直流电动机pwm控制系统设计毕业设计(编辑修改稿)

直流电动机pwm控制系统设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

PWM 驱动装置是利用大功率晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电源，按一个固定的频率来接通和断开，并根据需要改变一个周期内“接通”与“断开”时间的长短，通过改变直流伺服电动机电枢 上电压的“占比空”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。 因此，这种装置又称为“开关驱动装置”。 PWM 控制的示意图如图 2所示，可控开关 S以一定的时间间隔重复地接通和断开，当S接通时，供电电源 US 通过开关 S 施加到电动机两端，电源向电机提供能量，电动机储能； 6 当开关 S 断开时，中断了供电电源 US向电动机电流继续流通。 图 2 PWM 控制示意图 电压平均值 Uas 可用下式表示： Uas= ton Us/T=αUs （ 11） 式中， ton 为开关每次接通的时间， T 为开关通断的工作周期，（即开关接通时间 ton 和关断时间 toff之和）， α为占空比， α= ton/T。 由式（ 11）可见，改变开关接通时间 ton 和开关周期 T 的比例也即改变脉冲的占空比，电动机两端电压的平均值也随之改变，因而电动机转速得到了控制。 主回路 在系统主电路部分，采用的是以大功率 GTR 为开关元件、 H 桥电路为功率放大电路所构成的电路结构。 如 图 3 所示。 图中，四只 GTR 分为两组， 1VT 和 4VT 为一组， 2VT 和 3VT为另一组。 同一组中的两只 GTR 同时导通，同时关断，且两组晶体管之间可以是交替的导通和关断。 欲使电动机 M 向正方向转动，则要求控制电压 kU 为正，各三极管基极电压波形如图 4 所示。 欲使电动机反转，则使控制电压 kU 为负即可。 GTR 是一种双极性大功率高反压晶体管，它 大多用作功率开关使用 ,而且 GTR 是一种具有自关断能力的全控型电力半导体器件，这一特性可以使各类变流电路的控制更加方便和灵活，线路结构大为简化。 7 图 3 双极式 H 型 PWM 变换电路 图 4 双极式 PWM 变换电路的电压、电流波形 （ a） ,(b) 三极管 基极电压波形 (c) 电枢电压波形 （ d）电枢电流波形 (e) 重负载时 ai 波形 (f) E SU 时 ai 波形 设矩形波的周期为 T，正向脉冲宽度为 1t ，并设 λ =1t /T 为占空比。 则电枢电压 U 的平 8 均值 avU =（ 2λ 1） SU =（ 21t /T1） SU ，并定义双极性双极式脉宽放大器的负载电压系数为 ρ = avU / SU =21t /T1 即 avU =ρ SU 可见， ρ 可在 1到 +1之间变化。 双极式 PWM 变换器的优点： 电流一定连续； 可使电机在四象限中运行； 电动机停止时有微振电流，能消除正、反向时的静摩擦死区； 低速时，每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证晶体管可靠导通； 低速平稳性好，低速范围可达 20xx0 左右。 a).正向电动运行波形 b).反向电动运行波形 9 3 单元电路设计 PWM 驱动装置控制电路 如 图 5 所示 为 PWM 驱动装置控制电路框图。 该控制电路包括 脉宽调制电路，基极驱动电路，变换电路，三相桥式不可控整流电路 等脉宽调速系统所 需 的电路。 图 5 PWM 驱动装置控制电路 SG1731 集成 PWM 控制器的脉宽调制 SG1731PWM 集成电路的内部功能结构如图 6所示。 该芯片内有三角波发生器、偏差信号放大器、比较器和桥式功放等电路。 此线路的原理是将一个直流电压信号与三角波电压叠成后，形成脉宽调制方波，在经桥式功放电路输出 PWM 电压。 它具 有外触发保护、死区调节和正负 100mA 电流的输出能力；其振荡频率为 100350kHZ 可调，适用于单极性 PWM控制。 10 该集成电路需要 2 组电源：一组正负 Vs（接 16 和 9 脚），用于芯片的控制电路；另一组正负 V0(接 14脚和 11脚 )，用于桥式功放驱动电路，此功放级电路可输出正负 100mA 的电流，功放输出为 12 脚和 13 脚。 由 RS 触发器、比较器 A4 与 A 500uA 的双向恒流源和外接电容 CT 组成三角波振荡器。 