直流電動(dòng)機(jī)PWM控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文說明

1、. . . . 畢業(yè)論文畢業(yè)設(shè)計(jì)論文設(shè)計(jì)（論文）題目： 基于PWM專用集成芯片控制的直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)下 達(dá) 日 期： 2014 年 月日開 始 日 期：2014 年 月日完 成 日 期：2014 年 月日指 導(dǎo) 教 師： 高文華 學(xué) 生 專 業(yè)： 電氣自動(dòng)化 班 級(jí)： 自動(dòng)化1207班 學(xué) 生 姓 名： 王飛 教 研室主任： 王永康 電氣工程 學(xué)院27 / 32工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書一、 設(shè)計(jì)（論文）容與要求：（一）設(shè)計(jì)（論文）容本設(shè)計(jì)采用PWM控制技術(shù)，利用斬波原理改變脈沖寬度，改變直流電動(dòng)機(jī)兩端的直流平均電壓的大小，來實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的速度控制。（二）要求1PWM控制器（或單

2、片機(jī)）為核心。2運(yùn)用PWM控制器（單片機(jī)）為核心，構(gòu)建控制系統(tǒng)電路。3. 利用PWM控制器（單片機(jī)）、大功率開關(guān)器件、隔離電路、驅(qū)動(dòng)芯片等硬件，設(shè)計(jì)建立直流電動(dòng)機(jī)PWM控制系統(tǒng)，力用、簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)。4. 保護(hù)電路二、 技術(shù)指標(biāo)：1、采用速度、電流雙閉環(huán)控制以提高系統(tǒng)控制精度；2、輸出信號(hào)穩(wěn)定，以此來驅(qū)動(dòng)大功率開關(guān)器件；3、控制信號(hào)通過PWM控制器（單片機(jī)）對(duì)功率開關(guān)進(jìn)行控制，使其滿足按要求進(jìn)行速度調(diào)節(jié)的要求。4、 電動(dòng)機(jī)額定數(shù)據(jù)為：10kW、220V、55A、1000r/min，電樞電阻Ra為0.5，Ce=0.122V·min/r時(shí)間常數(shù)：Tl=0.02s,Tm=0.16s。5、調(diào)速圍

3、D=10。6、穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差。7、動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量不大于5%；轉(zhuǎn)速超調(diào)量不大于10%。三、 主要參考資料：1 電機(jī)控制專用集成電路 譚建成主編 機(jī)械工業(yè)2 電氣傳動(dòng)的脈寬調(diào)制控制技術(shù) 吳守箴主編 機(jī)械工業(yè)3 電力電子技術(shù) 王兆安 黃俊主編 機(jī)械工業(yè)4 電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng) 伯時(shí)主編 機(jī)械工業(yè)5 自動(dòng)控制原理與系統(tǒng) 孔凡才主編 機(jī)械工業(yè)6 單片機(jī)原理與應(yīng)用 王津主編 大學(xué)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書進(jìn) 程 計(jì) 劃 表序號(hào)起止日期計(jì)劃完成容實(shí)際完成情況檢查簽名123456第一周第二周第三周第四周第五周第六周任務(wù)下達(dá)，查閱資料控制方案確定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算與繪制系統(tǒng)圖編寫論文資料并

4、完善整理資料答辯目錄摘 要21系統(tǒng)容簡(jiǎn)介31.1 PWM調(diào)速方案的優(yōu)越性31.2直流電機(jī)PWM調(diào)速基本原理42系統(tǒng)概述52.1 調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成52.2 直流電動(dòng)機(jī)的脈寬調(diào)制的工作原理52.3 主回路73單元電路設(shè)計(jì)103.1 PWM驅(qū)動(dòng)裝置控制電路103.2 SG1731集成PWM控制器的脈寬調(diào)制103.3主開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)123.3.1采用光電耦合器進(jìn)行隔離123.3.2采用UAA4002進(jìn)行基極驅(qū)動(dòng)133.3.3 UAA4002的工作原理簡(jiǎn)介與應(yīng)用接線圖143.4橋式PWM降壓斬波電路153.5電容濾波三相橋式不可控整流電路163.5.1基本原理163.5.2電路圖163.6 轉(zhuǎn)速、電流雙閉

5、環(huán)調(diào)節(jié)電路173.6.1電路原理173.6.2轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)183.6.3 電流反饋環(huán)節(jié)194相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算20總結(jié)22參 考 文 獻(xiàn)23附錄一24致25摘 要直流電機(jī)由于具有速度控制容易，啟、制動(dòng)性能良好，且在寬圍平滑調(diào)速等特點(diǎn)而在冶金、機(jī)械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類，即勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。勵(lì)磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時(shí)受到磁飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制;而且由于勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。調(diào)節(jié)電阻R即可改變端電壓，達(dá)到調(diào)速目的。但這種傳統(tǒng)的調(diào)壓

