WM原理、电机控制器件及DSP生成PWM编程.pptx

PWM原理、电机控制器件,3.1 PWM概述,脉冲宽度调制（PWM）是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。 根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶 体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。,PWM的优点,1.从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。 2.对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。 总之，PWM既经济、节约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。,采样控制理论中有一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同. 对半导体开关器件的导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率.,分别将如图所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节（R-L电路）上，其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形状也略有不同，但下降段则几乎完全相同,SPWM波形脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形,用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等，宽度按正弦规律变化。,要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。 PWM电流波： 电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波。,三种不同的PWM信号: a是一个占空比为10%的PWM输出; b是一个占空比为50%的PWM输出; c是一个占空比为90%的PWM输出; 。,PWM相关概念,占空比：就是输出的PWM中，高电平保持的时间 与 该PWM的时钟周期的时间 之比； 分辨率：占空比最小能达到多少，如8位的PWM，理论的分辨率就是1：255(单斜率)， 16位的的PWM理论就是1：65535(单斜率) 频率 双斜率 / 单斜率（连续增计数，连续增/减计数模式）,PWM应用,电力电子 通信 电机控制,电力电子应用,直流斩波电路：直流PWM电路； 交流变流电路：斩控式交流调压电路 矩阵式变频电路 整流电路：PWM整流电路；,PWM在电机控制中的应用,采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成极性可变、大小可调的直流电压，用以实现直流电动机电枢端电压的平滑调节，构成直流脉宽调速系统。,PWM在电机控制中的应用,PWM是控制信号：频率、脉宽携带控制信息 DSP中PWM信号的产生 驱动电路中PWM信号的放大,PWM驱动装置是利用大功率晶体管的开关特性来调制固定的直流电源，按一个固定的频率来接通和断开电枢电源，并改变电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速，所以这种装置又称为开关驱动装置。,电机换向方法与相关电路设计,继电器控制开关，手动改变连线换向,H桥电机换向,M,+,+,注意：千万不能将同一侧的两个电路同时接通，否则会在电源和地之间形成短路。比如A和C或者B和D同时为1.,三极管H桥电路,如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极,短路电流将烧毁三极管。,存在的问题及解决办法,为了以避免马达的反电动势的危害，需要在晶体管两端接二极管，因为马达线圈在电路开闭瞬间产生的反向电动势通过会高过电源,改进的H桥电路,4个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。 2个非门通过提供一种方向输入，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。 （与前面的示意图一样，图示不是一个完整的电路图，特别是图中与门和三极管直接连接是不能正常工作的。）,使能控制和方向逻辑,三个信号控制：两个方向信号和一个使能信号。 如果DIRL信号为0，DIRR信号为1，并且使能信号是1，那么三极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机； 如果DIRL信号变为1，而DIRR信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流则反向流过电机。,驱动电子元件与集成电路,晶闸管,四层PNPN结构、三端引出线(A、K、G)的器件。常见的外形有两种：螺栓型和平板型。,晶闸管导通条件,（1）晶闸管主电路加正向电压。 （2）晶闸管控制电路加合适的正向电压。,电力晶体管（GTR）,电力晶体管也称巨型晶体管（GTRGiant Transistor），是一种双极型、大功率、高反压晶体管，属于电流控制型自关断器件； GTR可通过基极电流信号方便地对集电极-发射极的通断进行控制，并具有饱和压降低、开关性能好、电流较大、耐压高等优点。