毕业设计（论文）-直流电动机PWM控制系统设计.doc

毕业设计论文毕业设计论文 设计（论文）题目：设计（论文）题目： 直流电动机直流电动机 pwm 控制系统设计控制系统设计 下下 达达 日日 期：期： 2011 年年 12 月月 5 日日 开开 始始 日日 期期： 2011 年年 12 月月 5 日日 完完 成成 日日 期期： 2012 年年 1 月月 5 日日 指指 导导 教教 师师： 学学 生生 专专 业业： 电电气气自自动动化化 班班 级级： 自动化自动化 0902 班班 学学 生生 姓姓 名名： 教教研研室室主主任任： 电电气气工工程程 系系 毕业论文毕业论文 2 陕西工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书陕西工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书 一、设计（论文）内容及要求： （一）设计（论文）内容 本设计采用 pwm 控制技术，利用斩波原理改变脉冲宽度，改变直流电动机两端的直流 平均电压的大小，来实现对直流电动机的速度控制。 （二）要求 1pwm 控制器（或单片机）为核心。 2运用 pwm 控制器（单片机）为核心，构建控制系统电路。 3. 利用 pwm 控制器（单片机）、大功率开关器件、隔离电路、驱动芯片等硬件，设计建 立直流电动机 pwm 控制系统，力求实用、简单、经济。 4. 保护电路 二、技术指标： 1、采用速度、电流双闭环控制以提高系统控制精度； 2、输出信号稳定，以此来驱动大功率开关器件； 3、控制信号通过 pwm 控制器（单片机）对功率开关进行控制，使其满足按要求进行速度 调节的要求。 4、 电动机额定数据为：10kw、220v、55a、1000r/min，电枢电阻 ra 为 0.5，ce=0.122vmin/r 时间常数：tl=0.02s,tm=0.16s。 5、调速范围 d=10。 6、稳态指标：无静差。 7、动态指标：电流超调量不大于 5%；转速超调量不大于 10%。 三、主要参考资料： 1 电机控制专用集成电路 谭建成主编 机械工业出版社 2 电气传动的脉宽调制控制技术 吴守箴主编 机械工业出版社 3 电力电子技术 王兆安 黄俊主编 机械工业出版社 4 电力拖动自动控制系统 陈伯时主编 机械工业出版社 5 自动控制原理与系统 孔凡才主编 机械工业出版社 6 单片机原理与应用 王津主编 重庆大学出版社 3 陕西工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书陕西工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书 进进 程程 计计 划划 表表 序号起止日期计划完成内容实际完成情况检查签名 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 12.5-12.912.5-12.9 12.12-12.1612.12-12.16 12.19-12.2312.19-12.23 12.25-12.2912.25-12.29 1.1-1.51.1-1.5 任务下达，查阅资料任务下达，查阅资料 控制方案确定控制方案确定 控制系统设计控制系统设计 参数计算及绘制系统图参数计算及绘制系统图 编写论文资料并完善编写论文资料并完善 4 直流电动机 pwm 控制系统设计 摘 要 直流电机由于具有速度控制容易，启、制动性能良好，且在宽范围内平 滑调速等特点而在冶金、机械制造、轻工等工业部门中得到广泛应用。直流 电动机转速的控制方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。励磁 控制法控制磁通，其控制功率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，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。所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。 调节电阻 r 即可改变端电压，达到调速目的。但这种传统的调压调速方法效 率低。随着电力电子技术的进步，发展了许多新的电枢电压控制方法，其中 pwm(脉宽调制)是常用的一种调速方法。其基本原理是用改变电机电枢(定子)电 压的接通和断开的时间比(占空比)来控制马达的速度，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。脉冲宽度调制 pwm(pulse width modulation),就是指保持开关周期 t 不变，调节开关导 通时间 t 对脉冲的宽度进行调制的技术。pwm 控制技术以其控制简单,灵活和 动态响应好的优点而成为电力电子技术等领域最广泛应用的控制方式。