6、調(diào)速方法效率低。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展了許多新的電樞電壓控制方法，其中PWM(脈寬調(diào)制)是常用的一種調(diào)速方法。其基本原理是用改變電機(jī)電樞(定子)電壓的接通和斷開的時(shí)間比(占空比)來控制馬達(dá)的速度，在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，其速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，其速度減低。脈沖寬度調(diào)制PWM(Pulse Width Modulation),就是指保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間t對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單,靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)等領(lǐng)域最廣泛應(yīng)用的控制方式。本文利用SG1731集成PWM控制器設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PWM控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用了電流轉(zhuǎn)

7、速雙閉環(huán)控制，并且設(shè)計(jì)了完善的保護(hù)措施，既保障了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，又使系統(tǒng)具有較高的動(dòng)、靜態(tài)性能。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，即可使電機(jī)的速度達(dá)到并保持以穩(wěn)定值。最近幾年來，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與單片機(jī)的廣泛應(yīng)用，使調(diào)速裝置向集成化、小型化和智能化方向發(fā)展。本電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制方式，與晶閘管調(diào)速相比技術(shù)先進(jìn)可減少對(duì)電源的污染。為使整個(gè)系統(tǒng)能正常安全地運(yùn)行, 過流、過載、過壓、欠壓保護(hù)電路, 另外還有過壓吸收電路。確保了系統(tǒng)可靠運(yùn)行。關(guān)鍵詞：脈沖寬度調(diào)制,開關(guān) ,直流調(diào)速系統(tǒng) ,雙閉環(huán)控制，基極驅(qū)動(dòng)，不可控整流1系統(tǒng)容簡(jiǎn)介直流電機(jī)由于具有速度控制容易，啟、制動(dòng)性能良好，

8、且在寬圍平滑調(diào)速等特點(diǎn)而在冶金、機(jī)械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類，即勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。勵(lì)磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時(shí)受到磁飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制;而且由于勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。調(diào)節(jié)電阻R即可改變端電壓，達(dá)到調(diào)速目的。但這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速方法效率低。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展了許多新的電樞電壓控制方法，其中PWM(脈寬調(diào)制)是常用的一種調(diào)速方法。其基本原理是用改變電機(jī)電樞(定子)電壓的接通和斷開的時(shí)間比(占空比)來控制馬達(dá)的速度，在

9、脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，其速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，即可使電機(jī)的速度達(dá)到并保持一穩(wěn)定值。利用數(shù)字輸出對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種有效技術(shù)，尤其是在對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方面，可大大節(jié)省能量。PWM 具有很強(qiáng)的抗噪性，且有節(jié)約空間、比較經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。模擬控制電路有以下缺陷:模擬電路容易隨時(shí)間漂移，會(huì)產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以與對(duì)噪聲敏感等。而在用了PWM技術(shù)后，避免了以上的缺陷，實(shí)現(xiàn)了用數(shù)字方式來控制模擬信號(hào)，可以大幅度降低成本和功耗。1.1 PWM調(diào)速方案的優(yōu)越性自從全控型電力電子器件問世以后，就出現(xiàn)了采用脈沖寬度調(diào)制的高頻開關(guān)控制方 式，形成了脈寬調(diào)制

10、變換器直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，PWM的H型屬于調(diào)壓調(diào)速，PWM的H橋能實(shí)現(xiàn)大功率調(diào)速；國的超大功率調(diào)速還要依靠可控硅實(shí)現(xiàn)可控整流來實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。本設(shè)計(jì)采用直流極式控制的橋式PWM變換器。與V-M系統(tǒng)相比在很多方面有較大的優(yōu)越性：1） 主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少。2） 開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電極損耗與發(fā)熱都較小。3） 低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，調(diào)速圍寬，可達(dá)1:20000左右。4） 若是與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。5） 功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通道損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適中時(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率高。6） 直流電機(jī)采用不控整流時(shí)，

11、電網(wǎng)功率因素比相控整流器高。由于由以上優(yōu)點(diǎn)直流PWM系統(tǒng)應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的高動(dòng)態(tài)性能中。已完全取代了V-M系統(tǒng)。為達(dá)到更好的機(jī)械特性要求，一般直流電動(dòng)機(jī)都是在閉環(huán)控制下運(yùn)行。經(jīng)常采用的閉環(huán)系統(tǒng)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流截至負(fù)反饋。1.2直流電機(jī)PWM調(diào)速基本原理 PWM方式是在大功率開關(guān)晶體管的基極上，加上脈沖寬度可調(diào)的方波電壓，控制開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間t，改變占空比，達(dá)到控制目的。圖1是直流PWM系統(tǒng)原理框圖。這是一個(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng)，有電流環(huán)和速度環(huán)。在此系統(tǒng)中有兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出作為PWM的控制

