双极晶体管脉宽调制控制的直流调速系统

1、双臂晶体管脉宽调制控制的直流调速系统1.双极晶体管脉宽调制型直流调压电路 随着双极晶体管(BJT)的容量和技术性能的提高、价格的降低，以及脉宽调制(PWM)专用集成电路的日益完善，使得BJT-PWM控制系统日益增多。下面介绍双极晶体管脉宽调制型直流调压电路。共分以下三项内容：1.1BJT可逆供电电路的形式1.2PWM直流电路的控制方式1.3BJTPWM直流调压的工作原理 双极晶体管(BJT)-脉宽调制(PWM)型直流调压电路双极晶体管供电电路常采用“脉冲宽度调制”控制，又称PWM(Pulse Width Modulation)控制。PWM调压控制的基本原理是利用双极晶体管的开关作用，

2、将直流电源电压转换成频率约为2000Hz的方波脉冲电压，然后通过对方波脉冲宽度的控制来改变PWM型直流电压的平均值与极性。 PWM型直流调压供电线路主要由锯齿波(或三角波)发生器、比较器和BJT供电电路三个部分组成，如图1所示。控制电压与锯齿波电压比较，通过比较器形成调制方波。增设偏置电压的目的是使波形的中间位置在横轴上，以使控制电压为零时，输出平均电压为零。图1 BJT-PWM直流调压电路的组成1.1 BJT可逆供电电路的形式在BJT可逆供电电路中，通常采用T形和H形两种电路，如图2所示。图2 BJT可逆供电电路1)T形电路的优点是开关元件少、线路简单，电动机一端可接地，便于引出反

3、馈信号。缺点是需要正、负两个极性电源，BJT元件要承受两倍电源电压。T型电路工作时，如果导通电动机承受正向电压，如果导通，电动机承受反向电压。任何时候都只能有一个开关管导通，决不允许两个开关管同时导通。2)H形电路虽然元件多些，电枢两端浮地；但元件耐压要求低，且只需单极性电源，所以实际中应用较多。图中V1V4为作开关用的BJT元件，VD1VD4为续流二极管。在H型电路中，如果和导通，、关断，电动机M承受正向电压；如果和关断，导通，电动机M承受反向电压。1.2 PWM直流电路的控制方式在PWM可逆供电电路的控制方式上，又分双极性和单极性。图3a、b为双极性和单极性控制时PWM直流可逆供电电路输出

4、电压的波形。图3 PWM直流可逆供电电路输出电压波形图3a为双极性PWM控制方式的输出电压的波形。改变正负脉冲的宽度的差值，就能改变输出电压的平均值。若正脉冲宽度大于负脉冲宽度，则输出电压的平均值为正值。若正脉冲宽度小于负脉冲宽度，则输出电压平均值为负。图3b为单极性控制方式输出电压的波形，它的特点是只有单极性（正或负）脉冲，改变正负脉冲的宽度即可改变输出正负电压的平均值。这两种控制方式相比，双极性控制的优点是电流连续，低压时晶体管仍能可靠导通，若用于电动机调速，则低速时能平稳运行，使调速范围宽(可达左右)。它的缺点是晶体管损耗多，且易发生上、下两个晶体管同时导通造成的短路事故。1.3 BJT

5、-PWM直流调压的工作原理该电路的三个部分的工作原理是：1)第一部分是一个由单结晶体自激振荡电路构成的锯齿波发生器。图4中晶体管工作于放大区，由提供一个恒定的偏置电压，由构成一个恒流源。电源经向电容C充电时，由于电流恒定，电容电压将直线上升。当电容电压达到单结晶体管的峰值电压时，单结晶体管导通，电容C将通过单结晶体管放电。由于放电回路电阻很小，电容电压将瞬间变为零。放完之后电容又充电放电。这样在电容C两端得到锯齿波型的电压。锯齿波电压经过V3构成的射极输出器，在V3的发射及得到相同形状的锯齿波。锯齿波信号被送到比较器和、进行叠加。2)第二部分是控制部分，它是一个由运算放大电路构成的电压比较器。

6、运放电路未设反馈阻抗，是一个开环放大器，因此，只要有微小的输入电压，其输出电压即达饱和值(或限幅值)。它的输入端有锯齿波电压、控制电压和偏置电压等三个电压信号综合。由于三个信号的输入回路电阻相等(均为51k)，因此其输入综合电压即为三个电压的代数和，(即)。由于是由反向输入端输入，因此当综合电压u>0时，其输出电压将为负饱和值；反之，u<0时降为正饱和值。为了使当控制电压时，比较器输出的电压的正负半波的宽度相等(输出的平均电压为零)，偏置电压取锯齿波电压最大值的一半，极性与相反，即。图5为比较器输出电压与与综合输入电压的波形图。由图5可以看出：当时，比较器输出电压的正负半周时间相同

