【文章內(nèi)容簡介】 ++12345678 910111213141516L M 141312345678 910111216151413S G 3 5 2 53525I G B T 1I G B T 2+引至面板上10kC S RR?R E S 2R?R E S 2TGRC1G1E1G2C2E2電機1 16AB狀態(tài)開關(guān)南昌工程學(xué)院專科畢業(yè)設(shè)計論文 11 本實驗電路中主電路部分由直流電源、兩個 IGBT 管組成，可看成降壓型變換器和 升壓型變換器的串聯(lián)組合，下面結(jié)合 H 型橋式可逆直流 PWM 調(diào)速電路圖來對降壓、升壓斬波電路進(jìn)行介紹。 降壓斬波電路與電機的電動狀態(tài) 圖 中如果始終保持 T4 導(dǎo)通、 T3 關(guān)斷（ 則 如圖 所示），并使 T2截止、 T1周期性地通斷，在 T1 導(dǎo)通的 Ton 時間內(nèi)， vAB=vPN＞ 0,iAB＞ 0。 在 T1 截止的 Toff 時間內(nèi)，由于電感電流不能突變， iAB經(jīng) D2 續(xù)流， vAB=0， A、 B兩端電壓的平均值 VAB=Ton VPN/(Ton+Toff)=α VPN,α為占空比?？梢娫趫D 中當(dāng) T2 截止時由 T D2 構(gòu)成了一個 降壓斬波電路， iAB＞ 0， vAB＞ 0，電機工作在正向電動狀態(tài)。 升壓斬波電路與電機的制動狀態(tài) 圖 中若 T1截止、 T2 周期性地通斷，在 T2導(dǎo)通的 Ton 時間內(nèi)， vAB= 0, iAB＜ 0。在 T2截止的 Toff 時間內(nèi)，由于電感電流不能突變，電流 iAB經(jīng) D1續(xù)流， vAB=vPN， A、 B兩端電壓的平均值 VAB= ToffVPN/(Ton+Toff)=（ 1－α） VPN,可見當(dāng) T1 截止時由 T D1 構(gòu)成了一個升壓斬波電路， vAB＞ 0, iAB＜ 0，電機工作在正向制動狀態(tài)，將電能回送 給直流電源。 半橋電路與電機的電動和制動運行狀態(tài) 由上述分析可知，在圖 所示的半橋電路中，若 T2 截止、 T1 通斷轉(zhuǎn)換時由 T D2構(gòu)成了降壓斬波電路，電機工作在正向電動狀態(tài)；若 T1 截止、 T2 通斷轉(zhuǎn)換時由 T D1構(gòu)成了升壓斬波電路，電機工作在正向制動狀態(tài)。 在圖 中如果始終讓 T2 導(dǎo)通、 T1 斷開則類似地，當(dāng) T4 截止時，由 T D4 構(gòu)成了降壓斬波電路，電機工作在反向電動狀態(tài)；當(dāng) T3 截止時，由 T D3 構(gòu)成了升壓斬波電路，電機工作在反向制動狀態(tài)。 電機可逆運行的實現(xiàn) 由以上對可逆 H 橋電路 的分析可知，電機的正反轉(zhuǎn)是通過兩個半橋電路即兩套升 /降壓斬波電路交替工作來實現(xiàn)的，（正轉(zhuǎn)時由 T T2 組成的半橋電路工作，反轉(zhuǎn)時由 T T4組成的半橋電路工作）。因此設(shè)計出一種半橋型可逆 PWM 調(diào)速電路，即用一套升 /降壓斬波 電路通過一個轉(zhuǎn)換開關(guān)的切換既可用于電機的正轉(zhuǎn)也可用于電機的反轉(zhuǎn) ,它與 H 橋電路相比節(jié)省了兩D1D2 D4D3PT1NT2AT3T4BM圖 H 型橋式變換電路 圖 半橋變換電路 PWM 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 12 個開關(guān)器件，而且大大簡化了電路，狀態(tài)開關(guān)的連接如圖 ，當(dāng) A接 COM, B接 N時，電機正轉(zhuǎn)（工作在Ⅰ、Ⅱ象限），當(dāng) A接 N， B接 COM 時，電機反轉(zhuǎn)（工作在Ⅲ、Ⅳ象限）。 圖 轉(zhuǎn)換開關(guān)連接圖 南昌工程學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計論文 13 第 3 章 PWM 控制電路 PWM（ Pulse Width Modulation）控制 —— 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過對一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。 PWM 控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最廣，應(yīng)用的逆變電路絕大部分是 PWM 型， PWM 控制技術(shù)正是有賴于在逆 變電路中的應(yīng)用，才確定了它在電力電子技術(shù)中的重要地位。 PWM 基本原理 PWM 是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)而達(dá)到控制要 求的一種電壓調(diào)整方法。 PWM 可以應(yīng)用在許多 方面，如電機調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。 