12、電壓。核心部分是脈沖功率放大器和脈寬調(diào)制器?？刂撇糠植捎肧G1731（脈寬調(diào)制芯片SG1731具有欠壓鎖定、故障關(guān)閉和軟起動(dòng)等功能,因而在中小功率電源和電機(jī)調(diào)速等方面應(yīng)用較廣泛。SG1731是電壓型控制芯片,利用電壓反饋的方法控制PWM信號(hào)的占空比,整個(gè)電路成為雙極點(diǎn)系統(tǒng)的控制問題,簡(jiǎn)化了補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。）集成控制器產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的PWM脈沖波形，通過調(diào)節(jié)這兩路波形的寬度來控制H電路中的GTR通斷時(shí)間，便能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制。為了獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)，調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了校正。檢測(cè)部分中，采用了霍爾片式電流檢測(cè)裝置對(duì)電流環(huán)進(jìn)行檢測(cè)，轉(zhuǎn)速還則是采用了測(cè)速電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，能達(dá)到比較

13、理想的檢測(cè)效果。2系統(tǒng)概述2.1 調(diào)速系統(tǒng)構(gòu)成本系統(tǒng)主要有信號(hào)發(fā)生電路、PWM速度控制電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等幾部分組成。整個(gè)系統(tǒng)上采用了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，如圖1所示。在系統(tǒng)中設(shè)置兩個(gè)調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實(shí)行串級(jí)連接，即以轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出作為PWM的控制電壓。從閉環(huán)反饋結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，是環(huán)，按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外面，成為外環(huán)，按典型型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了獲得良好的動(dòng)、靜態(tài)品質(zhì)，調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了校正。檢測(cè)部分中，采用了霍爾片式電流檢測(cè)裝置對(duì)電流環(huán)進(jìn)行檢測(cè)，轉(zhuǎn)速還則是采用了測(cè)速電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，達(dá)到了比較

14、理想的檢測(cè)效果。主電路部分采用了以GTR為可控開關(guān)元件、H橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)。PWM方式是在大功率開關(guān)晶體管的基極上，加上脈沖寬度可調(diào)的方波電壓，控制開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間t，改變占空比，達(dá)到控制目的。圖1是直流PWM系統(tǒng)原理框圖。這是一個(gè)雙閉環(huán)系統(tǒng)，有電流環(huán)和速度環(huán)。核心部分是脈沖功率放大器和脈寬調(diào)制器?？刂撇糠植捎肧G1525集成控制器產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的PWM脈沖波形，通過調(diào)節(jié)這兩路波形的寬度來控制H電路中的GTR通斷時(shí)間，便能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的控制。 圖1 直流電動(dòng)機(jī)PWM系統(tǒng)原理圖2.2 直流電動(dòng)機(jī)的脈寬調(diào)制的工作原理直流無刷電機(jī)由電動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成

15、。直流電源通過開關(guān)線路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置由位置傳感器檢測(cè)并提供信號(hào)去觸發(fā)開關(guān)線路中的功率開關(guān)元件使之導(dǎo)通或截止，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。在應(yīng)用實(shí)例中，磁極旋轉(zhuǎn)，電樞靜止，電樞繞組里的電流換向借助于位置傳感器和電子開關(guān)電路來實(shí)現(xiàn)。電機(jī)的電樞繞組作成三相，轉(zhuǎn)子由永磁材料制成，與轉(zhuǎn)子軸相連的位置傳感器采用霍爾傳感器。3600圍，兩兩相差1200安裝，共安裝三個(gè)。為了提高電機(jī)的特性，電機(jī)采用二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)的工作方式。開關(guān)電路采用三相橋式接線方式。PWM驅(qū)動(dòng)裝置是利用大功率晶體管的開關(guān)特性來調(diào)制固定電壓的直流電源，按一個(gè)固定的頻率來接通和斷開，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期“接通”與“斷

16、開”時(shí)間的長短，通過改變直流伺服電動(dòng)機(jī)電樞上電壓的“占比空”來改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，這種裝置又稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。 PWM控制的示意圖如圖2所示，可控開關(guān)S以一定的時(shí)間間隔重復(fù)地接通和斷開，當(dāng)S接通時(shí)，供電電源US通過開關(guān)S施加到電動(dòng)機(jī)兩端，電源向電機(jī)提供能量，電動(dòng)機(jī)儲(chǔ)能；當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)，中斷了供電電源US向電動(dòng)機(jī)電流繼續(xù)流通。 圖2 PWM控制示意圖電壓平均值Uas可用下式表示： Uas= ton·Us/T=Us （1-1）式中，ton為開關(guān)每次接通的時(shí)間，T為開關(guān)通斷的工作周期，（即開關(guān)接通時(shí)間ton和關(guān)斷時(shí)間toff之和），為占空比，= ton/T。

