【文章內(nèi)容簡介】 PWM 驅動裝置是利用大功率晶體管的開關特性來調(diào)制固定電壓的直流電源，按一個固定的頻率來接通和斷開，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”與“斷開”時間的長短，通過改變直流伺服電動機電樞 上電壓的“占比空”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉速。因此，這種裝置又稱為“開關驅動裝置”。 PWM 控制的示意圖如圖 2所示，可控開關 S以一定的時間間隔重復地接通和斷開，當S接通時，供電電源 US 通過開關 S 施加到電動機兩端，電源向電機提供能量，電動機儲能； 6 當開關 S 斷開時，中斷了供電電源 US向電動機電流繼續(xù)流通。 圖 2 PWM 控制示意圖 電壓平均值 Uas 可用下式表示： Uas= ton Us/T=αUs （ 11） 式中， ton 為開關每次接通的時間， T 為開關通斷的工作周期，（即開關接通時間 ton 和關斷時間 toff之和）， α為占空比， α= ton/T。 由式（ 11）可見，改變開關接通時間 ton 和開關周期 T 的比例也即改變脈沖的占空比，電動機兩端電壓的平均值也隨之改變，因而電動機轉速得到了控制。 主回路 在系統(tǒng)主電路部分，采用的是以大功率 GTR 為開關元件、 H 橋電路為功率放大電路所構成的電路結構。如 圖 3 所示。圖中，四只 GTR 分為兩組， 1VT 和 4VT 為一組， 2VT 和 3VT為另一組。同一組中的兩只 GTR 同時導通，同時關斷，且兩組晶體管之間可以是交替的導通和關斷。欲使電動機 M 向正方向轉動，則要求控制電壓 kU 為正，各三極管基極電壓波形如圖 4 所示。欲使電動機反轉，則使控制電壓 kU 為負即可。 GTR 是一種雙極性大功率高反壓晶體管，它 大多用作功率開關使用 ,而且 GTR 是一種具有自關斷能力的全控型電力半導體器件，這一特性可以使各類變流電路的控制更加方便和靈活，線路結構大為簡化。 7 圖 3 雙極式 H 型 PWM 變換電路 圖 4 雙極式 PWM 變換電路的電壓、電流波形 （ a） ,(b) 三極管 基極電壓波形 (c) 電樞電壓波形 （ d）電樞電流波形 (e) 重負載時 ai 波形 (f) E SU 時 ai 波形 設矩形波的周期為 T，正向脈沖寬度為 1t ，并設 λ =1t /T 為占空比。則電樞電壓 U 的平 8 均值 avU =（ 2λ 1） SU =（ 21t /T1） SU ，并定義雙極性雙極式脈寬放大器的負載電壓系數(shù)為 ρ = avU / SU =21t /T1 即 avU =ρ SU 可見， ρ 可在 1到 +1之間變化。 雙極式 PWM 變換器的優(yōu)點： 電流一定連續(xù)； 可使電機在四象限中運行； 電動機停止時有微振電流，能消除正、反向時的靜摩擦死區(qū)； 低速時，每個晶體管的驅動脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導通； 低速平穩(wěn)性好，低速范圍可達 20xx0 左右。 a).正向電動運行波形 b).反向電動運行波形 9 3 單元電路設計 PWM 驅動裝置控制電路 如 圖 5 所示 為 PWM 驅動裝置控制電路框圖。該控制電路包括 脈寬調(diào)制電路，基極驅動電路，變換電路，三相橋式不可控整流電路 等脈寬調(diào)速系統(tǒng)所 需 的電路。 圖 5 PWM 驅動裝置控制電路 SG1731 集成 PWM 控制器的脈寬調(diào)制 SG1731PWM 集成電路的內(nèi)部功能結構如圖 6所示。該芯片內(nèi)有三角波發(fā)生器、偏差信號放大器、比較器和橋式功放等電路。此線路的原理是將一個直流電壓信號與三角波電壓疊成后，形成脈寬調(diào)制方波，在經(jīng)橋式功放電路輸出 PWM 電壓。它具 有外觸發(fā)保護、死區(qū)調(diào)節(jié)和正負 100mA 電流的輸出能力；其振蕩頻率為 100350kHZ 可調(diào)，適用于單極性 PWM控制。 10 該集成電路需要 2 組電源：一組正負 Vs（接 16 和 9 腳），用于芯片的控制電路；另一組正負 V0(接 14腳和 11腳 )，用于橋式功放驅動電路，此功放級電路可輸出正負 100mA 的電流，功放輸出為 12 腳和 13 腳。由 RS 觸發(fā)器、比較器 A4 與 A 500uA 的雙向恒流源和外接電容 CT 組成三角波振蕩器。