PWM控制直流电机调速

  桥式电路是一种最基本的驱动电路结构。控制电机正反转的桥式驱动电路有单电 源和双电源两种驱动方式。由于本例采用单电源的驱动方式能满足实际的应用需 要，所以这里只介绍单电源的驱动方式，其电路如下图 1 所示。

  图 1 驱动方式 注意，在上图中的 4 个二极管为续流二极管。如果选用的驱动电路中使用的是晶 体三极管，那么这 4 个二极管是一定要使用的，其最大的作用是用以消除电机所产生的反 向电动势，避免该反向电动势对晶体三极管的反向击穿。 单电源方式的桥式驱动电路又称为全桥方式驱动或者 H 桥方式驱动。电机正转时 三极管 Q1 和 Q4 导通，反转时 Q2 和 Q3 导通，两种情况下，加在电机两端的电压极性 相反。当 4 个晶体三极管全部关断时，电机停转。若 Q1 与 Q3 关断，而 Q2 与 Q4 同时 导通时，电机处于短路制动状态，将在瞬时停止转动。这 4 种状态所对应的 H 桥式驱 动电路状态如下图 2 所示。

  的应用中，可将其近似地看成线性关系。 在直流电机驱动控制电路中，PWM 信号由外部控制电路提供，并经高速光电隔离

  电路、电机驱动逻辑与放大电路后，驱动 H 桥下臂 MOSFET 的开关来改变直流电机电 枢上平均电压，从而控制电机的转速，实现直流电机 PWM 调速。

  设电机始终接通电源时，电机转速最大为 nmax，且设占空比为 D=t／T，则电机的 平均速度 nd 为：

  nd= nmaxD 由公式可知，当改变占空比 D=t／T 时，就能够获得不同的电机平均速度 Vd，从 而达到调速的目的。严格地讲，平均速度与占空比 D 并不是严格的线 引脚功能及特点简介

  图 3 SG3525 芯片内部电路原理.input(引脚 1)：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信

  号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚 9）相连，可构成跟随器。 2.Noninv.input(引脚 2)：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该 端接给定信号。根据自身的需求，在该端与补偿信号输入端（引脚 9）之间接入不一样的 反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。 3.Sync(引脚 3)：振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与 外电路同步。 4.OSC.Output(引脚 4)：振荡器输出端。 5.CT(引脚 5)：振荡器定时电容接入端。 6.RT（引脚 6）：振荡器定时电阻接入端。 7.Discharge(引脚 7)：振荡器放电端。该端与引脚 5 之间外接一只放电电阻，构 成放电回路。 8.Soft-Start(引脚 8)：启动电容接入端。该端通常接一只 5 的启动电容。ensation(引脚 9)：PWM 比较器补偿信号输入端。在该端与引脚 2 之间接入 不一样的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。 10.Shutdown(引脚 10)：外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输出被禁止。 该端可与保护电路相连，以实现故障保护。 11.Output A（引脚 11）：输出端 A。引脚 11 和引脚 14 是两路互补输出端。 12.Ground(引脚 12)：信号地。 13.Vc(引脚 13)：输出级偏置电压接入端。 14.Output B（引脚 14）：输出端 B。引脚 14 和引脚 11 是两路互补输出端。 15.Vcc（引脚 15）：偏置电源接入端。 16.Vref(引脚 16)：基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。 特点如下： （1）工作电压范围宽：8—35V。 （2）5.1（1 1.0%）V 微调基准电源。 （3）振荡器工作频率范围宽：100Hz—400KHz. （4）具有振荡器外部同步功能。 （5）死区时间可调。 （6）内置启动电路。 （7）具有输入欠电压锁定功能。 （8）具有 PWM 锁存功能，禁止多脉冲。 （9）逐个脉冲关断。 （10）双路输出（灌电流/拉电流）： mA(峰值)。

  外接关断信号对输出级和启动电路都起到了作用。当 Shutdown（引脚 10）上的信号 为高电平时，PWM 锁存器将立即动作，禁止 SG3525 的输出，同时，启动电容将开始 放电。如果该高电平持续，启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入启 动过程。注意，Shutdown 引脚不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干 扰信号耦合而影响 SG3525 的正常工作。

  直流电动机的转速调节主要有三种方法：调节电枢供电的电压、减弱励磁磁通和 改变电枢回路电阻。针对三种调速方法，都有各自的特点，也存在一定的缺陷。例如 改变电枢回路电阻调速只能实现有级调速，减弱磁通虽然能够平滑调速，但这种方法 的调速范围不大，一般都是配合变压调速使用。所以，在直流调速系统中，都是以变 压调速为主。其中，在变压调速系统中，大体上又可分为可控整流式调速系统和直流 PWM 调速系统两种。直流 PWM 调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优点:由于 PWM 调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流, 低速特性好，稳速精度高，调速范围宽，可达 1：10000 左右;同样,由于开关频率高, 快速响应特性好,动态抗干扰的能力强,能够得到很宽的频带;开关器件只工作在开关状 态,主电路损耗小,装置效率高;直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流 器高。

