直流电机PWM调速电路驱动与保护部分

班级 电气 1106 姓名 谷丽丽 学号 04 课题 直流电机 PWM 调试电路 1 前言前言 上个世纪 50 年代 美国通用电气公司发明的硅晶闸管的问世 标志着电 力电子技术的开端 此后 晶闸管 SCR 的派生器件越来越多 到了 70 年代 已经派生了快速晶闸管 逆导晶闸管 双向晶闸管 不对称晶闸管等半控型器 件 功率越来越大 性能日益完善 但是由于晶闸管本身工作频率较低 一般 低于 400Hz 大大限制了它的应用 此外 关断这些器件 需要强迫换相电路 使得整体重量和体积增大 效率和可靠性降低 目前 国内生产的电力电子器 件仍以晶闸管为主 随着关键技术的突破以及需求的发展 早期的小功率 低频 半控型器件 发展到了现在的超大功率 高频 全控型器件 由于全控型器件可以控制开通 和关断 大大提高了开关控制的灵活性 自 70 年代后期以来 可关断晶闸管 GTO 电力晶体管 GTR 或 BJT 及其模块相继实用化 此后各种高频全控型器 件不断问世 并得到迅速发展 这些器件主要有电力场控晶体管 即功率 MOSFET 绝缘栅极双极晶体管 IGT 或 IGBT 静电感应晶体管 SIT 和静电感 应晶闸管 SITH 等 与此同时 脉冲宽度调制 PWM 技术与开关功率电路成为 功率应用中的主流技术 长期以来 直流电机以其良好的线性特性 优异的控 制性能 低成本等特点成为大多是变速运动控制系统和闭环位置伺服系统的最 佳选择 因此 基于 PWM Pulse Width Modulation 的直流电机调速技术在 现代电气传动系统中被广泛运用 电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 而 驱动电路则是调速电路的重要组成部分 其处在主电路和控制电路之间 将控 制电路的信号进行放大 保护电路以及检测电路是对电机速度精确控制的前提 本次课程设计是对直流电机调速驱动电路进行设计 下面是驱动电路设计的具 体过程 一 设计目的 1 培养理论联系实际的正确设计思想 训练综合运用已经学过的理论和生 班级 电气 1106 姓名 谷丽丽 学号 04 课题 直流电机 PWM 调试电路 2 产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力 2 学习较复杂的电子系统设计的一般方法 了解和掌握模拟 数字电路等 知识解决电子信息方面常见实际问题的能力 由学生自行设计 自行制作和自 行调试 3 进行基本技术技能训练 如基本仪器仪表的使用 常用元器件的识别 测量 熟练运用的能力 掌握设计资料 手册 标准和规范以及使用仿真软件 实验设备进行调试和数据处理等 4 培养学生的创新能力 二 设计要求 二 设计要求 1 设计电机驱动主回路 实现直流电机的正反向驱动 2 设计 PWM 驱动信号发生电路 3 设计电机转速显示电路 4 设计点击转速调节电路 可以按键或电位器调节电机转速 5 安装调试 三 总体设计 三 总体设计 脉宽调制的全称为 Pulse Width Modulator 简称 PWM 由于它的特殊性 能 常被用于直流负载回路中 灯具调光或直流电动机调速 HW 1020 型调速 器 就是利用脉宽调制 PWM 原理制作的马达调速器 PWM 调速器已经在 工业 直流电机调速 工业传送带调速 灯光照明调解 计算机电源散热 直流电扇 等 得到广泛应用 3 13 1 直流电机基本工作原理 直流电机基本工作原理 我们已经知道通电导体在磁场中会受到电磁力的作用 电磁力定律 电动 机就是应用这个定律工作的 图 3 1 1 是直流电动机的原理图 班级 电气 1106 姓名 谷丽丽 学号 04 课题 直流电机 PWM 调试电路 3 图3 1 1 直流电机原理图 电枢绕组通过电刷接到直流电源上 绕组的旋转轴与机械负载相联 电流 从电刷 A 流入电枢绕组 从电刷 B 流出 电枢电流 Ia 与磁场相互作用产生电 磁力 F 其方向可用左手定则判定 这一对电磁力所形成的电磁转矩 T 使电动 机电枢逆时针方向旋转 如上图 a 所示 当电枢转到上图 b 所示位置时 由于换向器的作用 电源电流 Ia 仍由电刷 A 流入绕组 由电刷 B 流出 电磁力和电磁转矩的方向仍然使电动机电枢逆时 针方向旋转 电枢转动时 割切磁力线而产生感应电动势 这个电动势 用右手定则判定 的 方向与电枢电流 Ia 和外加电压 U 的方向总是相反的 称为反电动势 Ea 它与 发电机的电动势 E 的作用不同 发电机的电动势是电源电动势 在外电路产生 电流 而 Ea 是反电动势 电源只有克服这个反电动势才能向电动机输入电流 可见 电动机向负载输出机械功率的同时 电源却向电动机输入电功率 电动机起着将电能转换为机械能的作用 发电机和电动机两者的电磁转矩 