基于SG3525的电机调速系统设计与实现

1、指导教师评定成绩： 审定成绩： 重 庆 邮 电 大 学自 动 化 学 院电气专业综合设计报告 设计题目：基于SG3525的电机调速系统设计与实现设计时间: 2012年 10月重庆邮电大学自动化学院制目录摘要3绪论4第一章PWM调速控制概述51.1直流电机转速控制5直流电机转速控制类型5直流电动机转速的计算51.2PWM调速控制的原理51.3桥式电路的结构及原理6第二章元器件选用与介绍82.1SG3525芯片的选用与介绍82.1.1 SG3525功能简介82.1.2 引脚功能及特点简介82.1.3 SG3525的工作原理102.1.4 KA3525112.2BTS7960/BTS7970芯片的选

2、用与介绍11引脚分配12应用事例122.3LM2596 降压模块132.4LM2577升压模块152.5RS540直流电机的选择16第三章电路设计173.1总体电路17电路特点173.1.2 控制电路结构原理图173.2电机驱动模块原理图183.3LM2596降压模块原理图193.4LM2577 升压模块原理图203.5整体实物图片21第四章实验结果分析要求224.1一级速度时波形（PWM为100%时）：224.2二级速度时波形（PWM约为25%时）：23第五章设计总结24参考文献25基于SG3525的电机调速系统设计与实现摘要近年来，随着科技的进步，电力电子技术得到了迅速的发展，直流电机得到

3、了越来越广泛的应用。直流它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，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转；需要能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，从而对直流电机的调速提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电枢电压调速等技术已远远不能满足要求，这时通过PWM方式控制直流电机调速的方法应用而生。本文主要研究PWM方式的直流调速系统，它主要由四部分组成，包括主电路部分（控制电路）、驱动电路部分、升压模块和降压模块。长期以来，直流电动机因其具有调节转速比较灵活、方法简单、易于大范围内平滑调速、控制性能好等特点，一直在传动领域占有统治地位。本次设

4、计过程中，首先应用SG3525芯片产生指定的脉冲信号，再将脉冲信号加于指定的驱动电路，使驱动电路驱动电机转动。主电路由SG3525及其外围电路构成，调节相应可调电阻的值就可以得到适合的PWM信号与载波频率。驱动电路由两片BTS7970构成相应全桥H驱动电路，该驱动电路具有内阻小，驱动能力强，驱动电流大等优点。升压芯片采用可调压LM2577芯片，可以将3V-30V的电压转换为12V电压对SG3525进行供电。降压芯片采用可调压LM2596芯片，可以将5V-35V的电压转换为5V输入SG3525的IN+脚，以便产生相应PWM。最后，对本次所设计的系统进行了实际的验证，记录和分析了控制电压与驱动电压

5、波形。分析结果表明，该系统完全符合相关设计要求，实现了SG3525电机调速。关键词：电机调速 SG3525 BTS7670 PWM 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

6、,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

7、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

8、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。 第一章 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

9、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。直流电动机转速的计算直流电动机转速n=(U-IR)/KU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

10、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

11、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1.1 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

12、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。电路状态如下图1.2所示:     （a） （b） (c) (d)图1.2 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

13、，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。第二章 元器件选用与介绍2.1 SG3525芯片的选用与介绍 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。 引脚功能及特点简介SG352

14、5芯片内部电路原理图如图2.1图2.1 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

15、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1

16、4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

17、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)。 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

18、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

19、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。 KA3525KA3525和S

20、G3525基本功能一样,前者是韩国一公司产,后着的鼻祖是美国硅通用公司,两者性能基本相同。所以本次设计过程中，实物中采用KA3525代替SG3525，实际调试过程中也没发现任何问题。2.2 BTS7960/BTS7970芯片的选用与介绍BTS7960是NovalithIC家族三个独立的芯片的一部分:一是p型通道的高电位场效应晶体管，二是一个n型通道的低电位场效应晶体管，结合一个驱动晶片,形成一个完全整合的高电流半桥。所有三个芯片是安装在一个共同的引线框,利用芯片对芯片和芯片芯片技术。电源开关应用垂直场效应管技术来确保最佳的阻态。由于p型通道的高电位开关，需要一个电荷泵消除电磁干扰。通过驱动集成