17、由式（1-1）可見，改變開關(guān)接通時(shí)間ton和開關(guān)周期T的比例也即改變脈沖的占空比，電動(dòng)機(jī)兩端電壓的平均值也隨之改變，因而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速得到了控制。2.3 主回路 在系統(tǒng)主電路部分，采用的是以大功率GTR為開關(guān)元件、H橋電路為功率放大電路所構(gòu)成的電路結(jié)構(gòu)。如圖3所示。圖中，四只GTR分為兩組，和為一組，和為另一組。同一組中的兩只GTR同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)關(guān)斷，且兩組晶體管之間可以是交替的導(dǎo)通和關(guān)斷。欲使電動(dòng)機(jī)M向正方向轉(zhuǎn)動(dòng)，則要求控制電壓為正，各三極管基極電壓波形如圖4所示。欲使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，則使控制電壓為負(fù)即可。 GTR是一種雙極性大功率高反壓晶體管，它大多用作功率開關(guān)使用,而且 GTR是一種具有自關(guān)斷能

18、力的全控型電力半導(dǎo)體器件，這一特性可以使各類變流電路的控制更加方便和靈活，線路結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。 圖3雙極式H型 PWM變換電路圖4 雙極式PWM變換電路的電壓、電流波形 （a）,(b) 三極管基極電壓波形 (c) 電樞電壓波形 （d）電樞電流波形 (e) 重負(fù)載時(shí) 波形 (f) E> 時(shí)波形設(shè)矩形波的周期為T，正向脈沖寬度為，并設(shè)=/T為占空比。則電樞電壓U的平均值=（2-1）=（2/T-1），并定義雙極性雙極式脈寬放大器的負(fù)載電壓系數(shù)為=/=2/T-1即 =可見，可在-1到+1之間變化。雙極式PWM變換器的優(yōu)點(diǎn)：1、電流一定連續(xù)；2、可使電機(jī)在四象限中運(yùn)行；3、電動(dòng)機(jī)停止時(shí)有微振電流，能

19、消除正、反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)；4、低速時(shí)，每個(gè)晶體管的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導(dǎo)通；5、低速平穩(wěn)性好，低速圍可達(dá)20000左右。 a).正向電動(dòng)運(yùn)行波形 b).反向電動(dòng)運(yùn)行波形3單元電路設(shè)計(jì)3.1 PWM驅(qū)動(dòng)裝置控制電路 如圖5所示為PWM驅(qū)動(dòng)裝置控制電路框圖。該控制電路包括脈寬調(diào)制電路，基極驅(qū)動(dòng)電路，變換電路，三相橋式不可控整流電路等脈寬調(diào)速系統(tǒng)所需的電路。圖5 PWM驅(qū)動(dòng)裝置控制電路3.2 SG1731集成PWM控制器的脈寬調(diào)制 SG1731PWM集成電路的部功能結(jié)構(gòu)如圖6所示。該芯片有三角波發(fā)生器、偏差信號(hào)放大器、比較器和橋式功放等電路。此線路的原理是將一個(gè)直流電壓信號(hào)與三角波

20、電壓疊成后，形成脈寬調(diào)制方波，在經(jīng)橋式功放電路輸出PWM電壓。它具有外觸發(fā)保護(hù)、死區(qū)調(diào)節(jié)和正負(fù)100mA電流的輸出能力；其振蕩頻率為100-350kHZ可調(diào)，適用于單極性PWM控制。 該集成電路需要2組電源：一組正負(fù)Vs（接16和9腳），用于芯片的控制電路；另一組正負(fù)V0(接14腳和11腳)，用于橋式功放驅(qū)動(dòng)電路，此功放級(jí)電路可輸出正負(fù)100mA的電流，功放輸出為12腳和13腳。由R-S觸發(fā)器、比較器A4與A5、500uA的雙向恒流源和外接電容CT組成三角波振蕩器。其振蕩角頻率由電容C（接6腳和地之間）和外供正、負(fù)參考電壓2V正、2V負(fù)（2腳和7腳）決定：式中：VU=（2VUv+-2VVV-）

