直流脉宽调速系统

直流脉宽调速系统驱动电源的设计

1．直流脉宽调速系统驱动电源

1.1任务和意义

生产实习的主要任务是设计一个直流电动机的脉宽调速（直流PWM）驱动电源。 纵观运动控制的发展历史，交、直流两大电气传动并存于各个应用领域。由于直流电机的调速性能和转矩控制性能好，20世纪30年代起就开始使用直流调速系统。直流调速系统由最早的旋转变流机组控制，发展为用静止的晶闸管变流装置和模拟控制器实现调速，到现在由大功率开关器件组成的PWM电路实现数字化的调速，系统的快速性、可靠性、经济性不断提高，应用领域不断扩展。

尽管目前对交流系统的研究比较“热门”，但是其控制性能在某些方面还达不到直流PWM系统的水平。直流PWM控制技术作为一门新型的控制技术，其发展潜力还是相当大的。而且，直流PWM技术是电力电子领域广泛采用的各种PWM技术的典型应用和重要基础，掌握直流PWM技术对于学习和运用交流变频调速中SPWM技术有很大的帮助和借鉴作用。

1.2技术指标

被控直流永磁电动机参数：额定电压20V，额定电流1A，额定转速2000rpm。 驱动系统的调速范围：大于1：100。驱动系统应具有软启动功能，软启动时间约为2s.

1.3设计内容：

1）主电路的设计，器件的选型。包括含整流变压器在内的整流电路设计和H桥可逆斩波电路的设计(要求采用IPM作为DC/DC变换的主电路，型号为PS21564)。

2）PWM控制电路的设计（指以SG3525为核心的脉宽调节电路）。

3）IPM接口电路设计（包括上下桥臂元件的开通延迟，及上桥臂驱动电源的自举电路）。

4）DC15V 控制电源的设计（采用LM2575系列开关稳压集成电路，直接从主电路的直流母线电压经稳压获得）。

1

直流脉宽调速系统驱动电源的设计

2.脉宽调制技术

脉宽调制技术简称PWM, PWM控制技术就是半导体开关元件的导通和关断时间比，即调节脉冲宽度或周期来控制输出电压的一种控制技术。近年来，随着全控型器件的不断发展和PWM技术的日益完善，已广泛应用于变频调速和开关电源等领域。

PWM常用于电压型逆变器，它可消除或减小低次谐波，滤波器体积可减小，有利于小型化和降低成本。

直流电动机的PWM调速原理，为了获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用脉宽调制技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑调速，这种调速系统就称为直流脉宽调速系统。

脉宽调制的基本原理，脉宽调制（Pulse Width Modulation），是利用电力电子开关器件的导通与关断，将直流电压变成连续的直流脉冲序列，并通过控制脉冲的宽度或周期达到变压的目的。所采用的电力电子器件都为全控型器件，如电力晶体管（GTR）、功率MOSFET、IGBT等。 通常PWM变换器是用定频调宽来达到调压的目的 PWM 变换器调压与晶闸管相控调压相比有许多优点，如需要的滤波装置很小甚至只利用电枢电感已经足够，不需要外加滤波装置；电动机的损耗和发热较小、动态响应快、开关频率高、控制线路简单等。

PWM的占空比决定输出到直流电机的平均电压. PWM不是调节电流的.PWM的意思是脉宽调节,也就是调节方波高电平和低电平的时间比,一个20%占空比波形,会有20%的高电平时间和80%的低电平时间，而一个60%占空比的波形则具有60%的高电平时间和40%的低电平时间,占空比越大,高电平时间越长,则输出的脉冲幅度越高,即电压越高.如果占空比为0%,那么高电平时间为0,则没有电压输出.如果占空比为100%,那么输出全部电压. 所以通过调节占空比,可以实现调节输出电压的目的,而且输出电压可以无级连续调节. PWM信号是一个矩形的方波，他的脉冲宽度可以任意改变，改变其脉冲宽度控制控制回路输出电压高低或者做功时间的长短，实现无级调速。

2.1脉宽调速系统的控制电路

由全控型电力电子器件构成的PWM变换器是一种理想的直流功率变换装置，它省去了晶闸管变流器所需的换流电路，具有比晶闸管变流器更为优越的性能，PWM直流调速系统在中小容量的高精度的高精度控制系统中得到了广泛的应用。PWM变换器是调速系统的主是电路，是对已有的PWM波形的电压信号的产生、分配则是PWM变换器控制电路的功能，控制电路主要包括脉冲宽度调制控制器UPW、调制波发生器GM、逻辑延时环节DLD和电力电子器件的驱动保护电路GD。

2.2脉冲宽度调制器

脉冲宽度调制器是控制电路中最关键的部分，是一个电压－脉冲变换装置，用于产

2

直流脉宽调速系统驱动电源的设计

生PWM变换器所需的脉冲信号——PWM波形电压信号。脉冲宽度调制器的输出脉冲宽度与控制电压成正比，常用的脉冲宽度调制器有以下几种；

1.锯齿波作调制信号的脉冲宽度调制器——锯齿波脉宽调制器； 2.三角波作调制信号的三角波脉宽调制器； 3.多谐振荡器和单稳态角触发器组成的脉宽调制器； 4．成可调脉宽调制器和数字脉宽调制器。 下面介绍其中一种锯齿波脉冲宽度调制器：