本文 利用 sg1525 集成 pwm 控制器设计了一个基于 pwm 控制的直流调速系统，本 系统采用了电流转速双闭环控制，并且设计了完善的保护措施，既保障了系 统的可靠运行，又使系统具有较高的动、静态性能。 只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保 持以稳定值。最近几年来，随着微电子技术和计算机技术的发展及单片机的 广泛应用，使调速装置向集成化、小型化和智能化方向发展。 本电机调速系统采用脉宽调制方式，与晶闸管调速相比技术先进可减少 对电源的污染。为使整个系统能正常安全地运行, 过流、过载、过压、欠压 5 保护电路, 另外还有过压吸收电路。确保了系统可靠运行。 关键词：脉冲宽度调制,开关 ,直流调速系统 ,双闭环控制 abstract the pulse width modulation pulse width modulation (pwm), is refers to remain unchanged, the adjustment period t switch conduction time to switch on the pulse width of the t modulation technique. pwm control technology with its simple, flexible and dynamic response and become the advantages of power electronic technology is the most widely used in fields such as control. using pwm controller design sg1525 integration based on pwm control dc speed control system, the system adopts the current speed double closed loop control, and design the perfect protection measures, which guarantee the system run reliably, and enables the system with high static and dynamic performance. key words: pulse width modulation ,switch , speed control system , double closed loop control 6 目目 录录 1 1系统内容简介系统内容简介 7 1.1 pwm 调速方案的优越性 .8 1.2、直流电机 pwm 调速基本原理8 2.2.系统概述系统概述 9 2.1 系统构成 9 2.2 直流电动机的脉宽调制的工作原理 11 23 主回路 12 3 3单元电路设计单元电路设计 14 31 转速、电流双闭环调节电路 14 311 电路原理.14 3.2 pwm 驱动装置控制电路 .16 321 恒频波形发生器.17 3.2.2 脉宽调制器.17 3.2.3 系统的故障关闭功能.19 3.2.4 系统波形与控制方式分析.19 3.2.5 脉冲分配电路21 3.2.6 基极驱动电路.21 33、相关数据分析22 总结总结 24 参参 考考 文文 献献 25 教师评语与成绩教师评语与成绩 26 7 1系统内容简介 直流电机由于具有速度控制容易，启、制动性能良好，且在宽范围内平滑调速等 特点而在冶金、机械制造、轻工等工业部门中得到广泛应用。直流电动机转速的控制 方法可分为两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制磁通，其控制功 率虽然小，但低速时受到磁饱和的限制，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。所以常用的控制方法是改变电枢端 电压调速的电枢电压控制法。调节电阻 r 即可改变端电压，达到调速目的。但这种传 统的调压调速方法效率低。随着电力电子技术的进步，发展了许多新的电枢电压控制 方法，其中 pwm(脉宽调制)是常用的一种调速方法。其基本原理是用改变电机电枢(定 子)电压的接通和断开的时间比(占空比)来控制马达的速度，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，即可使电机的速度达到并保持一稳定值。利用数字输出对模拟电路进行 控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量。pwm 具有 很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。