21、。1腳和8腳接正、負(fù)門檻電壓，為比較器A4、A5提供正、負(fù)門檻電壓，以與三角波進(jìn)行比較。A3為偏差信號(hào)放大器，其正，負(fù)相輸入端（3腳和4腳）用于將給定信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行比較，得到控制系統(tǒng)的誤差信號(hào)，加、減電路 對(duì)三角波電壓和偏差信號(hào)放大器輸出電壓進(jìn)行疊加，實(shí)現(xiàn)三角波電平的垂直平行移動(dòng)，垂直平行后的三角波電平與正（或負(fù)）門檻電壓電平+VT(或-VT)進(jìn)行比較，這樣芯片功放級(jí)輸出的便是PWM電壓。若改變偏差放大器輸入的誤差信號(hào)，即可改變其脈寬，也即輸出脈寬與誤差信號(hào)成正比。偏差放大器的正、負(fù)相輸入端和輸出端均引出芯片，4腳5腳間接反饋電抗，通過配置不同的輸出回路阻抗和反饋回路阻抗，可以構(gòu)成不同的放

22、大器。SG1731具有關(guān)斷控制功能。當(dāng)管腳15端接入低電平（與TTL點(diǎn)評(píng)兼容-為方便微機(jī)控制）時(shí)，次低電平使輸出級(jí)中的晶體管迅速截止，是系統(tǒng)停止工作。這種功能可用對(duì) （1） +Vs與-Vs的差值不能小于7.0V但也不得超過30V。（2） +VO與-V0的差值不能小于5.0V，但也不能超過44V，電動(dòng)機(jī)供電可共用此電源，也可另設(shè)電源。（3） 基片“地”（10腳）必須聯(lián)到最低點(diǎn)位處。（4） SG1731輸出PWM波形圖如圖7所示 圖7 SG1731輸出PWM波形圖3.3主開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)采用的功率驅(qū)動(dòng)電路取決于主開關(guān)管V的器件類別。用不同類別的主開關(guān)其功率驅(qū)動(dòng)電路也不同，本系統(tǒng)采用GTR功率

23、晶體管的光電耦合驅(qū)動(dòng)電路。 3.3.1采用光電耦合器進(jìn)行隔離 光電耦合器之所以在傳輸信號(hào)的同時(shí)能有效地?cái)M制尖脈沖和各種雜訊干擾，使通道上的信號(hào)雜訊比大為提高，主要有以下幾方面的原因：（1） 光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗較大，通常為105-106歐姆。據(jù)分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到光電耦合器輸入端的雜訊電壓會(huì)很小，只能形成很為弱的電流，由于沒有足夠的能量而不能使二極管發(fā)光，從而被抑制掉了。（2） 光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣聯(lián)系，也沒有公地，之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此回路一邊的各種干擾雜訊都很難通過光電耦合器饋送到另一邊去

24、，避免了共阻抗耦合的干擾信號(hào)的產(chǎn)生。（3） 光電耦合器可起到很好的安全保障作用，即使當(dāng)外部設(shè)備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號(hào)線短接時(shí)，也不會(huì)損壞儀表。因?yàn)楣怦詈掀骷妮斎牖芈泛洼敵龌芈房梢猿惺軒浊Х母邏?。?） 光電耦合器的回應(yīng)速度極快，其回應(yīng)延遲時(shí)間只有10us左右，適于對(duì)應(yīng)速度要求很高的場(chǎng)合。（注意事項(xiàng)：（1）在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨(dú)立電源，若兩端公用一個(gè)電源則光電耦合器的隔離作用將失去意義。（2）當(dāng)用光電耦合器來隔離輸入輸出通道時(shí)，必須對(duì)所有的信號(hào)全部隔離，使得被隔離的兩邊沒有任何電氣上的聯(lián)系，否則這種隔離是沒有意義的。）3.3.2采用UAA4002進(jìn)行基極驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)芯片U

25、AA4002特點(diǎn)介紹1） 可為用戶脈沖形成部分與被驅(qū)動(dòng)的電力晶體管只間提供理想的匹配。它是一個(gè)智能接口，其輸入與TTL電平與COMOS電平均兼容，其輸入信號(hào)與輸出信號(hào) 之間的延遲時(shí)間可人為調(diào)節(jié)。2） 能把接收到的、以邏輯信號(hào)輸入的電力晶體管的導(dǎo)通信息轉(zhuǎn)變?yōu)榧拥诫娏w管上的基極電流，來保證晶體管運(yùn)行于臨界飽和的最佳狀態(tài)從而顯著減少了晶體管關(guān)斷過程中的存儲(chǔ)時(shí)間。UAA4002可為晶體管提供一個(gè)最大0.5A的正向基極驅(qū)動(dòng)電流，且電路自身的設(shè)計(jì)保證了這一電流值可以通過增加一個(gè)或幾個(gè)外部晶體管加以放大。3） 可為晶體管提供一個(gè)幅值為3A的反向基極電流，這一電流值足以使晶體管快速關(guān)斷，保證了晶體管電極電

