直流电机PWM调速电路驱动与保护部分.docx

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1、直流电机PWM调速电路驱动与保护部分前言上个世纪50年代，美国通用电气公司发明的硅晶闸管的问世，标志着电力电子技术的开端。此后，晶闸管(SCR)的派生器件越来越多，到了70年代，已经派生了快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等半控型器件，功率越来越大，性能日益完善。但是由于晶闸管本身工作频率较低一般低于400Hz，大大限制了它的应用。此外，关断这些器件，需要强迫换相电路，使得整体重量和体积增大、效率和可靠性降低。目前，国内生产的电力电子器件仍以晶闸管为主。随着关键技术的突破以及需求的发展，早期的小功率、低频、半控型器件发展到了如今的超大功率、高频、全控型器件。由于全控型器件能够控制

2、开通和关断，大大提高了开关控制的灵敏性。自70年代后期以来，可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR或BJT)及其模块相继实用化。此后各种高频全控型器件不断问世，并得到迅速发展。这些器件主要有电力场控晶体管(即功率MOSFET)、绝缘栅极双极晶体管(IGT或IGBT)、静电感应晶体管(SIT)和静电感应晶闸管(SITH)等。与此同时，脉冲宽度调制PWM技术与开关功率电路成为功率应用中的主流技术；长期以来，直流电机以其良好的线性特性，优异的控制性能、低成本等特点成为大多是变速运动控制系统和闭环位置伺服系统的最佳选择。因而，基于PWMPulseWidthModulation的直流电机调速技术在当

3、代电气传动系统中被广泛运用。电机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向。而驱动电路则是调速电路的重要组成部分，其处在主电路和控制电路之间，将控制电路的信号进行放大。保护电路以及检测电路是对电机速度准确控制的前提，本次课程设计是对直流电机调速驱动电路进行设计，下面是驱动电路设计的详细经过。一、设计目的：1、培养理论联络实际的正确设计思想，训练综合运用已经学过的理论和生产实际知识去分析和解决工程实际问题的能力。2、学习较复杂的电子系统设计的一般方法，了解和把握模拟、数字电路等知识解决电子信息方面常见实际问题的能力，由学生自行设计、自行制作和自行调试。3、进行基本技术技能训练，如基

4、本仪器仪表的使用，常用元器件的识别、测量、熟练运用的能力，把握设计资料、手册、标准和规范以及使用仿真软件、实验设备进行调试和数据处理等。4、培养学生的创新能力。二、设计要求：1、设计电机驱动主回路，实现直流电机的正反向驱动。2、设计PWM驱动信号发生电路。3、设计电机转速显示电路。4、设计点击转速调节电路，能够按键或电位器调节电机转速。5、安装调试。三、总体设计：脉宽调制的全称为：PulseWidthModulator、简称PWM。由于它的特殊性能、常被用于直流负载回路中、灯具调光或直流电动机调速、HW-1020型调速器、就是利用脉宽调制(PWM)原理制作的马达调速器、PWM调速器已经在:工业

5、直流电机调速、工业传送带调速、灯光照明调解、计算机电源散热、直流电扇等、得到广泛应用。3.1、直流电机基本工作原理我们已经知道通电导体在磁场中会遭到电磁力的作用-电磁力定律。电动机就是应用这个定律工作的。图3.1.1是直流电动机的原理图。图3.1.1直流电机原理图电枢绕组通过电刷接到直流电源上，绕组的旋转轴与机械负载相联。电流从电刷A流入电枢绕组，从电刷B流出。电枢电流Ia与磁场互相作用产生电磁力F，其方向可用左手定则断定。这一对电磁力所构成的电磁转矩T，使电动机电枢逆时针方向旋转。如上图a所示。当电枢转到上图b所示位置时，由于换向器的作用，电源电流Ia仍由电刷A流入绕组，由电刷B流出。电磁力

6、和电磁转矩的方向仍然使电动机电枢逆时针方向旋转。电枢转动时，割切磁力线而产生感应电动势，这个电动势(用右手定则断定)的方向与电枢电流Ia和外加电压U的方向总是相反的，称为反电动势Ea。它与发电机的电动势E的作用不同。发电机的电动势是电源电动势，在外电路产生电流。而Ea是反电动势，电源只要克制这个反电动势才能向电动机输入电流。可见，电动机向负载输出机械功率的同时，电源却向电动机输入电功率，电动机起着将电能转换为机械能的作用。发电机和电动机两者的电磁转矩T的作用是不同的。发电机的电磁转矩是阻转矩，它与原动机的驱动转矩T1的方向是相反的。电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。电动机的电磁转矩T必

7、须与机械负载转矩T2及空载损耗转矩T0相平衡，即TT2十T0。当电动机轴上的机械负载发生变化时，则电动机的转速、反电动势、电流及电磁转矩将自动进行调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。可见，直流电机作发电机运行和作电动机运行时，固然都产生电动势和当前位置：文档视界直流电机PWM调速电路驱动与保护部分直流电机PWM调速电路驱动与保护部分当前位置：文档视界直流电机PWM调速电路驱动与保护部分直流电机PWM调速电路驱动与保护部分当前位置：文档视界直流电机PWM调速电路驱动与保护部分直流电机PWM调速电路驱动与保护部分图4.1.1简单直流PWM控制电路图4.1.2电压及电流波形注：PWM直流电机调速的