模拟控制电路有以下缺陷:模拟电 路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而在用了 pwm 技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成 本和功耗。 1.1 pwm 调速方案的优越性 自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方 式，形成了脉宽调制变换器直流电机调速系统，pwm 的 h 型属于调压调速，pwm 的 h 桥能实现大功率调速；国内的超大功率调速还要依靠可控硅实现可控整流来实现直流电 机的调压调速。本设计采用直流极式控制的桥式 pwm 变换器。与 v-m 系统相比在很多 方面有较大的优越性： 8 1）主电路线路简单，需用的功率器件少。 2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电极损耗及发热都较小。 3）低速性能好，稳态精度高，调速范围宽，可达1:20000左右。 4）若是与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗干扰能力强。 5）功率开关器件工作在开关状态，通道损耗小，当开关频率适中时，开关损耗也不 大，因而装置效率高。 6）直流电机采用不控整流时，电网功率因素比相控整流器高。 由于由以上优点直流 pwm 系统应用日益广泛，特别在中、小容量的高动态性能中。已完全 取代了 v-m 系统。为达到更好的机械特性要求，一般直流电动机都是在闭环控制下运行。经常 采用的闭环系统有转速负反馈和电流截至负反馈。 1.2、直流电机 pwm 调速基本原理 pwm 方式是在大功率开关晶体管的基极上，加上脉冲宽度可调的方波电压，控制开 关管的导通时间 t，改变占空比，达到控制目的。图 1 是直流 pwm 系统原理框图。这是一 个双闭环系统，有电流环和速度环。在此系统中有两个调节器，分别调节转速和电流， 二者之间实行串级连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器的输入，再用电流调节 器的输出作为 pwm 的控制电压。核心部分是脉冲功率放大器和脉宽调制器。控制部分采 用 sg1525（脉宽调制芯片 sg1525 具有欠压锁定、故障关闭和软起动等功能,因而在中小 功率电源和电机调速等方面应用较广泛。sg1525 是电压型控制芯片,利用电压反馈的方法 控制 pwm 信号的占空比,整个电路成为双极点系统的控制问题,简化了补偿网络的设计。 ）集成控制器产生两路互补的 pwm 脉冲波形，通过调节这两路波形的宽度来控制 h 电路 中的 gtr 通断时间，便能够实现对电机速度的控制。为了获得良好的动、静态品质，调 节器采用 pi 调节器并对系统进行了校正。检测部分中，采用了霍尔片式电流检测装置对 电流环进行检测，转速还则是采用了测速电机进行检测，能达到比较理想的检测效果。 2.2.系统概述系统概述 9 2.1 系统构成 本系统主要有信号发生电路、pwm 速度控制电路、电机驱动电路等几部分组成。整 个系统上采用了转速、电流双闭环控制结构，如图 1 所示。在系统中设置两个调节器， 分别调节转速和电流，二者之间实行串级连接，即以转速调节器的输出作为电流调节器 的输入，再用电流调节器的输出作为 pwm 的控制电压。从闭环反馈结构上看，电流调节 环在里面，是内环，按典型型系统设计；转速调节环在外面，成为外环，按典型型系统 设计。为了获得良好的动、静态品质，调节器均采用 pi 调节器并对系统进行了校正。检 测部分中，采用了霍尔片式电流检测装置对电流环进行检测，转速还则是采用了测速电 机进行检测，达到了比较理想的检测效果。主电路部分采用了以 gtr 为可控开关元件、h 桥电路为功率放大电路所构成的电路结构。 pwm 方式是在大功率开关晶体管的基极上，加上脉冲宽度可调的方波电压，控制开关 管的导通时间 t，改变占空比，达到控制目的。图 1 是直流 pwm 系统原理框图。这是一个 双闭环系统，有电流环和速度环。核心部分是脉冲功率放大器和脉宽调制器。控制部分 采用 sg1525 集成控制器产生两路互补的 pwm 脉冲波形，通过调节这两路波形的宽度来控 制 h 电路中的 gtr 通断时间，便能够实现对电机速度的控制。 