21、技术，逻辑电平输入、电流取样诊断、转换速率调整器，失效发生时间、防止欠电压、过电流、短路结构轻易地连接到一个微处理器上。BTS7960可结合其他的BTS7960形成全桥和三相驱动结构。图框如下：图2.2 BTS7960内部结构图2.2.1引脚分配图2.3 BTS7960引脚结构表2.1 BTS7960引脚的定义和功能PINSYMBOLI/O功能1GND-接地2INI输入，高电位开关、低电位开关是否开启决定3INHI抑制，当设定为低电平进入睡眠状态4，8OUTO功率输出5SRI转换速率：功率开关的转换速率通过SR和GND间连接的电阻调整6ISO电流取样诊断7VS-电源2.2.2应用事例如图2.4

22、所示，BTS7960的芯片内部为一个半桥。INH引脚为高电平，使能BTS7960。IN引脚用于确定哪个MOSFET导通。IN=1且 INH=1时，高边MOSFET导通，OUT引脚输出高电平；IN=0且INH=1时，低边MOSFET导通，OUT引脚输出低电平。SR引脚外接电阻的大小，可以调节MOS管导通和关断的时间，具有防电磁干扰的功能。IS引脚是电流检测输出引脚。图2.4全桥驱动电路示意图2.3 LM2596 降压模块由于本模块需要+5V的输入电压，但是电池只能提供7.2V的输入电压，故需要LM2596降压模块进行调节。LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出 3A的驱

23、动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出版本有 3.3V、5V、12V， 可调版本可以输出小于 37V的各种电压。 该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为 150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需 4个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了 LM2596的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。 其封装形式包括标准的 5脚 TO-220封装（DIP）和 5脚 TO-263表贴封装（SMD）。 该器件还有其他一些特点：在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在±4%的范围内，振荡频率误差在±1

24、5%的范围内；可以用仅 80A的待机电流， 实现外部断电；具有自我保护电路（一个两级降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路）特点： 3.3V、5V、12V的固定电压输出和可调电压输出 可调输出电压范围 1.2V37V±4% 输出线性好且负载可调节 输出电流可高达 3A 输入电压可高达 40V 采用 150KHz的内部振荡频率，属于第二代开关电压调节器，功耗小、效率高 低功耗待机模式，IQ的典型值为 80A TTL断电能力 具有过热保护和限流保护功能 封装形式：TO-220（T）和 TO-263（S） 外围电路简单，仅需 4个外接元件， 且使用容易购买的标准电感 应用领域

25、 高效率降压调节器 单片开关电压调节器 正、负电压转换器管脚图：图2.5LM2596管脚图典型电路：图2.6LM2596典型应用图2.4 LM2577升压模块LM2577是National Semicnductor公司生产的一种典型的升压式集成开关电源调整器，广泛应用在许多电子产品的电源电路中。它具有外接元器件少、输入直流电源电压范围宽(3.540V)、输出开关电流达到3A、内部有固定频率(52kHz)振荡器、电流反馈型工作方式、有软启动、电流限制、欠压锁定和热关闭保护等功能。可以接成简单升压、隔离和多输出电压的开关电源电路。它的封装有5引脚的TO-220形式与4引脚的TO-3P形式等,输出直