8、关键是调整占空比来调节平均电压进而到达调节转速的目的。4.2、H桥驱动电路H型全桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态。S1、S2为一组，S3、S4为一组，这两组状态互补，当一组导通时，另一组必须关断。当S1、S2导通时，S3、S4关断，电机两端加正向电压实现电机的正转或正转制动；当S3、S4导通时，S1、S2关断，电机两端为反向电压，电机反转或反转制动。实际控制中，需要不断地使电机在四个象限之间切换，即在正转和反转之间切换，也就是在S1、S2导通且S3、S4关断到S1、S2关断且S3、S4导通这两种状态间转换。这种情况理论上要求两组控制信号完全互补，为了避免直通短路且保证各个开关管动作的协

9、同性和同步性，两组控制信号理论上要求互为倒相，因而我们在实际操作中采取的是运用反相器来实现它们的倒相。图2中4只开关管为续流二极管，可为线圈绕组提供续流回路。当电机正常运行时，驱动电流通过主开关管流过电机。当电机处于制动状态时，电机工作在发电状态，转子电流必须通过续流二极管流通，否则电机就会发热，严重时甚至烧毁。当前位置：文档视界直流电机PWM调速电路驱动与保护部分直流电机PWM调速电路驱动与保护部分图4.2.4H桥电路驱动电机顺时针转动图4.2.5所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，进而驱动电机沿另一方向转动电机周

10、围的箭头表示为逆时针方向。图4.2.5H桥驱动电机逆时针转动4.3、H桥驱动使能控制及方向逻辑驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。假如三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因而电路上的电流就可能到达最大值该电流仅受电源性能限制，甚至烧坏三极管。基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。注：三极管和电阻、二极管组成的电路驱动，实现对直流电机可调速正反转驱动。四个二极管起保护三极管的作用，防止感性元件(电机)产生的负感应电动势对三极管的冲击。4.4、性能指标对于PWM调速

11、的直流电机驱动电路，主要考虑下面性能指标：1、输出电流和电压范围。它决定着电路能驱动多大功率的电机；2、效率。高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。要提高电路的效率，能够从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通(H桥电路可能出现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路)入手；3、对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这能够用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离；4、对电源的影响。共态导通能够引起电源电压的霎时下降造成高频电源污染，大电流可能导致地线电位浮动；5、可靠性。电机驱动电路应该尽可能做到：无论加上何种控制信号，何种无

12、源负载，电路都是安全的。五、调试：用数字信号发生器输出一个可用的矩形波，连接到线路板的一个输入端，另一个输入端连接到CD4069反相器上，有两个接头接到电源+12V和地端，剩下的两个接头分别接到万用表的两端，观察电压值的变化。六、电路测试及测试结果：通过万用表的测量，观察到当改变输入波形的占空比时，输出电压在变化，即改变了电机的转速。通过交换接到万用表两端的接头，能够改变电压值的正负，即实现了电机的正转反转。七、设计总结：本次课程设计主要是对调速器驱动电路设计。同时，由于本人的能力水平有限，设计中仍有不少错误的地方或有更优化的方案。通过本次设计，我细化的了解了直流电机调速驱动电路的知识，把握了

13、H桥驱动电路双向调速的原理。我对本专业的认识愈加深入了，同时加强了对专业知识的把握，提高了运用能力，积累了一些相关的设计经历。从本次设计基本满足了设计的要求，实现了正、反转的调节。在课程设计的经过中，我们碰到过各种各样的问题，培养了我们综合运用所学知识解决实际技术问题的能力；把握了资料查询的基本方法，培养本人学习及独立考虑解决问题的的能力，并融会贯穿知识体系，但对设计经过有一个总体的设计思路，才是我们设计成功的关键。首先，通过对直流电机驱动电路的设计，我把握了驱动电路电路的设计方向、思路、方法。其次，本次课程设计内容比拟丰富，用到的设计资料、书籍和设计工具也比较多。本次设计锻炼了本人的动手能力

14、，树立了理论联络实际的理念，并且使自己进一步熟练了对Microsoftoffice和protel以及各种辅助应用软件的使用，对我有大有裨益。设计经过中与大家沟通是非常必要的。合理的沟通能够迅速地发现本人的不足，同时够吸纳别人的长处，避免本人在设计中走弯路，也能给本人、别人动力和自信心。我以为做设计要独立自主、主动进取，同时兼容并包，积极的采纳大家的良意，并虚心向别人学习。最后，欢迎各位教师和同学们对设计中存在的错误和缺乏之处给予指出。八、参考文献：1王兆安，黄俊主编，电力电子技术M。机械工业出版社20002康华光主编，电子技术基础数字部分M。高等教育出版社20003叶斌主编，电力电子应用技术M。清华大学出版社20064康华光主编，电子技术基础模拟部分M。高等教育出版社20035华成英，童诗白，模拟电子技术基础M。北京高等教育出版社2006