10 图 1 直流电动机 pwm 系统原理图 123456 a b c d 654321 d c b a title numberrevisionsize b date:24-sep-2010sheet of file:h:songmydesign1mydesign1.ddbdrawn by: ea- 1 ea+ 2 3 osc 4 ct 5 rt 6 ro 7 89 10 vo1 11 gnd 12 vcc 13 vo2 14 vcc1 15 vref 16 u1 sg1525 r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 r9 r10 q1 d1 d2 d3 d4 d5 c1 c2 c3 c4 1 2 vf 15v l1 res1 m meter tg meter 1 2 vo con2 c8 图 2 控制电路的原理图 图 2 为控制电路的原理图。图中，v 为大功率晶体管，c1、 r1 、vd1 为过电压吸收电 路。由 sg1525 集成 pwm 控制器产生的 pwm 信号，经驱动电路隔离放大后，驱动晶体管。 输出的 pwm 电压平均值按下式变化，其中的值由 sg1525 定频调宽法，即 t1+t2=t 保持一 定，使 t1 在 0t 范围内变化来调节。 11 ua=ud ud t t ud tt t1 21 1 系统的直流主回路电源 vd，经三相桥式不可控整流滤波电路供电。当被流电机的额 定功率较小时，vd 也可由单相桥式不可控整流滤波电路供电。系统 由主开关器件 v 的 pwm 斩波渡控制 ，在电感 l 左端形成主控回路的 pwm 脉宽可调控电压 ua ，ua 再经 lc 滤波得到直流电机两端的平直直流电压 va 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”。 2.2 直流电动机的脉宽调制的工作原理 直流无刷电机由电动机、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成。直流电源通过 开关线路向电动机定子绕组供电，电动机转子位置由位置传感器检测并提供信号去触发开 关线路中的功率开关元件使之导通或截止，从而控制电动机的转动。在应用实例中，磁极 旋转，电枢静止，电枢绕组里的电流换向借助于位置传感器和电子开关电路来实现。电机 的电枢绕组作成三相，转子由永磁材料制成，与转子轴相连的位置传感器采用霍尔传感器。 3600 范围内，两两相差 1200 安装，共安装三个。为了提高电机的特性，电机采用二相导通 星形三相六状态的工作方式。开关电路采用三相桥式接线方式。 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；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。 12 图 3 pwm 控制示意图 电压平均值 uas 可用下式表示： uas= tonus/t=us （1-1） 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）， 为占空比，= ton/t。 由式（1-1）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。 23 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 2 所示。图中，四只 gtr 分为两组，和为一组，和 1 vt 4 vt 2 vt 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 3 vt 的导通和关断。欲使电动机 m 向正方向转动，则要求控制电压为正，各三极管基极电 k u 压波形如图 3 所示。欲使电动机反转，则使控制电压为负即可。 k u 2 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。 13 图 4 双极式 h 型 pwm 变换电路 图 5 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 波形 (f) e 时波形 a i s u a i 14 设矩形波的周期为t，正向脉冲宽度为，并设 =/t 为占空比。则电枢电压 u 的 1 t 1 t 平均值=（2-1）=（2/t-1），并定义双极性双极式脉宽放大器的负载电压 av u s u 1 t s u 系数为 =/=2/t-1 av u s u 1 t 即 = av u s u 可见， 可在-1 到+1 之间变化。 双极式 pwm 变换器的优点：1、电流一定连续；2、可使电机在四象限中运行；3、电 动机停止时有微振电流，能消除正、反向时的静摩擦死区；4、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；5、低速平稳性好，低速范围可达 20000 左 右。 a).正向电动运行波形 15 b).反向电动运行波形 3 3单元电路设计单元电路设计 31 转速、电流双闭环调节电路 311 电路原理 在双闭环直流调速系统中设置了两个调节器，转速调节器的输出当作电流调节器的 输入，电流调节器的输出控制晶闸管整流器的触发装置。 