T 的作用是不同的 发电机的电磁转矩是 阻转矩 它与原动机的驱动转矩 T1的方向是相反的 电动机的电磁转矩是驱动 转矩 它使电枢转动 电动机的电磁转矩 T 必须与机械负载转矩 T2及空载损耗 转矩 T0相平衡 即 T T2十 T0 当电动机轴上的机械负载发生变化时 则电动 机的转速 反电动势 电流及电磁转矩将自动进行调整 以适应负载的变化 保持新的平衡 可见 直流电机作发电机运行和作电动机运行时 虽然都产生 班级 电气 1106 姓名 谷丽丽 学号 04 课题 直流电机 PWM 调试电路 4 电动势和电磁转矩 但两者作用截然相反 3 23 2 脉冲宽度调制 脉冲宽度调制 上述电路中 运算放大器 U1A 和 U1B 两级产生三角波 U1C 为跟随器 起 隔离作用 U1B 输出的三角波与从电位器 RP 得到的直流电压相加后输入到 U1D 的反相端 U1D 作为脉冲宽度调制电路 其输出一定占空比的矩形脉冲 其占 空比与反相端输入信号的瞬时采样值成比例 然后控制三极管 Q1 的导通时间 使其输出电流随输入电压的平均值大小而变化 进而控制电机的旋转速度 调 节电位器可调节占空比的大小 即可调节电机的转速 3 33 3 电机转动 电机转动 霍尔传感器原理 霍尔传感器是一种磁传感器 用它可以检测磁场及其变 化 可在各种与磁场有关的场合中使用 霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础 是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器 霍尔传感器在工业生产 交 通运输和日常生活中有着非常广泛的应用 图 3 3 1 班级 电气 1106 姓名 谷丽丽 学号 04 课题 直流电机 PWM 调试电路 5 霍尔传感器也称为霍尔集成电路 其外形较小 如图 3 3 1 所示 是其中一种型号的 外形图 3 43 4 显示器 显示器 十进制可逆计数器 74LS192 引脚图管脚 74LS192 是同步十进制可逆计数器 它具有双时钟输入 并具有清除和置 数等功能 其引脚排列及逻辑符号如下所示 图 3 4 1 74LS192 的引脚排列及逻辑符号 a 引脚排列 b 逻辑符号 图中 为置数端 为加计数端 为减计数端 为非同步进位输 出端 为非同步借位输出端 P0 P1 P2 P3 为计数器输入端 为清 除端 Q0 Q1 Q2 Q3 为数据输出端 四 单元电路设计 四 单元电路设计 器材列表 9013 三极管 6 个 二极管 IN4007 6 个 10K 电阻 4 个 20K 电阻 2 个 电 路板一块 导线若干 驱动电路图如下 班级 电气 1106 姓名 谷丽丽 学号 04 课题 直流电机 PWM 调试电路 6 4 1 PWM 控制调速原理控制调速原理 直流电机PWM调速的基本原理图如图4 1 1 可控开关S以固定的周期重复地 接通和断开 当开关S接通时 直流供电电源U通过开关S施加到直流电机两端 电机在电源作用下转动 同时电机电枢电感储存能量 当开关S断开时 供电电 源停止向电动机提供能量 但此时电枢电感所储存的能量将通过续流二极管VD 使电机电枢电流继续维持 电枢电流仍然产生电磁转矩使得电机继续旋转 开 关S重复动作时 在电机电枢两端就形成了一系列的电压脉冲波形 如图4 1 2 所示 电枢电压平均值 Uav 的理论计算式为 U T ton UUav 1 其中 为占空比 即导通时间与脉冲周期之比 由式 1 可知 平均电压由占空比及电源电压决定 保持开关频率恒定 改变占空比能够相应地改变平均电压 从而实现了直流电动机的调压调速 班级 电气 1106 姓名 谷丽丽 学号 04 课题 直流电机 PWM 调试电路 7 图 4 1 1 简单直流 PWM 控制电路 图 4 1 2 电压及电流波形 注 PWM 直流电机调速的关键是调整占空比来调节平均电压从而达到调节 转速的目的 4 24 2 H H 桥驱动电路桥驱动电路 H 型全桥式驱动电路的 4 只开关管都工作在斩波状态 S1 S2 为一组 S3 S4 为一组 这两组状态互补 当一组导通时 另一组必须关断 当 S1 S2 导通时 S3 S4 关断 电机两端加正向电压实现电机的正转或正转制动 当 S3 S4 导通时 S1 S2 关断 电机两端为反向电压 电机反转或反转制动 实际控制中 需要不断地使电机在四个象限之间切换 即在正转和反转之 间切换 也就是在 S1 S2 导通且 S3 S4 关断到 S1 S2 关断且 S3 S4 导通这 两种状态间转换 这种情况理论上要求两组控制信号完全互补 为了避免直通短路且保证各个开关管动作的协同性和同步性 两组控制信 号理论上要求互为倒相 因此我们在实际操作中采取的是运用反相器来实现它 们的倒相 图 2 中 