在 PWM 驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。因此， PWM 又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。 如圖 所示，在脈沖作用下，當(dāng)電機通電時，速度增加；電機斷電時，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電的時間，即可讓電機轉(zhuǎn)速得到控制。 設(shè)電機始終接通電源時，電機轉(zhuǎn)速最大為 Vmax，設(shè)占空比為 D=t1/T，則電機的平均速度為式中 Vd— 電機的平均速度 Vmax— 電機全通電時的速度（最大） D=t1/T— 占空比 由公式（ 2）可見，當(dāng)我們改變占空比 D=t1/T 時，就可以得到不同的電機平均速度 Vd，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格地講，平均速度 Vd與占空比 D 并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可以將其近似地看成線性關(guān)系。 圖 電樞電壓“占空比”與平均電壓關(guān)系圖 Vd=Vmax D PWM 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 14 PWM 的 理論基礎(chǔ) 沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同 。沖量指窄脈沖的面積。效果基本相同，是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。低頻段非常接近，僅在高頻段略有差異。 圖 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖 面積等效原理： 分別將如圖 所示的電壓窄脈沖加在一階慣性環(huán)節(jié)（ RL 電路）上，如圖 。其輸出電流 i(t)對不同窄脈沖時的響應(yīng)波形如圖 所示。從波形可以看出，在 i(t)的上升段， i(t)的形狀也略有不同，但其下降段則幾乎完全相同。脈沖越窄，各 i(t)響應(yīng)波形的差異也越小。如果周期性地施加上述脈沖，則響應(yīng) i(t)也是周期性的。用傅里葉級數(shù)分解后將可看出，各 i(t)在低頻段的特 性將非常接近，僅在高頻段有所不同。 圖 沖量相 同的各種窄脈沖的響應(yīng)波形 用一系列等幅不等寬的脈沖來代替一個正弦半波，正弦半波 N等分，看成 N個相連的脈沖序列，寬度相等，但幅值不等；用矩形脈沖代替，等幅，不等寬，中點重合，面積（沖量）相等，寬度按正弦規(guī)律變化。 SPWM 波形 —— 脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的 PWM 波形。 南昌工程學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計論文 15 圖 用 PWM 波代替正弦半波 要改變等效輸出正弦波幅值，按同一比例改變各脈沖寬度即可。 PWM 電流波： 電流型逆變電路進(jìn)行 PWM 控制，得到的就是 PWM 電流波。 PWM 波形可等效的各種波形： 直流斬波電路：等效直流波形 SPWM 波：等效正弦波形，還可以等效成其他所 需波形，如等效所需非正弦交流波形等，其基本原理和 SPWM 控制相同，也基于等效面積原理。 PWM 實現(xiàn)方法 PWM 信號的產(chǎn)生通常有兩種方法：一種是軟件的方法；另一種是硬件的方法。硬件方法的實現(xiàn)已有很多文章介紹，這里不做贅述。本文主要介紹利用單片機對 PWM 信號的軟件實現(xiàn)方法。 MCS51 系列典型產(chǎn)品 8051 具有兩個定時器 T0和 T1。通過控制定時器初值 T0 和 T1，從而可以實現(xiàn)從 8051 的任意輸出口輸出不同占空比的脈沖波形。由于 PWM 信號軟件實現(xiàn)的核心是單片機內(nèi)部的定時器，而不同單片機的定時器具有不同的特點 ，即使是同一臺單片機由于選用的晶振不同，選擇的定時器工作方式不同，其定時器的定時初值與定時時間的關(guān)系也不同。因此，首先必須明確定時器的定時初值與定時時間的關(guān)系。如果單片機的時鐘頻率為 f，定時器／計數(shù)器為 N 位，則定時器初值與定時時間的關(guān)系為 : 式中， TW— 定時器定時初值； PWM 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 16 N— 一個機器周期的時鐘數(shù)。 N 隨著機型的不同而不同。在應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體的機型給出相應(yīng)的值。這樣，我們可以通過設(shè)定不同的定時初值 TW，從而改變占空比 D，進(jìn)而達(dá)到控制電機轉(zhuǎn)速的目的。 直流電機的 PWM 控制技術(shù) 由于 控制的對象是直流電機，本系統(tǒng)選擇了等脈寬 PWM 法對電機的電壓進(jìn)控制。