26、流电压有12V、15V和可调(ADJ)。图2.7LM2577-ADJ典型电路LM1577的性能特点：输入电压范围为3.5V40V；内有52KHZ固定频率的振荡器；输出级型开关晶体管的耐压为65V，额定电流为3A；具有抑制启动时冲击电流的软启动功能；具有过流保护、低电压锁定和过热保护功能。LM1577的工作原理:LM1577电源控制器常用封装为5脚的TO220封装，管脚排列如图:图2.8TO220封装外形图2.5 RS540直流电机的选择电机选用第七届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛B车专用电机，具体参数如下：马 达：DC7.2V RS-540 马达，转速 20000r/min,内装散热风扇

27、,是车模完成竞赛任务的有力保障。相关参数如图2.5所示：图2.9RS-540马达参数第三章 电路设计3.1 总体电路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1.16kHz35.1kHz2.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3.1.2 控制电路结构原理图电路设计原理： 图3.1系统总体电路原理图(1) PWM 信号的产生PWM信号由 SG3525芯片产生

28、， 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BTS7960，但SG3525 最大的驱动电流为 400mA ，不能满足 4A 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) BTS7960输出电流：最大可达60A3

29、.2 电机驱动模块原理图该大功率驱动芯片BTS7960特性如下：输入电压：6V-24V输出电流：最大可达60A内阻:16郝毫欧控制线电压：5VPWM控制频率：25K图3.2 系统电机驱动原理图3.3 LM2596降压模块原理图图3.3 LM2596降压模块原理图表3.1 LM2596降压模块资料表基本属性模块性质非隔离降压（BUCK）整流方式非同步整流输入电压4V-35V输出电压1.23V-30V输出电流3A(最大)转换效率92%(最高)开关频率150KHz输出纹波30mV(最大)负载调整率±0.5%电压调整率±2.5%工作温度-40 到 +85外围尺寸48*23*14（长

30、*宽*高）（mm）产品特点： 模块使用国产优质的LM2596芯片，效率高(最高92%)，发热量小，能很轻松带起3A（短时间）以上电流，长时间工作建议在2.5A以内的电流使用，同时加上散热片（10W以上输出）。 本模块使用低ESR的原装三洋滤波电容，可以使纹波电压低至30mV,完全能和线性电源媲美！3.4 LM2577 升压模块原理图图3.4 LM2577 升压模块原理图表3.2 LM2577 升压模块资料表基本属性模块性质非隔离升压（Boost）整流方式非同步整流输入电压3V-30V输出电压4V-35V输入电流3A(最大) 空载电流15mA转换效率92%(最高)开关频率50KHz输出纹波50m

31、V(最大)负载调整率±0.5%电压调整率±0.5%工作温度-40 到 +85尺寸48*23*14（长*宽*高）（mm）产品特点： 模块使用优质的LM2577芯片，效率高(最高92%)，发热量小，在没有加散热器的情况下可以去到15W，加了散热器之后可以去到20W的输出功率 本模块使用低ESR的原装三洋滤波电容，同时，为了使输出纹波更加小，特意在输出端加多一级LC滤波电路，可以使纹波电压低至50mV(输出电压为24V的情况，12V为20mV以下),适用于大多数场合。3.5 整体实物图片正面图片：图3.5 电机调速系统正面实物图背面图片：图3.5 电机调速系统

32、反面实物图第四章 实验结果分析要求 4.1 一级速度时波形（PWM为100%时）：控制电压波形：图4.1 PWM为100%时控制电压波形图驱动电压波形：图4.2 PWM为100%时驱动电压波形图分析：电机全速运转时，PWM=100%，驱动电压平均值为6.51V，驱动电流>4A，满足技术指标要求。4.2 二级速度时波形（PWM约为25%时）：控制电压波形：图4.3 载波频率为1KHZ时控制电压波形图图4.4 载波频率为20KHZ时控制电压波形图驱动电压波形：分析：电机以二级档转动时，PWM25%，驱动电流>4A，驱动电压平均值为3.44V，满足技术指标要求。第五章 设计总结随着科学技术发展的日新日异，电力电子技术在现代社会生产中占据着非常重要的地位，电力电子技术应用在是生活中