4 只开关管为续流二极管 可为线圈绕组提供续流回路 当电机正 常运行时 驱动电流通过主开关管流过电机 当电机处于制动状态时 电机工 作在发电状态 转子电流必须通过续流二极管流通 否则电机就会发热 严重 时甚至烧毁 班级 电气 1106 姓名 谷丽丽 学号 04 课题 直流电机 PWM 调试电路 8 电路得名于 H 桥驱动电路 是因为它的形状酷似字母 H 4 个三极管组成 H 的 4 条垂直腿 而电机就是 H 中的横杠 注意 图 4 2 3 和图 4 2 4 的图都 只是示意图 而不是完整的电路图 如图 4 2 3 所示 H 桥式电机驱动电路包括 4 个三极管和一个电机 要使电机 运转 必须导通对角线上的一对三极管 根据不同三极管对的导通情况 电流 可能会从左至右或从右至左流过电机 从而控制电机的转向 图 4 2 3 H 桥驱动电路 要使电机运转 必须使对角线上的一对三极管导通 例如 如图 4 所示 当 Q1 管和 Q4 管导通时 电流就从电源正极经 Q1 从 左至右穿过电机 然后再经 Q4 回到电源负极 按图中电流箭头所示 该流向 的电流将驱动电机顺时针转动 当三极管 Q1 和 Q4 导通时 电流将从左至右流 过电机 从而驱动电机按特定方向 转动 电机周围的箭头指示为顺时针方向 班级 电气 1106 姓名 谷丽丽 学号 04 课题 直流电机 PWM 调试电路 9 图 4 2 4 H 桥电路驱动电机顺时针转动 图 4 2 5 所示为另一对三极管 Q2 和 Q3 导通的情况 电流将从右至左流过 电机 当三极管 Q2 和 Q3 导通时 电流将从右至左流过电机 从而驱动电机沿 另一方向转动 电机周围的箭头表示为逆时针方向 图 4 2 5 H 桥驱动电机逆时针转动 4 34 3 H H 桥驱动使能控制及方向逻辑桥驱动使能控制及方向逻辑 驱动电机时 保证 H 桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要 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 此时 电路中除了三极管外没有其他任何负载 因此电路上的电流就可能达到 最大值 该电流仅受电源性能限制 甚至烧坏三极管 基于上述原因 在实际 驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关 注 三极管和电阻 二极管组成的电路驱动 实现对直流电机可调速正反 转驱动 四个二极管起保护三极管的作用 防止感性元件 电机 产生的负感应 班级 电气 1106 姓名 谷丽丽 学号 04 课题 直流电机 PWM 调试电路 10 电动势对三极管的冲击 4 44 4 性能指标 性能指标 对于 PWM 调速的直流电机驱动电路 主要考虑以下性能指标 1 输出电流和电压范围 它决定着电路能驱动多大功率的电机 2 效率 高的效率不仅意味着节省电源 也会减少驱动电路的发热 要提 高电路的效率 可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通 H 桥电路 可能出现的一个问题 即两个功率器件同时导通使电源短路 入手 3 对控制输入端的影响 功率电路对其输入端应有良好的信号隔离 防止 有高电压大电流进入主控电路 这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔 离 4 对电源的影响 共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污 染 大电流可能导致地线电位浮动 5 可靠性 电机驱动电路应该尽可能做到 无论加上何种控制信号 何种 无源负载 电路都是安全的 五 调试 五 调试 用数字信号发生器输出一个可用的矩形波 连接到线路板的一个输入端 另一个输入端连接到 CD4069 反相器上 有两个接头接到电源 12V 和地端 剩 下的两个接头分别接到万用表的两端 观察电压值的变化 六 电路测试及测试结果 六 电路测试及测试结果 通过万用表的测量 观察到当改变输入波形的占空比时 输出电压在变化 即改变了电机的转速 通过交换接到万用表两端的接头 可以改变电压值的正 负 即实现了电机的正转反转 七 设计总结 七 设计总结 本次课程设计主要是对调速器驱动电路设计 同时 由于自己的能力水平 有限 设计中仍有不少错误的地方或有更优化的方案 通过本次设计 我细化的了解了直流电机调速驱动电路的知识 掌握了 H 桥驱动电路双向调速的原理 我对本专业的认识更加深刻了 同时加强了对专 班级 电气 1106 姓名 谷丽丽 学号 04 课题 直流电机 PWM 调试电路 11 业知识的掌握 提高了运用能力 积累了一些相关的设计经验 从本次设计基 本满足了设