锯齿波脉冲宽度调制器本身是一个由集成运算放大器和几个输入信号组成的电压比较器。运算放大器工作在开环状态，稍微有一点输入信号就可使其输出电压达到饱和限幅值，当输入信号电压极性改变时，输出电压就在正、负限幅值之间变化，从而完成把连续电压变成脉冲电压的转换。加在运算放大器输入端的信号有三个：一个是由锯齿波发生器提供的锯齿波调制信号，其频率是主电路所需要的开关频率，通常视所采用的电力电子器件和系统性能而定。另一个输入信号是控制器输出的直流控制电压，其极性和大小随时可变。与在运算放大器的输入端相加，使放大器的输出端得到周期固定、脉冲宽度可变的调制输出电压。为了在时的正负脉冲相等，以使PWM变换器的输出电压，在运算放大器的输入端还有第三个输入信号——负偏压。

2.3脉宽调制优点

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。

3

直流脉宽调速系统驱动电源的设计

3.直流脉宽调速实验原理

3.1 SG3525A脉宽调制器控制电路简介

SG3525A宽调制器控制电路可以改进为各种类型的开关电源的控制性能和使用较少的外部零件。在芯片上的5.1V基准电压调定在±1％，误差放大器有一个输入共模电压范围。它包括基准电压，这样就不需要外接的分压电阻器了。一个到振荡器的同步输入可以使多个单元成为从电路或一个单元和外部系统时钟同步。在CT和放电脚之间用单个电阻器连接即可对死区时间进行大范围的编程。在这些器件内部还有软起动电路，它只需要一个外部的定时电容器。一只断路脚同时控制软起动电路和输出级。只要用脉冲关断，通过PWM（脉宽调制）锁存器瞬时切断和具有较长关断命令的软起动再循环。当VCC低于标称值时欠电压锁定禁止输出和改变软起动电容器。输出级是推挽式的可以提供超过200mA的源和漏电流。SG3525A系列的NOR（或非）逻辑在断开状态时输出为低。

·工作范围为8.0V到35V ·5.1V±1.0％调定的基准电压 ·100Hz到400KHz振荡器频率 ·分立的振荡器同步脚

3.2 SG3525A内部结构和工作特性

（1）基准电压调整器

基准电压调整器是输出为5.1V，50mA，有短路电流保护的电压调整器。它供电给所有内部电路，同时又可作为外部基准参考电压。若输入电压低于6V时，可把15、16脚短接，这时5V电压调整器不起作用。

（2）振荡器

3525A的振荡器，除CT、RT端外，增加了放电7、同步端3。RT阻值决定了内部恒流值对CT充电，CT的放电则由5、7端之间外接的电阻值RD决定。把充电和放电回路分开，有利于通过RD来调节死区的时间，因此是重大改进。这时3525A的振荡频率可表为：

fS?1CT(0.7RT?3RD) （3.1）

在3525A中增加了同步端3专为外同步用，为多个3525A的联用提供了方便。同步脉冲的频率应比振荡频率fS要低一些。

(3)误差放大器

误差放大器是差动输入的放大器。它的增益标称值为80dB，其大小由反馈或输出负载决定，输出负载可以是纯电阻，也可以是电阻性元件和电容的元件组合。该放大器共模输入电压范围在1.8~3.4V，需要将基准电压分压送至误差放大器1脚（正电压输出）或2脚（负电阻输出）。

4

直流脉宽调速系统驱动电源的设计

新3524的误差放大器、电流控制器和关闭控制三个信号共用一个反相输入端，3525A改为增加一个反相输入端，误差放大器与关闭电路各自送至比较器的反相端。这样避免了彼此相互影响。有利于误差放大器和补偿网络工作精度的提高。

(4)闭锁控制端10

利用外部电路控制10脚电位，当10脚有高电平时，可关闭误差放大器的输出，因此，可作为软起动和过电压保护等。

(5)有软起动电路

比较器的反相端即软起动控制端8，端8可外接软起动电容。该电容由内部Vref的

t?2.5V?C850?A。点空比由小到大（50％）变

50μA恒流源充电。达到2.5V所经的时间为化。

(6)增加PWM锁存器使关闭作用更可靠

比较器（脉冲宽度调制）输出送到PWM锁存器。锁存器由关闭电路置位，由振荡器输出时间脉冲复位。这样，当关闭电路动作，即使过流信号立即消失，锁存器也可维持一个周期的关闭控制，直到下一周期时钟信号使倘存器复位为止。

另外，由于PWM锁存器对比较器来的置位信号锁存，将误差放大器上的噪音、振铃及系统所有的跳动和振荡信号消除了。只有在下一个时钟周期才能重置位，有利于可靠性提高。

(7)增设欠压锁定电路

电路主要作用是当IC块输入电压小于8V时，集成块内部电路锁定，停止工作（其准源及必要电路除外），使之消耗电流降到很小（约2mA）。

(8)输出级

由两个中功率NPN管构成，每管有抗饱和电路和过流保护电路，每组可输出100mA。组间是相互隔离的。电路结构改为确保其输出电平或者是高电平或者是低电平的一个电平状态中。为了能适应驱动快速的场效应功率管的需要，末级采用推拉式电路，使关断速度更快。

11端（或14端）的拉电流和灌电流，达100mA。在状态转换中，由于存在开闭滞后，使流出和吸收间出现重迭导通。在重迭处有一个电流尖脉冲，其持续时间约100ns。使用时VC接一个0.1μf电容可以滤去尖峰。

另一个不足处是吸电流时，如负载电流达到50mA以上时，管饱和压降较高（约1V）。

3.3IC芯片的工作

直流电源VS从15号脚引入分两路：一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的＋5.1V基准电压，＋5.1V再送到内部（或外部）电路的其它元件作为电源。振荡器5号脚需外接电容Cr,6号脚需外接电阻Rr。选用不同的Cr、Rr，即可调节振荡器的频率。振荡器的输出分为两路：一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器

5

百度搜索“77cn”或“免费范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，免费范文网，提供经典小说综合文库直流脉宽调速系统在线全文阅读。