电力电子技术课程设计

目录 目录 2 第一章 绪论 3 第二章 系统设计方案 4 1 方案设计 4 2 工作原理 4 3 主电路 4 第三章 元器件介绍 6 SG2731 结构及原理 6 SG2731 引脚的排列 名称 功能和用法 7 三极管 A940 9 第四章 安装与调试 10 调试 10 性能测试与分析 11 第五章 结论与心得 13 第六章 参考文献 13 第一章 绪论第一章 绪论 脉冲宽度调制 PWM 是英文 Pulse Width Modulation 的缩写 简称脉宽调制 它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术 广泛应 用于测量 通信 功率控制与变换等许多领域 一种模拟控制方式 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 脉冲宽度调制 PWM 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法 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 多数负载 无论是电感性负载还是电容性负载 需要的调制频率高于 10Hz 通常调 制频率为 1kHz 到 200kHz 之间 PWM 的一个优点是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 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 PWM 调速控制的基本原理是按一个固定频率来接通和断开电源 并根据需要改变 一个周期内接通和断开的时间比 占空比 来改变直流电机电枢上电压的 占空比 从而 改变平均电压 控制电机的转速 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 即可控制电机转速 而且采用 PWM 技术构成的无级调速系统 启停时对直流系统无冲击 并且具有启动 功耗小 运行稳定的特点 第二章 系统设计方案 1 方案设计方案设计 选用芯片 SG2731 直流电动机 PWM 控制单片集成电路 SG2731 以输入误差信 号幅值和极性控制输出两路脉冲调节信号控制 H 桥输出 控制 H 桥输出 H 桥的输出连 接到电机上 电机驱动电压能在较大的范围内进行调整 可实现直流电动机的 4 象限控制 可用 于精确位置伺服控制和速度控制 可以通过外部电路实现过流保护 SG2731 应用电路简单 控制方便 系统成本低 可广泛适用于有 无位置反馈直 流电机驱动系统中 2 工作原理工作原理 本系统设计方案是通过改变电机给定电压大小来进行直流电机调速 即调压调速 输出电压由芯片 SG2731 中的 PWM 调制器控制外部 H 桥电路通断改变电压 PWM 信号输出管脚为 12 13 管脚 12 13 接到 H 桥上控制功率管开关电路 由 H 桥上的输出电压提供电机电压 电机转速由 H 桥输出的平均电压决定 输出电压调节是通过 SG2731 管脚 3 控制 PWM 宽度 通过改变管脚 3 上的电压即 可改变 PWM 宽度 管脚 3 上的电压可以由可调电阻来调节 3 主电路主电路 第三章 元器件介绍 SG2731 结构及原理结构及原理 SG2731 是一种高性能直流电机驱动芯片 内部有二角波发生器 误差电压放大器 脉宽调制器 PWM 补偿电路 H 桥驱动电路和瞬间保护电路等 如图 3 所示 二角 波发生器由两个电压比较器 一个 RS 触发器 一个双向 5OOuA 恒流源和外接定时器 电容组成 正基准电压 V 和负基准电压 V 由外部从 2 和 7 引脚接入 决定了三角 波的幅值电压 在正常情况下 正负基准电压相等 三角波形对称 由于决定三角波 斜率的定时电容充电和放电是以 5OOuA 恒流源进行的 所以三角波的两个斜坡完全对 称 从而得到三角波的振荡周期计算公式 T osc 2C dV 0 0005 2C V V 0 0005 图 3 误差放大器 它是一个有内补偿的低输出阻抗运算放大器 其输入和输出端由引脚 引出 在应用中可以根据需要采用反馈补偿技术 以控制闭环系统的增益特性 PWM 调制器 从 RS 触发器输出的三角波信号与误差放大器输出的误差电压相加 衰减 1 2 在两个比较器与门槛电压 VT和 VT进行比较 从而得到两路 PWM 信号 控制两个半桥的输出 OUTPUTA 13 引脚 和输出 OUTPUTB 12 引脚 门槛电压从 1 和 8 脚输入 脉宽调制可分为有死区和无死区 2 种工作方式 这两种工作方式的选择是通过 VT 和 V 的比较来决定的 当 VT V 时为有死区的工作方式 当误差电压为零时 三 角波与门槛电压没有交叉 输出 A 和 B 保持低电平 当误差电压足够大时 三角波向 上平移与门槛电压周期性相交 输出 OUTPUT A 有 PWM 输出 此脉冲占空比与误差 电压成正比关系 直到 100 占空比 同样在负误差电压下 输出 OUTPUT B 被调制 如图 4 