7、，输出电压的平均值为零。当时，比较器输出电压为负值的时间较长，输出电压的平均值为负值。当时，比较器输出电压为正值的时间较长，输出电压的平均值为正值。综上所述，调节控制电压的值，就可以调节比较器输出电压正负半周的时间比，就可以改变比较器输出电压的平均值。若减小，输出电压的平均值增大；若增大，输出电压的平均值减小。3)第三部分为开关电路功率放大部分，有正负电源和两组功率放大电路组成。图4中的和为推拉式开关管，设置稳压管和是为了提供正反门槛电压，防止干扰信号使开关管和错误导通。、和、为双极晶体管组成的复合管，由他们组成功率放大电路。当比较器的输出电压为正时，晶体管和复合管、导通，电动机接通负电源，电

8、枢电压为负值；当比较器的输出电压为负时，晶体管和复合管、导通，电动机接通正电源，电枢电压为正值。图中的、为续流二极管，起保护作用。以防止当复合双极晶体管关断时电动机电枢产生过高的感应电动势将另一组双极晶体管反向击穿。4) 在图4所示的电路中，驱动的负载是一小功率的直流伺服电动机，调制的电压频率为2000Hz。由双极晶体管组成的脉宽调制型可逆供电电路，供电脉冲的频率可以高达，经电枢电感滤波后的脉动电流很小，故系统的控制性能好，因此在小功率的调速系统中应用广泛。由于PWM放大器用用日益普及，出现了很多专用的集成电路，读者可参阅有关文献。在图4中，可用三角波发生器代替锯齿波发生器，也可用H性电路取代

9、T型电路，也可以采用单极性PWM控制方式，其调制工作原理是相同的。2.集成电路控制的BJT-PWM直流调速系统2.1系统的组成图6为由SG1731PWM集成电路控制的、由BJT(H型)电路供电的直流调速系统。图中，SM为永磁式直流伺服电动机，供电电路为四个BJT构成的H型电路，4个二极管为续流二极管，H型电路由±22V直流电源供电。SG1731为PWM专用集成电路，它由±15V和±22V两组直流电源供电。TG为测速发电机，电位器RP调节转速反馈电压，转速反馈信号送往集成电路脚，给定信号送往脚，集成电路的脚接地；电源线路和保护、报警、显示等环节的线路未画在图上。2.

10、2 SG1731集成电路控制的BJT-PWM直流调速系统的工作原理对于由集成电路控制的系统，首先应该搞清专用集成电路的功能、技术指标、各管脚的用途和对应的输入输出信号，以及使用时的注意事项，然后由主电路、驱动电路、控制信号、工作过程、辅助电路的顺序去搞清楚系统的原理。下面对集成电路做简单说明。 SG1731PWM专用集成电路SG1731PWM专用集成电路的基本结构 SG1731PWM专用集成电路的管脚排列如图7所示。其内部功能如图8所示。 该芯片内有一个三角波发生器、偏差信号放大器、比较器和桥式功放电路。此电路的原理是将一个直流信号电压与三角波电压叠加后，形成脉宽调制方波，再经过桥式功率放大电

11、路输出。它具有外触发保护、死区调节和±100电流的输出能力；其振荡频率为可调，适用于单极性PWM控制，也可用于双极性PWM控制，是直流电动机控制专用集成电路。 SG1731PWM集成电路各管脚的名称、输入输出信号和功能 根据产品说明书，SG1731PWM集成电路各管脚的名称、输入输出信号和功能列于表1中。表中的电压的符号仍保持原芯片说明书上的符号V，但在文字叙述中，电压的符号仍一律沿用U表示，这一点要特别注意。电源及电压信号此集成电路需要两组电源：一组为（接16和9脚）用于芯片的控制电路；另一组电源（接14和11脚），用于桥式功放电路。此功放电路输出的电流可达（功率放大器输出为12和

12、13脚）。由图6可知：电源电压分别经过电阻、和、分压产生、和、。适当选择这些电阻可以得到所需的电压值。另外，电源都经过的电容接地，这是为了滤除电源中的干扰信号。三角波振荡器由图8可见，由触发器、比较器、正反向恒流源（电流均为）和外接电容器构成三角波振荡器。为了便于理解将三角波振荡器改画成图9所示的原理图。由图可知，当开关左右拨动时，电容充电的电流在正负值之间跳变，充放电斜率放生变化，就会得出等幅的三角波。偏差放大器为一个集成运算放大器通过外接合适的电阻电容可构成需要的调节器。在这里的调节器具有反向作用。PWM的形成、组成施密特触发器，它的输出为两个不同的高低电平，可以控制PWM功率放大器的输出。关断控制功能在管脚15接入低电平可以使系统停止工作。注意事项与的差值不能小于7.0V,也不能超过30V。与的差值不能小于5.0V,也不能超过44V。芯片10脚必须接最低电位处。电动机可用电源，也可另接电源。主电路在图6所示的系统中，主电路为