其振荡角频率由电容 C（接 6 脚和地之间）和外供正、负参考电压 2V 正、 2V 负（ 2脚和 7脚）决定： 式中： VU=（ 2VUv+2VVV）。 1 脚和 8 脚接正、负门槛电压，为比较器 A A5 提供正、负门槛电压，以与三角波进行比较。 A3 为偏差信号放大器，其正，负相输入端（ 3脚和 4脚）用于将给定信号与反馈信号进行比较，得到控制系统的误差信号，加、减电路 对三角波电压和偏差信号放大器输出电压进行叠加，实现三角波电平的垂直平行移动，垂直平行后的三角波电平与正（或负）门槛电压电平 +VT(或 VT)进行比较，这样芯片功放级输出的便是 PWM 电压。 若改变 偏差放大器输入的误差信号，即可改变其脉宽，也即输出脉宽与误差信号成正比。 偏差放大器的正、负相输入端和输出端均引出芯片， 4脚 5脚间接反馈电抗，通过配置不同的输出回路阻抗和反馈回路阻抗，可以构成不同的放大器。 SG1731 具有关断控制功能。 当管脚 15 端接入低电平（与 TTL 点评兼容 为方便微机控制）时，次低电平使输出级中的晶体管迅速截止，是系统停止工作。 这种功能可用对 （ 1） +Vs 与 Vs 的差值不能小于 但也不得超过 30V。 11 （ 2） +VO 与 V0 的差值不能小于 ，但也不能超过 44V，电动机供电可共用此电源，也可另设电源。 （ 3） 基片“地”（ 10 脚）必须联到最低点位处。 （ 4） SG1731 输出 PWM 波形图 如图 7所示 图 7 SG1731输出 PWM波形图 主开关驱动电路设计 系统采用的功率驱动电路取决于主开关管 V 的器件类别。 用不同类别的主开关其功率驱动电路也不同 ， 本系统采用 GTR 功率晶体管的光电耦合驱动电路。 采用光电耦合器进行隔离 光电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地拟制尖脉冲和各种杂讯干扰，使通道上的信号杂讯比大为提高，主要有以下几方面的原因： （ 1） 光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为 12 105106 欧姆。 据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入 端的杂讯电压会很小，只能形成很为弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极管发光，从而被抑制掉了。 （ 2） 光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有公地，之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰杂讯都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。 （ 3） 光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。 因为光耦合器件的输入回路和输出回路可以承受几千伏的高压。 （ 4） 光电耦合器的回应速度极快，其回应延迟时间只有 10us 左右，适于 对应速度要求很高的场合。 （注意事项：（ 1）在光电耦合器的输入部分和输出部分必须分别采用独立电源，若两端公用一个电源则光电耦合器的隔离作用将失去意义。 （ 2）当用光电耦合器来隔离输入输出通道时，必须对所有的信号全部隔离，使得被隔离的两边没有任何电气上的联系，否则这种隔离是没有意义的。 ） 采用 UAA4002 进行基极驱动 驱动芯片 UAA4002 特点 介绍 1） 可为用户脉冲形成部分与被驱动的电力晶体管只间提供理想的匹配。 它是一个智能接口，其输入与 TTL 电平及 COMOS 电平均兼容，其输入信号与输出信号 之间的延迟时 间可人为调节。 2） 能把接收到的、以逻辑信号输入的电力晶体管的导通信息转变为加到电力晶体管上的基极电流，来保证晶体管运行于临界饱和的最佳状态从而显著减少了晶体管关断过程中的存储时间。 UAA4002 可为晶体管提供一个最大 的正向基极驱动电流，且电路自身的设计保证了这一电流值可以通过增加一个或几个外部晶体管加以放大。 3） 可为晶体管提供一个幅值为 3A 的反向基极电流，这一电流值足以使晶体管快速关断，保证了晶体管电极电流的下降时间极短，从而显著减少了关短损耗。 同样，反向基极电流也可以通过增加一个或几个外部晶体管加以放 大。 4） 应。