GTR已实现了大功率、模块化、廉价化。,电力晶体管（GTR）,普通晶体管，所被注重的特性参数为电流放大倍数、线性度、频率响应、噪声、温漂等；而对于大功率晶体管，重要参数是击穿电压、最大允许功耗、开关速度等。为了承受高压大电流、大功率晶体管不仅尺寸要随容量的增加而加大，其内部结构、外形也需作相应的变化。,功率晶体管的结构,三个电极，分别为B(基极)、C(集电极)、E(发射极)；,GTR的动态（开关）特性,晶体管有线性和开关两种工作方式。当只需要导通和关断作用时采用开关工作方式。GTR主要应用于开关工作方式。 在开关工作方式下，用一定的正向基极电流IB1去驱动GTR 导通，而用另一反向基极电流IB2迫使GTR关断，由于GTR 不是理想开关，故在开关过程中总存在着一定的延时和存储时间。,MOSFET管,功率场效应晶体管，简称P-MOSFET。特点是：属电压全控型器件、控制极静态内阻极高、驱动功率很小、工作频率高、热稳定性优良、无二次击穿、安全工作区宽和跨导线性度高等。但P-MOSFET的电流容量小、耐压低、功率不易做得过大。常用于中小功率开关电路中。,Mosfet（金属氧化物半导体场效应晶体管），导通电阻远比普通三极管低，允许流过更大的电流。而且MOS管都内置有反向二极管来保护管子本身。所以采用MOS管连接H桥不但效率可以提高，电路也可以简化。,使用MOS管搭建H桥，高位电路要用P沟道管；低位要用N沟道管。,对栅极驱动电路的要求,触发脉冲必须具有足够快的上升和下降速度，脉冲前后沿要陡峭 开通时，以低电阻对栅极电容充电，关断时为栅极电荷提供低电阻放电回路 为了使MOSFET可靠触发导通，驱动电压应高于器件的开启电压，截止时最好提供负的栅-源电压 驱动电流为栅极电容的充放电电流要大,IGBT,绝缘栅双极型晶体管，简称IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)。IGBT是绝缘栅双极型晶体管，由P-MOSFET与GTR（大功率晶体管）双极晶体管混合组成的电压控制的双极型自关断器件。 既具有P-MOSFET输入阻抗高、开关速度快、工作频率高、热稳定性好、无二次击穿和驱动电路简单的长处，又有GTR通态压降低、耐压高和承受电流大的优点。,以GTR为主导元件，P-MOSFET为驱动元件的达林顿结构的复合器件。其结构、电路符号、等效电路如下图示。外部有三个电极(G门极、C集电极、E发射极)。,电机驱动集成电路,实际使用的时候，用分立件制作H桥式很麻烦，现在市面上有很多封装好的H桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就可以使用了，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。,L293D,L293内置两个H桥，每个桥提供1A的额定工作电流，和最大2A的峰值电流。,美国德州仪器（Texas Instruments）生产的微型电机驱动集成电路芯片，支持Vcc 4.536V，最大输出电流为1A。由于其驱动能力有限，多应用于小型机器。 L293D： EN A（B） IN1（IN3）IN2（IN4） 电机 H H L 正转 H L H 反转 H 同IN2（IN4） 同IN1（IN3） 快速停止 L X X 停止,L298N,L298N内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，其输出电流为2A，最高电流4A，最高工作电压50V 输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时，可以直接控制两路电机，并可以实现电机正转与反转，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。,实物图,管脚图,L298N内部的原理图,L298有两路电源分别为逻辑电源和动力电源，5V为逻辑电源，12V为动力电源。J4接入逻辑电源，J6接入动力电源，J1与J2分别为单片机控制两个电机的输入端，J3与J5分别与两个电极的正负极相连。,使用一片L298加上1000微法电容和二极管。制作一个便携式的两路马达驱动电路，提供微处理器控制接口。 L298的1、2端控制马达A的开关、正反，enable A 控制脉宽；3、4端和enable B控制马达B。,LMD18200,LMD18200是美国国家半导体公司(NS)推出的专用于直流电动机驱动的H桥组件。芯片上集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件，可以与主处理器、电机和增量型编码器构成一个完整的运动控制系统。LMD18200内部集成了四个DMOS管，组成一个标准的H型驱动桥，工作电流23A，峰值电流6A 。,主要性能,峰值输出电流6A，连续输出电流3A； 工作电压最高55V； TTL/CMOS兼容电平的输入； 具有温度报警和过热与短路保护功能 芯片结温达145，结温达170时，芯片关断； 具有良好的抗干扰性。,外形结构和引脚,内部结构,LMD18200逻辑真值表,LMD18200典型应用,该应用电路是Motorola 68332CPU与LMD18200接口例子，它们组成了一个单极性驱动直流电机的闭环控制电路。在这个电路中，PWM控制信号是通过引脚5输入的，而转向信号则通过引脚3输入。根据PWM控制信号的