其振蕩角頻率由電容 C（接 6 腳和地之間）和外供正、負參考電壓 2V 正、 2V 負（ 2腳和 7腳）決定： 式中： VU=（ 2VUv+2VVV）。 1 腳和 8 腳接正、負門檻電壓，為比較器 A A5 提供正、負門檻電壓，以與三角波進行比較。 A3 為偏差信號放大器，其正，負相輸入端（ 3腳和 4腳）用于將給定信號與反饋信號進行比較，得到控制系統(tǒng)的誤差信號，加、減電路 對三角波電壓和偏差信號放大器輸出電壓進行疊加，實現(xiàn)三角波電平的垂直平行移動，垂直平行后的三角波電平與正（或負）門檻電壓電平 +VT(或 VT)進行比較，這樣芯片功放級輸出的便是 PWM 電壓。若改變 偏差放大器輸入的誤差信號，即可改變其脈寬，也即輸出脈寬與誤差信號成正比。偏差放大器的正、負相輸入端和輸出端均引出芯片， 4腳 5腳間接反饋電抗，通過配置不同的輸出回路阻抗和反饋回路阻抗，可以構成不同的放大器。 SG1731 具有關斷控制功能。當管腳 15 端接入低電平（與 TTL 點評兼容 為方便微機控制）時，次低電平使輸出級中的晶體管迅速截止，是系統(tǒng)停止工作。這種功能可用對 （ 1） +Vs 與 Vs 的差值不能小于 但也不得超過 30V。 11 （ 2） +VO 與 V0 的差值不能小于 ，但也不能超過 44V，電動機供電可共用此電源，也可另設電源。 （ 3） 基片“地”（ 10 腳）必須聯(lián)到最低點位處。 （ 4） SG1731 輸出 PWM 波形圖 如圖 7所示 圖 7 SG1731輸出 PWM波形圖 主開關驅動電路設計 系統(tǒng)采用的功率驅動電路取決于主開關管 V 的器件類別。用不同類別的主開關其功率驅動電路也不同 ， 本系統(tǒng)采用 GTR 功率晶體管的光電耦合驅動電路。 采用光電耦合器進行隔離 光電耦合器之所以在傳輸信號的同時能有效地擬制尖脈沖和各種雜訊干擾，使通道上的信號雜訊比大為提高，主要有以下幾方面的原因： （ 1） 光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗較大，通常為 12 105106 歐姆。據(jù)分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到光電耦合器輸入 端的雜訊電壓會很小，只能形成很為弱的電流，由于沒有足夠的能量而不能使二極管發(fā)光，從而被抑制掉了。 （ 2） 光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣聯(lián)系，也沒有公地，之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此回路一邊的各種干擾雜訊都很難通過光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻抗耦合的干擾信號的產(chǎn)生。 （ 3） 光電耦合器可起到很好的安全保障作用，即使當外部設備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號線短接時，也不會損壞儀表。因為光耦合器件的輸入回路和輸出回路可以承受幾千伏的高壓。 （ 4） 光電耦合器的回應速度極快，其回應延遲時間只有 10us 左右，適于 對應速度要求很高的場合。（注意事項：（ 1）在光電耦合器的輸入部分和輸出部分必須分別采用獨立電源，若兩端公用一個電源則光電耦合器的隔離作用將失去意義。（ 2）當用光電耦合器來隔離輸入輸出通道時，必須對所有的信號全部隔離，使得被隔離的兩邊沒有任何電氣上的聯(lián)系，否則這種隔離是沒有意義的。） 采用 UAA4002 進行基極驅動 驅動芯片 UAA4002 特點 介紹 1） 可為用戶脈沖形成部分與被驅動的電力晶體管只間提供理想的匹配。它是一個智能接口，其輸入與 TTL 電平及 COMOS 電平均兼容，其輸入信號與輸出信號 之間的延遲時 間可人為調(diào)節(jié)。 2） 能把接收到的、以邏輯信號輸入的電力晶體管的導通信息轉變?yōu)榧拥诫娏w管上的基極電流，來保證晶體管運行于臨界飽和的最佳狀態(tài)從而顯著減少了晶體管關斷過程中的存儲時間。 UAA4002 可為晶體管提供一個最大 的正向基極驅動電流，且電路自身的設計保證了這一電流值可以通過增加一個或幾個外部晶體管加以放大。 3） 可為晶體管提供一個幅值為 3A 的反向基極電流，這一電流值足以使晶體管快速關斷，保證了晶體管電極電流的下降時間極短，從而顯著減少了關短損耗。同樣，反向基極電流也可以通過增加一個或幾個外部晶體管加以放 大。 4） 應