26、流的下降時(shí)間極短，從而顯著減少了關(guān)短損耗。同樣，反向基極電流也可以通過增加一個(gè)或幾個(gè)外部晶體管加以放大。4） 應(yīng)用封裝于它部的高速邏輯處理器來保護(hù)晶體管。在晶體管導(dǎo)通過程中，該處理器監(jiān)控晶體管的集射結(jié)飽和降壓和晶體管的集電極電流，同時(shí)也監(jiān)控本集成塊工作的正負(fù)電源電壓和芯片的工作溫度。該邏輯處理器的最大和最小時(shí)間可有用戶設(shè)定。此外，在電力晶體管導(dǎo)通過程中，若發(fā)生任一非正常情況，UAA4002 能存儲(chǔ)并保存任何故障信息直到結(jié)束導(dǎo)通為止，這樣就 免了任何可導(dǎo)致晶體管重新開通的可能。 5） UAA4002的有些功能室可刪除的，用戶可根據(jù)實(shí)際情況需要取舍3.3.3 UAA4002的工作原理簡(jiǎn)介與應(yīng)用接線

27、圖 如圖8所示在UAA4002的部集成有自身工作電源電壓UCC檢測(cè)與U-檢測(cè)的兩個(gè)單元、一個(gè)輸入接口邏輯、一個(gè)邏輯處理器、一個(gè)輸出脈沖最大導(dǎo)通時(shí)間ton(max)和一個(gè)輸出脈沖最小導(dǎo)通時(shí)間ton(min)設(shè)置單元、兩個(gè)用來進(jìn)行過電流或欠飽和飽和保護(hù)的比較器、一個(gè)正向輸出脈沖放大 與一個(gè)負(fù)向輸出脈沖放大網(wǎng)絡(luò)。 圖8 UAA4002的部結(jié)構(gòu)與工作原理簡(jiǎn)圖用于實(shí)現(xiàn)8A/400V開關(guān)電源原理接線圖如圖9所示 圖9 UAA4002應(yīng)用接線圖3.4橋式PWM降壓斬波電路 在圖10所示中，晶體管V1、V4是同時(shí)導(dǎo)通同時(shí)關(guān)斷的，V2、V3也是同時(shí)導(dǎo)通同時(shí)關(guān)斷的，但V1、與V2、V3與V4都不允許同時(shí)導(dǎo)通，否則

28、電源Ud直通短路。設(shè)V1、V4先同時(shí)導(dǎo)通T1秒后同時(shí)關(guān)斷，間隔一定時(shí)間（為避免電源直通短路。該間隔時(shí)間稱為死區(qū)時(shí)間）之后， 再使V2、V3同時(shí)導(dǎo)通T2秒后同時(shí)關(guān)斷，如此反復(fù)，則電動(dòng)機(jī)電樞端電壓波形如圖3-2b所示 a) b) 圖 10 橋式PWM降壓斬波器原理圖與輸出電壓波形圖3.5電容濾波三相橋式不可控整流電路3.5.1基本原理該電路中，當(dāng)某一對(duì)二極管導(dǎo)通時(shí)，輸出直流電壓等于交流測(cè)電壓中最大的一個(gè)，該線電壓既向電容供電，也向負(fù)載供電。當(dāng)沒有二極管導(dǎo)通時(shí)，有電容向負(fù)載放電，Ud按規(guī)律下降。在wt=0時(shí)，二極管VD6和VD1開始同時(shí)導(dǎo)通，直流側(cè)電壓等于Uab；下一次同時(shí)導(dǎo)通的一對(duì)管子是VD1和V

29、D2，直流側(cè)電壓等于Uac。這兩段導(dǎo)通過程之間的交替有兩種情況，一種是在VD1和VD2同時(shí)導(dǎo)通之前VD6和VD1是關(guān)斷的，交流側(cè)向直流側(cè)的充放電電流id是連續(xù)的。介于二者之間的臨界狀態(tài)是，VD6和VD1同時(shí)導(dǎo)通的階段與VD1和VD2同時(shí)導(dǎo)通恰好銜接起來。3.5.2電路圖3.6 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)電路3.6.1電路原理在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，電流調(diào)節(jié)器的輸出控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。 電流調(diào)節(jié)器在里面稱作環(huán)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器在外面稱作外環(huán)，這樣就形成轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖7所示。檢測(cè)部分中，采用了霍爾片式電流檢測(cè)

