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        基于PWM控制的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器原理分析

        2018-08-21 02:19:28廈門法拉電子股份有限公司沈開燦
        電子世界 2018年15期

        廈門法拉電子股份有限公司 沈開燦

        1 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制原理結(jié)構(gòu)框圖分析

        圖1-1是直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制原理結(jié)構(gòu)框圖。圖中ASR為電樞電壓(轉(zhuǎn)速)調(diào)節(jié)器,ACR為電流調(diào)節(jié)器,電流調(diào)節(jié)器串聯(lián)在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器之后,形成以電流反饋為內(nèi)環(huán),轉(zhuǎn)速反饋為外環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。

        圖1-1 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制原理結(jié)構(gòu)框圖

        α—電樞電壓(轉(zhuǎn)速)反饋系數(shù);β—電流反饋系數(shù);λ—電流補(bǔ)償反饋系數(shù);Un*—轉(zhuǎn)速給定電壓;Un—轉(zhuǎn)速反饋電壓;Un’—電流補(bǔ)償反饋電壓;Ui*—電流給定電壓;Ui—電流反饋電壓;ρ— PWM方波占空比;Ud—電樞電壓;Id—電樞電流;E—反電動(dòng)勢;ASR—電樞電壓(轉(zhuǎn)速)調(diào)節(jié)器;ACR—電流調(diào)節(jié)器

        在啟、制動(dòng)過程中電流閉環(huán)起主導(dǎo)作用,保持電流恒定,縮小系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間。一旦到達(dá)給定轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速閉環(huán)起主導(dǎo)作用,而電流內(nèi)環(huán)則起跟隨作用,使實(shí)際電流快速跟隨給定值(轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出),以保持轉(zhuǎn)速恒定。為獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能,ASR和ACR均采用PI調(diào)節(jié)器,因?yàn)镻I調(diào)節(jié)器能兼顧快速響應(yīng)和消除靜差兩方面的要求。

        轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器,它使轉(zhuǎn)速n快速的跟隨給定電壓Un*變化,其輸出限幅值決定電動(dòng)機(jī)允許的最大電流。電流調(diào)節(jié)器作為內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器,在轉(zhuǎn)速外環(huán)的調(diào)節(jié)過程中,它的作用是使電流僅僅跟隨其給定電壓Ui*(即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出量)變化,當(dāng)電動(dòng)機(jī)過載甚至堵轉(zhuǎn)時(shí),限制電樞電流的最大值,其快速的自動(dòng)拍給你保護(hù)作用。一旦故障消失,系統(tǒng)即立即恢復(fù)正常。

        2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路原理圖分析

        直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路主要可分為電源電路與三角波發(fā)生電路、驅(qū)動(dòng)器主回路部分、PWM調(diào)制電路與保護(hù)電路、轉(zhuǎn)速給定電壓調(diào)節(jié)電路、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器五大部分。

        2.1 電源電路與三角波發(fā)生電路

        驅(qū)動(dòng)器的電源電路的原理圖如圖2-1和圖2-2所示。圖2-1是+11.4V和+30V電源電路,圖2-2是-9V電源電路和三角波發(fā)生電路。其中Us(+30V)是電動(dòng)機(jī)的供電電源,V+(+11.4V)與V-(-9V)為電路板工作電源,Uf是20kHz的三角波,為PWM調(diào)制電路的載波。

        圖2-1

        如圖2-1所示,AC22V經(jīng)過橋式整流器D9和濾波電容C8得到+30V的直流電壓Us,R11、R12、Q3、D3組成基本調(diào)整管穩(wěn)壓電路,其穩(wěn)壓原理簡述如下。若由于某種原因使V+增大,則Q3發(fā)射極電位UE升高,而穩(wěn)壓管D3兩端電壓基本不變,即Q3基級電位UB基本不變,故Q3的UBE(= UB— UE)減小,導(dǎo)致IB(IE)減小,從而使V+減小;當(dāng)由于某種原因使V+減小,變化與上述過程相反。R12為過流保護(hù)電阻,當(dāng)負(fù)載電流長期工作在大于Im ax時(shí),電阻R12燒斷,以達(dá)到保護(hù)調(diào)整管Q3的目的,電容C10為輸出濾波電容,進(jìn)一步減小輸出電壓的紋波,發(fā)光二極管D10為電源指示燈,由圖可知:

        圖2-2

        如圖2-2所示,該電路是由NE555定時(shí)器接成的一個(gè)多諧振蕩器,電容C2通過R28、D13充電,放電時(shí)通過R27放電,故振蕩頻率為:

        NE555定時(shí)器6腳和3腳輸出的波形如圖2-3所示,方波為3腳輸出波形,三角波為6腳輸出波形。6腳輸出的三角波直接作為后續(xù)PWM調(diào)制用的載波;3腳輸出為正時(shí),通過D11對C1進(jìn)行充電,C1兩端電壓為左正右負(fù),3腳輸出為負(fù)時(shí),D12、C4放電,C1上的電荷轉(zhuǎn)移至C4上,電容C4兩端電壓為上負(fù)下正,由于方波頻率很高,故得到相對于地為-9V左右的電壓。

        圖2-3

        2.2 驅(qū)動(dòng)器主回路部分

        圖2-4是驅(qū)動(dòng)器的主回路部分電路原理圖,圖中Q2是高頻開關(guān)器件Power MOSFET,也可以是其它類型的全控型器件。Us為直流電源,由交流電源整流得到,電容C8用來濾波。二極管D2在Q2關(guān)斷時(shí)為電樞回路提供續(xù)流回路,D2選用超快恢復(fù)二極管BYV29E,Ui1為電樞電流檢測電壓。

        Q2的控制門極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓Ug驅(qū)動(dòng),在一個(gè)開關(guān)周期T內(nèi),當(dāng)0≤t≤ton,Ug為高電平,Q2飽和導(dǎo)通,電源電壓Us通過Q2加到直流電動(dòng)機(jī)電樞兩端。當(dāng)ton≤t≤T時(shí),Ug為低電平,Q2關(guān)斷,電樞電路中的電流通過續(xù)流二極管D2續(xù)流,直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓近似等于零。因此直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓兩端的平均電壓為:

        圖2-4 電動(dòng)機(jī)主回路部分原理圖

        根據(jù)直流電機(jī)的機(jī)械特性方程式:

        可知,改變占空比ρ(0≤ρ≤1),即可改變直流電動(dòng)機(jī)電樞平均電壓Ud,從而實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。

        2.3 PWM調(diào)制電路與保護(hù)電路

        圖2-5為驅(qū)動(dòng)器的PWM調(diào)制電路與保護(hù)電路。

        圖2-5中,IC2、R17、R23、R4構(gòu)成遲滯比較器,三極管Q1、Q6接成互補(bǔ)推挽輸出電路,對比較器的輸出進(jìn)行電流放大,以增大其帶負(fù)載能力,穩(wěn)壓管D15把方波Ug的最大電壓限制為+12V,以保護(hù)后級開關(guān)管Q2。由于比較器中的運(yùn)放處于正反饋狀態(tài),因此只有在運(yùn)放輸出電壓Vo 發(fā)生跳變瞬間,運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間的電壓才可認(rèn)為近似等于零(Vp-Vn=0),即Vp=Vn是運(yùn)放輸出電壓Vo轉(zhuǎn)換的臨界條件,當(dāng)Uf>Vp時(shí)(Uf=Vn),Vo為低電平VOL;反之,Vo為高電平VOH。顯然,這里的Vp值實(shí)際上就是門限電壓Vth。利用疊加原理有:

        帶入數(shù)值,可得:

        圖2-5 PWM調(diào)制電路與保護(hù)電路

        根據(jù)輸出電壓Vo的不同值(VOH=11V或VOL=0V ),可分別求出上門限電壓VT+和下門限電壓VT-分別為:

        門限寬度或回差電壓為:

        遲滯比較器的傳輸特性如圖2-6所示,當(dāng)UC =3.5V時(shí),測得比較器的輸出波形如圖2-7所示。

        圖2-6 遲滯比較器傳輸特性

        圖2-5中,Ui1為電流采樣電壓,它與R14、C13、Q7、R16、C14、D18構(gòu)成過流保護(hù)電路,正常工作時(shí),Ui1小于0.6V,三極管Q7截止,二極管D18截止;當(dāng)Ui1大于0.6V時(shí),三極管飽和導(dǎo)通,D18也導(dǎo)通,使得比較器同相輸入端電位被鉗制為0.6V,因此,比較器輸出Vo為零,即Q2的控制門極Ug輸出也為零,從而使得流過電樞電流降為零,電容C13、C14為高頻濾波電容。