所示 如果为无死区工作方式 输出 OUTPUT A 和输出 OUTPUT B 出现两 列相互差为 180 的激励脉冲 有利于消除系统的机械死区 图 4 两路输出驱动级为推挽结构半桥驱动 输出和吸入电流为 100m A 最大值为 200m A 4 个二极管起续流的作用 采用非饱和 准补偿技术 输入级为高压施密特触发器 电路 正反馈加速了开关时间 SG2731 引脚的排列 名称 功能和用法引脚的排列 名称 功能和用法 SG2731 采用标准双列直插式 16 引脚 DIP 16 大规模集成电路封装 它的引脚排列 如下图所示 引脚简单介绍 引脚 1 VT 和引脚 8 VT PWM 脉冲控制电源电压输入端 实际应用中 可 通过一个电阻分别接到 VS和 VS 应注意的是 VT和 VT的电平绝对值应保证低于 2 V 和 2V 的电平 引脚 2 2 V 和引脚 7 2V 未衰减前 三角波最大峰峰值控制电压输入 端 为使 SG2731 线性工作 应保证 2 V 与 2V 之间的电位差小于或等于 10V 引脚 3 NI 误差放大器正向输入端 实际应用中 用作同相输入放大器时 通 过一个电阻接控制给定信号 用作反相输入放大器时 通过一个电阻接地 引脚 4 INV 误差放大器反向输入端 不论是同相输入还是反相输入放大器 均应与引脚 5 之间接不同的网络 以构成不同的闭环调节器 引脚 5 ERROR 误差放大器输出端 引脚 6 CT 外接定时电容连接端 其功能为通过该端所接电容的大小来控制本 集成块内部工作的三角波频率 从而也就和 2 V 和 2V 内部一起来控制输出脉冲的 频率 实际应用中 通过一个电容接地 引脚 9 VS 引脚 16 VS 集成块工作正负控制电源电压输入端 应注意的 是 无论 SG2731 选用单极性工作还是双极性工作 都必须保证在 VS和 VS端的电位差 大于或等于 7V 而小于或等于 30V 引脚 10 SUB 集成块基片连接端 实际应用中 可直接接 VS或 V0 亦可通 过一个电容接地 引脚 14 VO 和引脚 11 VO 输出功率放大级电源输入端 实际应用中 当 选择 SG2731 单极性输出时 应把 VO直接接地 若选择 SG2731 双极性输出时 应在 VO和 VO端分别接一个共地且绝对值相等的电压 应注意的是 加在 VO和 VO端的电 位差必须大于或等于 5V 而小于或等于 44V 且应保证 VO VS 5 这可以保证单极性 正控制电源电压与单负边驱动电源电压之间有一个固定的电位差 引脚 13 OUTA 引脚 12 OUTB 两独立的脉宽调制输出端 实际应用中 可直 接接被驱动微型直流电动机电枢的两端 亦可直接接小功率逆变器晶体管的基极 引脚 15 封锁 PWM 脉冲输出控制端 实际应用中 接保护电路输SHUTDOWN 出 三极管三极管A940 A940 大功率时序控制电源是美国 C MARK 灯光音响公司专为 C MARK 系列音响 产品量体设计的配套电源设备 提供 5 路 AC 40A 220V 50Hz 和 7 路 AC 15A 220V 50Hz 共 12 路电源输出 电源输出的开启和关闭可按一定逻辑顺序延时开启 或关闭电源输出 并带有 LED 监控各路工作状态 A940 主控电路采用高可靠性的数字集成器件 电源开关输出部分使用大功率的继电器 40A 整机运行可靠性大大提高 开机采用钥匙的开关 同时配备远程开机电路 及 提供标准的电气接线端子 采用 3U 标准机箱 适合标准机柜的安装使用 A940 配有三相 5P 专用输入电源插头 电源输入线路既可采用 380V 三相四线制电源 也可采用 220V 单相电源 A940 为用户提供可靠的顺序供电开启关闭操作程序 避免了音响系统在打开 关闭过 程中对扬声器系统的冲击和损害 同时也可以减少对总供电系统的冲击 A940 时序控制电源按照国标 GB14048 5 93及 GB12400 93的标准进行设计 生产和检验出厂 A940 时序控制电源除了适用于 C MARK 系列产品外 同时也适用于其它有顺序开启和 关闭电源需求的系统 第四章 安装与调试 调试调试 1 按图 a 所示电路图连接电路 2 15V 电压由直流稳压电源提供 3 15 脚名称为 由此导致我们理解为低电平有效 当 15 脚为 15VSHUTDOWN 左右时 调试没有信号输出 调节 15 脚上的可调电阻调到另外一端 速度给定 反馈 均加 2V 电压信号 出现波形如图 b 4 当调节速度给定信号与反馈信号时 波形脉宽变动不大 而且波形有些失真 因为上面几次实验都没有成功 我们便开始研究芯片内部电路结构 结果发现该 图中 3 脚 4 脚标注错误 电阻 R5 一端不应该和 R10 相连 因此我们交换了 3 4 两脚 的接线 把 R5 的一端和引脚 3 相连 引脚 4 接一个电阻后接地线 又由于电源电压输 入为 12V 所以我们适当的改变了一些电阻的大小参数 最终调试出了标准的方波 性能测试与分析性能测试与分析 引脚 1 到地脚之间的电压为 1 6 V 引脚 2 到地脚之间的电压为 4 5V 引脚 7 到地脚之间的电压为 4 5