光开关就会因为维持电流过小而走向死亡！这4%还有另外一个非常有用的地方。X10电力载波信号正是在这片非常干净的区域里传播（如图四所示）。在图四中每个周期内都会有两个非常陡峭的边沿，这个边沿也正是开关（可控硅）打开的时候，

17、负载从没电到突然有电的速度是非常快的。这个非常陡峭的边沿会产生许多电器噪音。因此，X10产品设计工程是会在设计X10调光开关时，留出开始的那一小端正弦波给X10载波信号提供干净的空间。对于三线式X10调光开关（有零线输入）来说，理论上讲不需要为它保留那4%的能量（见图五）。因为有零线和火线同时为它供电，维持它的工作电流就不再需要通过灯丝了。尽管如此，X10工程师还是为X10信号的传播留出了1.1mS干净的空间。电感性负载的代表是电动机和变压器，用X10调光开关控制电感性负载到底会怎么样呢？由于X10调光开关输出的是非正弦波，这会引起电动机和变压器很大的意见。电感性负载设计时的输入电源是按一个干

18、净、平滑的正弦波设计的。他们不希望自己的电源被砍碎。如果你用X10调光开关去控制电感性负载（像电动机或变压器），它们就会变热或嗡嗡响。首先，我们来谈谈电动机，一个标准的交流电动机是依靠旋转磁场来带动转子旋转的。其中同步电机的速度变化受负载的影响很少，它是通过改变电流来维持速度的准确性。比如说可变频率驱动就是现在工业上应用最广泛的电动机速度控制法。它通常被称为VFD（variable frequency driver）或VSD(variable speed driver)。这种控制方法是通过改变电动机的供电频率来控制速度的。想要速度慢，就把供电频率降到50Hz以下，想要速度快，就把供电频率升到5

19、0Hz以上。 还有一类电动机，它会随着负载的增大而无法提供更大的扭矩，最终减小自己的速度。它会随着电流的增大或减小来改变自己的扭矩。换句话说，当它所带的负载一定时，可以通过改变它的工作电流来改变它的速度。类似的直流或交流电机可以通过变压器来改变它的速度。X10调光开关可以控制这类电动机的速度。这种减少能量的办法可被用于部分电动机的速度控制上。但是对于这种控制方法来说，它既不能改变电源的频率也不能提供一个完整的正弦波，而且电动机的型号也有很多种类，并不是所有的电动机都能控制。但庆幸的是大部分异步电机都可以用X10调光开关去控制它的速度，而且家用产品中大部分电扇、鼓风机等都是异步电机。还有一个问题

20、大有必要说一下。当用可控硅控制电动机调速时，电动机会比正常使用时发热量大。因为，毕竟用可控硅调电动机速度时没有给电动机一个平滑的正弦波。而且，你用200W的X10调光开关控制200W的电动机，那么可控硅用不了多久就会死去！。因为电动机在启动时是由静止开始的，此时的电流回大于可控硅的设计电流。即使你现在用得很好，不久可控硅也会慢慢死去。现在让我们来谈谈变压器。大多数家用卤素灯都是用低压电供电的。它们通常被装在一个很小的盒子里。将正常的220V家用电源降到24V来为这些卤素灯供电。降低电压所用的器件就是变压器。变压器！众所周知，它是一种电感性负载，并且从爱迪生时代到现在，它的设计原理就没有什么改变

21、。它从输入（初级）线圈将电压感应到输出（次级）线圈。在低压卤素灯中，变压器把220V50Hz的电源感应成为24V50Hz的电源（如图八所示）。图中的两组线圈离得非常近，并通过导磁体连接起来。如果从初级感应到一个非常平滑的正弦波（如图一），那么在另一边（次级）会同样输出一个平滑的正弦波。不幸的是，当输入电源电压不平滑时，变压器会变得很暴躁。当用一个含有陡峭边沿正弦波的电源给变压器供电时情况会与电动机相似。便宜的变压器在这样的情况下可能会解体！有一次，我用X10调光开关去控制一个老式的、便宜的变压器时，它的线圈开始松动，导磁体也开始松动，发出的嗡嗡声就像三只大黄蜂。最后，它终于把自己给解体了。当然

22、，贵的变压器境况会好许多，因为它有良好的物理特性。还有一个有关X10调光开关的问题。两线式（串连）X10调光开关的供电和载波信号都是要通过负载的（如图九所示）。偶尔，有些使用者会发现X10调光开关的本地操作很正常，可是不能用遥控把它关掉。他可以遥控开灯，可是灯亮后，发遥控关灯指令就不管用了。这主要是因为灯在开和关这两种状态时，X10电力载波信号发生了微小的变化。一方面，当灯关时，大部分220V电压以及X10信号都可以传导到接收部分。另一方面，当灯开时，会有一部分信号被灯进行分压。当然，这种情况只会在X10信号处于触发边缘时才会发生。 当你要控制非线性负载时，上一段文字所指的分压情况会变得很严重

23、。X10信号几乎无法通过变压器或电动机（如图十所示）。许多使用者会发现，他们根本无法通过遥控开或关。 如此多的问题，我们该怎么办呢？好吧，解决办法如下。首先，将零线和火线都接入X10调光开关，这样，它的电源和信号就不再受负载的开关影响了（如图11所示）。我这样说的意思并不是让你把两线式X10调光开关改一改再加一根零线。而是，你应该买三线（并联）式X10调光开关。三线（并联）式X10调光开关通常是为非线性负载准备的。它可以很好地对付强大的含有陡峭边沿正弦波的电流波动。你想控制你的电扇的速度吗？那么如果有可能你就打电话问问制造商，他们的电扇能不能用可控硅驱动调速（我劝你最好不要提X10调光开关，否

24、则他们会不知道你再说什么）。当然，单速电扇是最好不过的了。如果是多速电扇，那么你就把速度调到最高档。现在，用三线（并联）式X10调光开关就可以调出很宽的速度范围了（如图十二示）。你最好不要把速度调得太低，因为被切割的正弦波会产生较强的电流冲击而使电动机发热。如果你幸运的话或者说电动机不很挑剔的话，发热现象并不是很明显。令人惊讶的是，便宜的电动机往往很好控制。 许多智能家居代理商会建议你用ACT电子得RD161型三线（并联）式X10调光开关。因为它们是为非线性负载设计的。但我们都知道，它仍然不能用于控制电视音响等非线性负载，用他们去调节电视画面的亮度或音响的音量并不是一个好主意。这个道理也同样适用于某些日光灯。 对于那些用X10调光开关不能调速或不能调光的电动机或变压器来说，解释它的原因很复杂，我在这里只能给你解释至此。有些DIY爱好者为了适应它的电动机，在输出端连了