30、裝置對(duì)電流環(huán)進(jìn)行檢測(cè)，轉(zhuǎn)速則是采用了測(cè)速電機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。 為了獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器都采用 PI 調(diào)節(jié)器。PI調(diào)節(jié)器的輸出由兩部分組成，第一部分是比例部分，第二部分是積分部分。把比例運(yùn)算電路和積分電路組合起來就構(gòu)成了比例積分調(diào)節(jié)器，如圖11所示。可知UO=-I1R1-UidtI1=I0=Ui/R0U0=-R1Ui/R0- R0C1/1Uidt當(dāng)突加輸入信號(hào)Ui時(shí)，開始瞬間電容C1相當(dāng)于短路，反饋回路中只有電阻R1，此時(shí)相當(dāng)于比例調(diào)節(jié)器，它可以毫無延遲地起調(diào)節(jié)作用，故調(diào)節(jié)速度快；而后隨著電容C1被充電而開始積分，U0線性增長，直到穩(wěn)態(tài)。圖11 PI調(diào)節(jié)器電路轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系

31、統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速跟隨其給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差，對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用，其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。 電流調(diào)節(jié)器使電流緊緊跟隨其給定電壓變化，對(duì)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)起與時(shí)抗擾作用，在轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)過程中能夠獲得電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，從而加快動(dòng)態(tài)過程， 當(dāng)電機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí)，限制電樞電流的最大值，起快速的自動(dòng)保護(hù)作用。一旦故障消失，系統(tǒng)立即自動(dòng)恢復(fù)正常。  圖12轉(zhuǎn)速、電流調(diào)節(jié)電路圖ASR 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 ACR 電流調(diào)節(jié)器 GT 觸發(fā)裝置 M 直流電動(dòng)機(jī) TG 測(cè)速發(fā)電機(jī) AC-霍爾電流傳感器UPE-電力電子變換器Un*-轉(zhuǎn)速給定電壓Un-轉(zhuǎn)速反饋電壓Ui*-電流給定電壓Ui

32、-電流反饋電壓圖中，來自速度給定電位器給定的信號(hào)Un*與速度反饋信號(hào)Un比較后，偏差為Un= Un*-Un，送到速度調(diào)節(jié)器ASR的輸入端。速度調(diào)節(jié)器的輸出Ui*作為電流調(diào)節(jié)器ACR的給定信號(hào)，與電流反饋信號(hào)Ui比較后，偏差為Un= Ui*-Ui，送到電流調(diào)節(jié)器ACR的輸入端，電流調(diào)節(jié)器的輸出Uct送到觸發(fā)器，以控制可控整流器，整流器為電動(dòng)機(jī)提供直流電壓Ud.。3.6.2轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié) 如圖13所示 利用直流測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)量電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n，并將其轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓Uf，與給定電位器的輸出電壓Ug進(jìn)行比較，得到的偏差信號(hào)U經(jīng)放大裝置放大后控制電動(dòng)機(jī)的工作電壓Ud,而電壓Uf即代表了系統(tǒng)所要求的轉(zhuǎn)速。

33、如果工作機(jī)械的負(fù)載增大，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下載，則則測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓Uf減小，與給定電壓Ug比較的偏差電壓（U=Ug-Uf）增大，經(jīng)放大后的觸發(fā)控制電壓Uk增大，從而使可用硅整流裝置輸出電壓Ud增大，增大的Ud加在電動(dòng)機(jī)電樞兩端，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n將提高，從而使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速補(bǔ)償。 圖13 測(cè)速發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖3.6.3 電流反饋環(huán)節(jié) 電流反饋環(huán)節(jié)使用霍爾電流傳感器ACS758芯片完成，ACS758 電流傳感器 IC 系列可為交流或直流電流感測(cè)提供經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且精確的解決方案。典型應(yīng)用包括電動(dòng)機(jī)控制、載荷檢測(cè)和管理、電源和直流至直流轉(zhuǎn)換器控制、逆變器控制和過電流故障檢測(cè)。該器件由一個(gè)精確、低偏移的線性

34、霍爾傳感器電路組成，且其銅制的電流路徑靠近晶片。通過該銅制電流路徑施加的電流能夠生成可被集成霍爾 IC 感應(yīng)并轉(zhuǎn)化為成比例電壓的磁場(chǎng)。通過將磁性信號(hào)靠近霍爾傳感器，實(shí)現(xiàn)器件精確度優(yōu)化。精確的、成比例輸出電壓由穩(wěn)定斬波型低偏置 BiCMOS 霍爾 IC 提供，該 IC 出廠時(shí)已進(jìn)行精確度編程。 獨(dú)有的集成屏幕技術(shù)提供的對(duì)電流導(dǎo)體 dV/dt 信號(hào)和雜散電場(chǎng)的高耐受力，確保高端、高電壓應(yīng)用中的低輸出電壓紋波和低偏置漂移。當(dāng)通過用作電流感測(cè)通路之主要銅傳導(dǎo)通路（從端子 4 到端子 5）的電流不斷上升時(shí)，器件的輸出具有正斜率 (>VCC/2) 。該傳導(dǎo)通路的電阻通常是 100 µ，具有