电流调节器在里面称作内环， 转速调节器在外面称作外环，这样就形成转速、电流双闭环调速系统。双闭环直流调速 系统原理图如图 7 所示。检测部分中，采用了霍尔片式电流检测装置对电流环进行检测， 转速则是采用了测速电机进行检测。 为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调 节器都采用 pi 调节器。pi 调节器的输出由两部分组成，第一部分是比例部分，第二部 分是积分部分。把比例运算电路和积分电路组合起来就构成了比例积分调节器，如图 6 所示。可知 uo=-i1r1-uidt r0c1 1 i1=i0=ui/r0 u0=-r1ui/r0- r0c1/1uidt 当突加输入信号 ui 时，开始瞬间电容 c1 相当于短路，反馈回路中只有电阻 r1，此 时相当于比例调节器，它可以毫无延迟地起调节作用，故调节速度快；而后随着电容 c1 被充电而开始积分，u0 线性增长，直到稳态。 16 图 6 pi 调节器电路 转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速跟随其给定电压变化，稳态时实现 转速无静差，对负载变化起抗扰作用，其输出限幅值决定电机允许的最大电流。 电流调 节器使电流紧紧跟随其给定电压变化，对电网电压的波动起及时抗扰作用，在转速动态 过程中能够获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程， 当电机过载甚至堵转时， 限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正 常。 图 7 转速、电流调节电路图 asr 转速调节器 acr 电流调节器 gt 触发装置 17 m 直流电动机 tg 测速发电机 ta 电流互感器 upe-电力电子变换器 un*-转速给定电压 un-转速反馈电压 ui*-电流给定电压 ui-电流反馈电压 图中，来自速度给定电位器给定的信号 un*与速度反馈信号 un 比较后，偏差为un = un*-un，送到速度调节器 asr 的输入端。速度调节器的输出 ui*作为电流调节器 acr 的 给定信号，与电流反馈信号 ui 比较后，偏差为un= ui*-ui，送到电流调节器 acr 的输 入端，电流调节器的输出 uct 送到触发器，以控制可控整流器，整流器为电动机提供直 流电压 ud.。 3.2 pwm 驱动装置控制电路 pwm khz 图 6 为 pwm 驱动装置控制电路框图。该控制电路包括恒频波形发生器、脉宽调 制器、脉冲分配电路等脉宽调速系统所特有的电路。 图 8 pwm 驱动装置控制电路框图 321 恒频波形发生器 它的作用是产生频率恒定的振荡信号作为时间比较的基准，其波形可以是三角形波 或锯齿波。pwm 波由具有输出的 pwm 控制器产生。 3.2.2 脉宽调制器 sg1525 为单片脉宽调制型控制器芯片，具有输出 5.1v 的基准稳压电源，误差放大 器、振荡频率在 100 400khz 范围内的锯齿波振荡器、软启动电路、关闭电路、脉宽调 18 制比较器、rs 寄存器以及保护电路等。它解决了 pwm 电路的集成化问题，在实例中用此 芯片来实现系统的调速。在具体的电路中，首先对位置传感器信号进行整形，形成所需 要的前后沿很陡，具有一定宽度的波形。经微分电路微分，产生的微分脉冲去触发时基 电路 lm555，形成占空比为 2:1 的方波，方波频率约为 200hzo 此方波频率计算公式为:f= n * p/ 60 式中，y1 为电机的额定转速 r/min, f 为位置传感 器输出信号的频率、p 为电机的极对数。方 波 经 滤波器滤波后，形成直流电压送人脉 宽调制器，与脉宽调制器的反馈电压进行比较，利用得到的误差信号去控制脉宽调制器 输出的调制方波脉冲的宽度变化，即 pwm 输出脉冲占空比的变化，利用占空比的变化调 整加在电机电枢绕组上的电压，改变电压随即改变电机电流，转速依据电流的大小来改 变。 结束语：在应用实例中，pwm 对调速系统来说，有如下优点:系统的响应速度和稳定精度 等指标比较好;电枢电流的脉动量小，容易连续，而且可以不必外加滤波电抗也可以平稳 工作;系统的调速范围宽;使用元件少、线路简单。 它的作用是实现电压、脉宽的转换（v/m），即形成 pwm 信号。sg1525 集成控制器由 r2 和 rp1 分压给出 ea(+)(2 引脚 )的系统设定值电压。这就要求提供此电压的基准电 源 vref 有较高精度。 vref 受 15 引脚 vcc1 电源电压的影响。vcc1 是标准三端集成稳压 器的输入 电压。vref 是稳压器的输出电压 vcc。低于 7v 或严重欠电压时，vref 的精度 值(51v1% )就 得不到 保 证 ；为防止 ea(+)设定值电压波动导致 系统失控 ，在器 件内部设置有欠压锁定功能。