基于PWM控制的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器原理分析

廈門法拉電子股份有限公司 沈開(kāi)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(shì)；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(guò)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(guò)渡過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiǎn)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(jí)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??；當(dāng)由于某種原因使V+減小，變化與上述過(guò)程相反。R12為過(guò)流保護(hù)電阻，當(dāng)負(fù)載電流長(zhǎng)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(guò)R28、D13充電，放電時(shí)通過(guò)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(guò)D11對(duì)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(duì)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(kāi)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(lái)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(cè)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(kāi)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(guò)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(guò)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(duì)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(jí)開(kāi)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(cè)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(jí)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(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下降時(shí)間和上升時(shí)間，電阻器VR2用來(lái)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(jí)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(jí)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(jí)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(jí)運(yùn)放的積分回路，由圖可知：

當(dāng)VR2調(diào)至最右端時(shí)，對(duì)應(yīng)的上升時(shí)間最大，若此時(shí)轉(zhuǎn)速?gòu)牧阏{(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(jí)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(guò)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(jí)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(guò)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(cè)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(guò)一個(gè)帶積分特性的差分電路來(lái)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(guò)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(yǔ)

通過(guò)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(duì)PI調(diào)節(jié)器和直流電機(jī)的控制，有了更深層次的理解。