這樣一來，對電機轉(zhuǎn)速的控制就變成了對電樞電壓的控制， PWM 控制任務(wù)就簡單的變成了調(diào)壓，省去了調(diào)頻的內(nèi)容。圖 給出了直流電機 PWM 控制原理的電路及輸出電壓波形圖。在圖中，控制程序設(shè)計 假定晶體管 V先 導(dǎo)通 T1 秒，這個期間電壓 Ud全部加 到電樞上 (如果忽略 V上的管 壓降 )，然后關(guān)斷 T2秒，這個期間電樞兩端電壓為零。如此反復(fù)，則電樞端的電壓波形如圖中 (b)所示 。電樞兩端電壓的平均值為 : 圖 直流電機 PWM 控制原理的電路（ a） 電樞端的電壓波形（ b） a 為一個周期 T 中，晶體管 V 導(dǎo)通時間時間的比率，稱為負(fù)載率或占空比。變 a 即可改變電樞兩端的電壓。使用下面三種方法中的任何一種，即可改變達(dá)到調(diào)壓的目的 : (1) T1 保持一定， T2 變化。 (2) T2 保持一定， T1 變化。 (3) T 保持一定， T1變化。 SG3525 的結(jié)構(gòu) 控制電路以 SG3525 為核心構(gòu)成，它采用 恒頻脈寬調(diào)制控制方案 ,適合于各種開關(guān)電源，斬波器的控制。其內(nèi)部包含精密基準(zhǔn)源、鋸齒波 振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器等，并含有欠壓鎖定電路 ,閉鎖控制電路和軟起動電路。 SG3525 采用 16 引腳標(biāo)準(zhǔn) DIP封裝。其各引腳功能如圖 所示，內(nèi)部框圖如圖 所示。 南昌工程學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計論文 17 圖 SG3525 的引腳 工作原理 SG3525 為頻率固定脈寬可調(diào)的集成 PWM 控制器，其內(nèi)部原理由基準(zhǔn) 電壓 Uref、振蕩器G 、誤差放大器比較器 DC 、 PWM 鎖相器、分相器、欠電壓鎖定器、輸出極、軟啟動及關(guān)閉電路等組成 其中：①輸入電壓 Uccl 、 基準(zhǔn)電壓 Uref 與輸出電壓 Uccl 可在 8 ～ 35V范圍變化．通?？捎? + l5 V. Uref 是一 AE 個標(biāo)準(zhǔn)三端穩(wěn)壓器，有溫度補償，精度可達(dá) I5． 1 +1％ )V。 它即是內(nèi)部電路的供電電源，也可為芯片外圍電路提供標(biāo)準(zhǔn)電源，輸出電流可達(dá) 40 mA ，有電流保護功能；②振蕩器 G 由一個雙門限比較器、一個恒流電源及電容充放電電路構(gòu)成 。 Cr 恒流充電，產(chǎn)生一鋸 齒波電壓，鋸齒波的峰點電平為 3. 3 V ，谷點電平為 V ，鋸齒波的上升邊對應(yīng) Cr 充電，充電時間 t1(參見圖 3) 決定于 RtCr ；鋸齒波下降邊對應(yīng) Cr放電，放電時間 t2 決定于 RdCr。 鋸齒波頻率由下式?jīng)Q定 f= 1／ (t1+t 2) = 1／【 Cr{ Rt+ 1． 3RRd}】 由于雙門限比較器門限電平由基準(zhǔn)電壓分壓取得，并且給 Cr 充電的恒流源對電壓及溫度變化的穩(wěn)定性很好，故 Uccl 在 8 — 35 V 范圍變化時，鋸齒波的頻率穩(wěn)定度可達(dá) 1％；當(dāng)溫度在一 55 ～ 125 qc 范圍內(nèi)變化時，其頻率穩(wěn)定度為 3％ 。 振蕩器 G 對應(yīng)于鋸齒波下降進(jìn)輸出一時鐘信號 (CP 脈沖 )，其寬度為 t2．故調(diào)節(jié) Rd 即可調(diào)節(jié) CP 脈沖寬度，由后面的敘述可知，這個 CP 脈寬決定了兩輸出口 I、 II 輸出脈沖之問最小的時間間隔，即死區(qū) td．所以調(diào)節(jié) 圖 SG3525 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 PWM 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 18 Rd 就可調(diào)節(jié)死區(qū) td， Ro 越大，死區(qū)越大 。 振蕩器還設(shè)有外同步輸入端 3 腳，在 3 腳加直流或高于振蕩器頻率的脈沖信號，可實現(xiàn)對振蕩器的外同步；③誤差放大器 AE 其直流開環(huán)增量為 70dB。 同相輸入端接基準(zhǔn)電壓或其分壓值，反饋電壓信號接反相輸入端 。 根據(jù)系統(tǒng)動態(tài)、靜態(tài)特性的要求， 可在 9 腳和 1 腳之間接入適當(dāng)?shù)姆答侂娐肪W(wǎng)絡(luò)，如比例積分電路等；④比較器 DC 與 PWM 鎖存器誤差放大器輸出電壓 U 加至比較器 DC 反相端，振蕩器輸出的鋸齒波電壓 U + 加于同相端，比較器 DC 輸出一 PW M 信號，該 PW M 信號經(jīng)鎖存器鎖存，以保證在鋸齒被的一個周期內(nèi)只輸出一個 PW M 脈沖信號；⑤分相器是一個 T 觸發(fā)器，每輸入一個 cP 脈沖，則 Q 翻轉(zhuǎn)一次 。所以 分相器的輸出是一個方波信號，其頻率為鋸齒波頻率的 1／ 2。 此方波信號加至輸出級兩組門電路的輸入端 B ；⑥當(dāng)電源電壓 t 7 V 時，欠電壓鎖定 器輸出一高電平