        圖2-7 比較器輸出波形

        由圖2-4可知:

        因此,流過電電樞的最大電流:

        圖2-5上半部分為電路板工作環(huán)境溫度過熱保護(hù)電路,由熱敏電阻NTC1、Q4、Q5、R5、R6、R7、R8、R9、C12、D5、D8組成。正常溫度下,NTC1呈現(xiàn)高阻狀態(tài),使得Q5導(dǎo)通、Q4截止,過熱指示燈D5熄滅,當(dāng)環(huán)境溫度大于一定值時(shí),NTC1阻值降低,使得Q5截止、Q4導(dǎo)通,過熱指示燈D5點(diǎn)亮。

        2.4 轉(zhuǎn)速給定電壓調(diào)節(jié)電路

        圖2-8為驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)速給定調(diào)節(jié)電路,它由兩級運(yùn)放電路組成。D1,R37為穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路,P1為外接的轉(zhuǎn)速設(shè)定電阻器,調(diào)節(jié)電阻器VR1可限制轉(zhuǎn)速給定電壓的最大值,也就限制了最大轉(zhuǎn)速。利用D16、D17的單向?qū)щ娦钥蔀镃17提供不同的充電回路,分別對應(yīng)轉(zhuǎn)速下降時(shí)間和上升時(shí)間,電阻器VR2用來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速上升時(shí)間。

        圖2-8 轉(zhuǎn)速給定電壓調(diào)節(jié)電路

        前級運(yùn)放工作在非線性區(qū),引入正反饋,接成電壓比較器;后級運(yùn)放工作在線性區(qū),接成積分電路。當(dāng)P1從左往右調(diào)時(shí),前級運(yùn)放的反相輸入端電壓由小變大,導(dǎo)致輸出端馬上負(fù)向飽和(Vn>Vp),輸出為VOL,約為-9V,D16截止、D17導(dǎo)通,R25、VR2、C17構(gòu)成后級運(yùn)放的積分回路,由圖可知:

        當(dāng)VR2調(diào)至最右端時(shí),對應(yīng)的上升時(shí)間最大,若此時(shí)轉(zhuǎn)速從零調(diào)至最大,其轉(zhuǎn)速上升時(shí)間為:

        2.5 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器

        圖2-9是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器的電路原理圖。圖中前級運(yùn)放組成的電路是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器,它是一個(gè)輸出限幅的比例—積分電路,即PI調(diào)節(jié)器, Un*、Un、Uri、V-通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用,得到一個(gè)穩(wěn)定的輸出,其輸出作為后級運(yùn)放的輸入,即電流調(diào)節(jié)器的輸入U(xiǎn)i*,電流調(diào)節(jié)器同樣是一個(gè)PI調(diào)節(jié)器,Ui*和Ui通過電流調(diào)節(jié)器的作用得到一個(gè)輸出,從而決定PWM方波的占空比。

        圖2-9 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器電路原理圖

        圖2-10 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器響應(yīng)波形

        圖2-11電流調(diào)節(jié)器響應(yīng)波形

        圖2-12 轉(zhuǎn)速反饋與電流反饋回路

        實(shí)際測得上電瞬間,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的響應(yīng)如圖2-10和圖2-11所示。

        圖2-12是轉(zhuǎn)速反饋與電流反饋回路。轉(zhuǎn)速反饋回路實(shí)際上是電樞電壓反饋回路,而電樞電壓反饋通過一個(gè)帶積分特性的差分電路來實(shí)現(xiàn), C19為濾波電容。

        考慮電容C16的積分作用時(shí),電樞電壓反饋電壓Un的波形如圖2-13所示。

        圖2-13 電樞電壓反饋電壓Un波形

        電流反饋回路通過一個(gè)同相比例運(yùn)放電路實(shí)現(xiàn),這里就不在贅述。

        3 結(jié)束語

        通過直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器原理的分析,掌握了直流PWM變換器的工作原理,尤其是對PI調(diào)節(jié)器和直流電機(jī)的控制,有了更深層次的理解。

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