  直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法是控制磁 通，其控制功率小，低速时受到磁饱和限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度 的限制，而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差，所以这种操控方法用得很少。大 多数应用场合都使用电枢电压控制法。随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通 过多种途径实现，其中 PWM(脉宽调制)便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。

  SG3525 是电流控制型 PWM 控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电 流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大 器输出信号作比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变 化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负 载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。

  上图 2 中，从图（a）到图（d）分别表示 H 桥式驱动电路的开关工作状态的切换，电 机分别处于正转、反转、停机和短路制动 4 个状态。 从图中能够准确的看出，该电机的驱动电路能完成本例的两个基本要求： 通过三极管的放大，保证了电机的驱动电流； 通过桥式电路，对不同开关的选择，能轻松实现单片机的数字电平控制三极管的导通和 截止，从而控制小电机的正反转。

  直流电动机转速 n=(U-IR)/Kφ 其中 U 为电枢端电压，I 为电枢电流，R 为电枢电路总电阻，φ 为每极磁通量，K 为 电动机结构参数。 此电路是通过调节电压 U 来改变电机转速的。 此电路电机标称电压为 12V。

  PWM 调速控制的基础原理是按一个固定频率来接通和断开电源，并根据自身的需求改 变一个周期内接通和断开的时间比(占空比)来改变直流电机电枢上电压的占空比， 从而改变平均电压，控制电机的转速。在脉宽调速系统中，当电机通电时其速度增加， 电机断电时其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可控制电机转 速。而且采用 PWM 技术构成的无级调速系统．启停时对直流系统无冲击，并且具有启 动功耗小、运行稳定的特点。

  欠电压锁定功能同样作用于输出级和启动电路。如果输入电压过低，在 SG3525 的输出被关断同时，启动电容将开始放电。

  此外，SG3525 还具有以下功能，即无论因为什么原因造成 PWM 脉冲中止，输出 都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM 锁存器才被复位。

  SG3525 内置了 5.1V 精密基准电源，微调至 1.0%，在误差放大器共模输入电压 范围内，无须外接分压电组。SG3525 还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也 可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。在 CT 引脚和 Discharge 引脚之间加入一个电阻就能轻松实现对死区时间的调节功能。由于 SG3525 内部集成了 启动电路，因此只需要一个外接定时电容。 SG3525 的启动接入端（引脚 8）上通常接一个 5 的启动电容。上电过程中，由于电 容两端的电压不能突变，因此与启动电容接入端相连的 PWM 比较器反向输入端处于低 电平，PWM 比较器输出高电平。此时，PWM 锁存器的输出也为高电平，该高电平通过 两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。只有启动电容充电至其上的电压使引 脚 8 处于高电平时，SG3525 才开始工作。由于实际中，基准电压通常是接在误差放 大器的同相输入端上，而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上。当 输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将 导致 PWM 比较器输出为正的时间变长，PWM 锁存器输出高电平的时间也变长，因此输 出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态。反之 亦然。

  正因为直流 PWM 调速系统有以上的优点，并且随着电力电子器件开关性能的不断 提高,直流脉宽调制( PWM) 技术获得了飞速的发展。传统的模拟和数字电路 PWM 已被 大规模集成电路所取代,这就使得数字调制技术成为可能。目前,在该领域中大部分应 用的是数字脉宽调制器与微处理器集为一体的专用控制芯片, 如 TI 公司生产的 TMS320C24X 系列芯片。电动机调速系统采用微机实现数字化控制,是电气传动发展的 主要方向之一。采用微机控制后,整个调速系统实现全数字化,结构相对比较简单,可靠性高, 操作维护方便,电动机稳态运转时转速精度可达到较高水准,静动态各项指标均能较 好地满足工业生产里高性能电气传动的要求。

  脉宽调制(PWM)控制技术，是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变 成电压脉冲序列，并控制电压脉冲的宽度和脉冲序列的周期以达到变压变频目的的一 种控制技术。PWM 控制技术广泛地应用于开关稳压电源，不间断电源(UPS)，以及交 直流电动机传动等领。本文阐述了 PWM 变频调速系统的基础原理和特点，并在此基础 上给出了一种基于 Mitel SA866DE 三相 PWM 波形发生器和绝缘栅双极功率晶体管 (IGBT)的变频调速设计的具体方案。 直流电动机具有优良的调速特性,调速平滑、方便, 调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动 和反转;能满足生产的全部过程自动化系统各种不同的特殊运行要求，在许多需要调速或快 速正反向的电力拖动系统领域中得到了广泛的应用。