出现欠电压时 ，欠电压锁定功能使图 7 中 a 端 线 由低 电 压 上 升 为 逻 辑 高 电压 经 “或 ”一“或 非”门输出转化为 p1= p2= =； =1；p1 和 p2 的逻辑低电压使输出驱动晶体管 t1dcbadcb1p12p 和 t2 截止，p1 和 p2 的逻辑高电压使晶体管 t 和 t 的集电极对地导通。控制器 11 和 l4 引脚的输出电压脉冲消失( v01=v02 = 0)，功率驱动 电路输出至主开关管 v 的控制 驱动脉冲消失，主开关管关断使直流电机停转。 欠电压使 a 端线高电压传递到 t3 晶体管基极，t3 导通为 8 引脚外接电容 c3，提供 放电的路径。c3 经 t3 发射极电阻放电为零电压后，限制了比较器 c 的 pwm 脉冲电压输 19 出 ，该脉冲电压上升为恒定的逻辑高电压 。pwm 高电压经 pwm 锁存器输出到 d 端线仍 为恒定的逻辑高压 ，c3 电容重 新充 电之 前，d 端线 的高 电压不会发生变化。d 与 a 同为高电压 双重封锁 v01 和 v02 为零出。欠电压消失后，欠电压锁定功能使 a 恢复 低电压正常值，a 的低电压使管恢复截止。c3 电容由 50a 电流源缓慢充电。c3 充电对 pwm 和 d 端线脉冲宽度产生影响。同时对 v01 和 v02 产生影响 ，其结果是使 v01 和 v02 脉冲由窄缓慢变宽。只有 c3 充电结束后 v01 和 v02 脉冲宽度才不再受 c3 充电的影响。 参见图 8 和图 9。 图 9 sg1525 集成 pwm 控制器的内部结构图 由于 v01 和 v02 脉冲宽度受 c3 充电影响缓慢加宽，欠电压消失后的功率驱动脉冲也 是由窄变宽的 ，主开关管斩波输出的直流电压 va 呈现出由小变大的趋势，而不是跃变 为某一固定值电压 。这种软启动方式 ，使系统主回路电机及开关器件避免承受过大的 冲击渲涌电流。c3 一般选用几微法的电解电容器. 3.2.3 系统的故障关闭功能 为便于从直流电机主回路接受检测到的故障信号，例如，电机过电流 ，过电压，vd 直流失压等故障信号 ，集成控制器内部 t3 晶体管基极经-50k13 电阻连接 1 引脚。外部 故障信号使 va 稳压管导通时，稳压管导通电流在 r6 两端产生逻辑高电压 ，此逻辑高电 20 压使 t3 管基极上升为逻辑高电压。由于 t3 基极与 a 端线相连，故障信号产生的关闭过 程与欠 电压锁定过程类似。即使 p1 =p2=0，t1 和 t2 晶体管截止 ； =1， 和p12p 1 t 导通。v01 =v02 =0；关闭驱动脉冲使主开关管 v 关断，va =0，电机停转。 2 t 另外，故障信号使，导通提供 8 引脚脚 c3 电容的放电路径 ，c3 放电到零电压 为软启动作好准备。故障消除后 t3 截止,c3 由电流源缓慢充电，v01 和 v02 脉冲由窄变 宽 ，由低值逐渐升高到某固定值，电机在不承 受过大启动电流的状态下平稳上升到 某固定转速。 3.2.4 系统波形与控制方式分析 系统控制器输出的控制脉冲电压 v01 和 v02 (11 和 14 脚)的上跳时间，由一个锯齿 波电压 v+的谷点时刻确定。即 v01 和 v02 总是在锯齿渡电压 v+取最小值 时，由逻辑低 电平上跳为逻辑高电平(图 3)。为保证 v01 和 v02 不同时出现逻辑高电压 (每间隔一个锯 齿波出现一次)，vo1和 vo2的频率设置为锯齿波电压频率的二分之一。图 2 中，ff 触发 器在 cp 脉冲控帝葺下输出 q 和两个二分频计数脉冲分别至不同或一或非门口 b 输入端，q 即可达到上述频率设置的目地。cp 脉冲出现的时刻与锯齿波峰点对齐， cp 后沿下跳时 刻与谷点对齐，这样可保证 cp 与锯齿渡的同步同频率变化。cp 与锯齿波 v+的 同步同频 率设置功能 ，由 osc 振荡器完成。cp 实际是由双门限比较器将锯齿波电压整形后的。 osc 输出波形参见图 3。 vo1和 vo2脉冲的后沿下跳时刻由锯齿渡 v+ 的上升沿区间和 v 一电压的交点确定， 当 v +上升到 v+v-的临界对应时刻时，vo1或 vo2脉冲由逻辑高电平跳变为逻辑低电平。 误差放大器 ea 的输出电压 v-，可由 2 引脚设定电位器 rp1 调节。调节 rp1 使 v-等于 v+ 的谷点电压时 ，vo1和 vo2的脉宽缩减为零，vo1= vo2=0；调节 rp1 使 v-等于 v+的蜂点 21 电压时 ，vo1和 vo2的脉宽达到最大值。由于 v-电压由 v+的谷点到峰点电压调节时，和 v +交点在锯齿波上升沿移动所对应的时间为t1，vo1 和 vo2 的最大脉冲宽度也为t1。 v+ 与 v-的交点比较功能由 c 比较器(图 2)完成，当 v+v-时，c 比较器输出的 pwm 渡形由逻辑低电平变为高电平；v+v-时(v+下降沿交点)，c 比较器输出 pwm 波由逻辑高 电平变为低电平，为保证 pwm 波宽不致于太窄，用 pwm 锁存器锁存高电平值，并在 cp 脉冲下跳时对锁存器清零。