35、較低的功率損耗。1.功能與優(yōu)點(diǎn)· 通過專利放大器和濾波器設(shè)計(jì)工藝實(shí)現(xiàn)行業(yè)領(lǐng)先的噪音性能· 集成屏蔽可大幅減少因 dV/dt 信號(hào)導(dǎo)致電流導(dǎo)體至晶片的電容耦合，并可防止高端、高電壓應(yīng)用中的偏置漂移。· 通過過溫增益和偏置修正實(shí)現(xiàn)總輸出誤差減少· 小型封裝尺寸，安裝簡(jiǎn)便· 高可靠性的單片霍爾 IC· 超低功率損耗：100 µ 部傳導(dǎo)電阻· 絕緣設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)高電壓系統(tǒng)中經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的高端電流感測(cè)· 3.0 至 5.5 V, 單電源操作· 120 kHz 典型帶寬· 3 

36、;µs 輸出上升時(shí)間，對(duì)應(yīng)步進(jìn)輸入電流· 輸出電壓與交流或直流電流成比例· 出廠時(shí)精確度校準(zhǔn)· 極穩(wěn)定的輸出偏置電壓 2使用ACS758芯片完成對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)的電流反饋環(huán)節(jié)，使其形成直流電動(dòng)機(jī)的電流反饋，使其能達(dá)到更好的控制速度的精度。其中1腳和3腳中間接入一個(gè)電容，2腳和3腳串聯(lián)電感電容接入電流反饋環(huán)節(jié)的輸入端，將反饋回來的電流信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)化輸入進(jìn)行比較計(jì)算繼而輸入到給定信號(hào)端進(jìn)行調(diào)節(jié)，完成直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。IP+4IP-5VIOUT3VCC1GND2U1ACS758LCB-150C71nFC81nFL1 圖14 霍爾電流傳感器4相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算1. 整流二極

37、管整流二極管的反向擊穿電壓URM應(yīng)滿足: URM>U2其額定工作電流應(yīng)滿足： If>Imax對(duì)于+15v到-15v直流電源，二極管的耐壓值： URM> x15v= 21.21V If>Imax>0.7A2. 濾波電容器C選擇 C=Ict/Uf式中：Uf-穩(wěn)壓器輸入端紋波電壓的峰值 t-電容C放電時(shí)間 Ic-電容C放電電流3.電流調(diào)節(jié)器參數(shù)（1）根據(jù)設(shè)計(jì)要求：穩(wěn)態(tài)無靜差,超調(diào)量，因此可用PI型電流調(diào)節(jié)器其傳遞函數(shù)為：電磁時(shí)間常數(shù)。電源電壓的抗擾性能：電流調(diào)節(jié)器超前時(shí)間常數(shù)：。電流環(huán)開環(huán)增益：要求時(shí)，應(yīng)取，因此ACR的比例系數(shù)為（2）計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容按所用運(yùn)算放大

38、器取，各電阻和電容值為，取，取，取按照上述參數(shù),，4轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器如圖15所示：圖15 PI型轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器其中為轉(zhuǎn)速給定電壓，為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋電壓，：調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定電壓。（1）確定時(shí)間常數(shù)電流環(huán)等效時(shí)間常數(shù)轉(zhuǎn)速濾波時(shí)間常數(shù)本設(shè)計(jì)初始條件已給，即轉(zhuǎn)速環(huán)時(shí)間常數(shù)選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為(2)計(jì)算轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)按跟隨和抗擾性能都較好的原則，取，則ASR的超前時(shí)間常數(shù)為轉(zhuǎn)速開環(huán)增益ASR的比例系數(shù)為（3)計(jì)算調(diào)節(jié)器電阻和電容取，則，取，取，取 過載倍數(shù):由上參數(shù)的=1.16%<10%，符合要求?？偨Y(jié)該系統(tǒng)調(diào)速精度與調(diào)速圍要求不是很高，但與傳統(tǒng)的晶閘管可控調(diào)速系統(tǒng)相比 ，它具有調(diào)速圍寬、快速性能好、功率因數(shù)高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，使之以廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的直流調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)中。本系統(tǒng)采用了脈寬調(diào)制器SG1731來完成，它解決了PWM電路的集成化問題，在實(shí)例中就可用此芯片來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)速。經(jīng)過接近五周的努力，終于圓滿的完成了本課程設(shè)計(jì)。通過親身體驗(yàn)做課程設(shè)計(jì)的目的，在于通過理論與實(shí)際的結(jié)合，