以 进行下一个比较点的锁存。经 pwm 锁存器输出到“或”一“或 非”门 c 输入端的脉冲最小宽度与 cp 同宽。集成控制器与系统工作波形图见围 3。系统 的自动调节过程分析如 下 ： 图 10 sg1525 各点波形与 pwm 斩波调压波形 调节电位器 rp1 使误差放大器输出一固定的 v-电压在 v+的谷点和 v-与 v+交点对应 的区间内有固定的 vo1 +vo2脉冲(11 和 14 脚并接获 vo1 +vo2)输出到功率驱动电路，主开 关管 v 以某固定脉宽斩波输出 ua，滤波输由 rp1 调节确定的直流电压 va 值到直流电机， 电机保持其稳定转速运行。当电机因某种扰动固察使转速发生变化时，例如，负载变化 使转速下降，则由系统检测反馈的 vf电压值跟随下降 ，vf经 r3 及串联二极管(此二极 22 管可防止调试系统时 正负极接反形成正反馈)使误差放大器 ea(-)反相输入端电位下降， 误差电压e=ea(+)-ea(-)增大(方向由 ea(+)指向 ea(-)，误差放大器对e 的比例积分 运算(ea 误差放大器的输出 9 引脚和反相输入引脚间接有 r4、c2构成的比例积分反馈网 络)输出电压 v-值上升，v-的上升使 v +v-的交 点时刻(锯齿披上升沿交点)后移。vo1 +vo2和 u。脉冲宽度均变宽，ua 的滤波平均值电压 va 按比例积分规律增大, va 增大使电 机转速回升，当电机转速回升到 rp1 设定值 ea(+)所对应的稳定状态时，e 调节为零， v-停止比例积分变化，系统进入新和稳态运行。 3.2.5 脉冲分配电路 在可逆 pwm 变换器中，上、下两个晶体管经常交替工作，如图 10 所示。由于晶体管 存在关断时间，因此有可能能造成在一个晶体管未完全关断时，另一个晶体管已导通， 从而使电源短路。为了避免这种情况发生，根据功率转换电路的工作要求，设置了大功 率晶体管的导通次序，即脉冲分配电路，使大；功率晶体管能按照指定的顺序导通。 在图 11 中，晶体管 v1、v4 是同时关断的，v2、v3 也是同时导通同时关断的，但 v1 与 v2、v3 与 v4 都不允许同时导通，否则电源 ud 直通短路。设 v1、v4 先同时导通 t1 秒 后同时关断，间隔一定时间之后，再使 v2、v3 同时导通 t2 秒后同时关断，如此反复， 则电动机电枢端电压波形如图 11（b）所示。 图 11 脉冲分配电路 电动机电枢端电压的平均值为 23 ua=（2-1）udud t t ud tt tt ) 1 1 2( 21 21 由于 01，ua 值的范围是-udud，因而电动机可以在正反两个方向调速运转。 3.2.6 基极驱动电路 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 bjt 功率晶体管的驱动电路。 图 2 是驱动 bjt 功率晶体管的一种用的双 电源光电耦合驱动电路，其工作原理如下。 vo1 +vo2为逻辑低电平时，t4晶体管止集电极输出高电平至 t3基极，稳压管 w 与 t3均导通 ，使集电极为低电平。一般可设计 t3集电极低电平为负值，例如，设计 vca=vw+vcesa-vcc=2.6v，受 vc3负位制约；bjt 基极 电位(a 点)为 vc3+veb2=-2v(此时 t1 管 vbe1-veb2=o6v 反偏电压截止)。bjt 发射极连于电容 c 的联交点 b，可获得直流 悬浮零电位 vb (vccvc)=0( vc=2vcc)。该直流悬浮零电位使 bjt 基极发射极间 cc c 有 2v 的反向偏置电压，以保证 bjt 的可靠关断。因 bjt 发极与电感 l 相连，电容 c 还 有效隔断驱动路和 l 强电电路的直流电联系。 vo1 +vo2为高电平时，t4导通 ，t3和稳压管关断，vcc 经 r3和 t1管基极 、发射极 向 bjt 提供基极开通电流，t2管承受 vbe1=-veb2反压截止。r1 限制 bjt 导通基流的大小。 r2在 bjt 关断瞬间，限制电容 c 经 bjt 发射极、基极，t2发射极、集电极，负电源回路 的反向恢复电流峰值。 调试图 2 中的 r5，可改变 vo1 +vo2脉冲的幅值 ，以适应输入光电耦合电路的参 敬 定额要求 。图 12 电路的适应性较强 也可用于 igbt 绝缘栅双极晶体管的功率驱动电 路 。 24 图 12 基极驱动电路 33、相关数据分析 该系统调速精度与调速范围要求不高。本系统采用三相 (1)ct,rt，rd 的选取 sg1525 集成控制器可输出 01400khz 的脉冲频率 ，对应 ct= 00010.1 f，rt=2 150k取值 。一般对于 bjt 和 gto 器件可取 f=1khz 以下，igbt