課程設計--一種脈寬調制執(zhí)行電機驅動電路的設計

1、<p><b>　　課程設計</b></p><p>　　一種脈寬調制執(zhí)行電機驅動電路的設計</p><p>　　系別： 電子電氣工程系 </p><p>　　專業(yè)：電氣工程及其自動化</p><p>　　班級： </p><p>　　姓名：

2、 </p><p>　　學號： </p><p>　　指導老師： </p><p>　　時間： 2013年6月30日 </p><p><b>　　任 務 書</b></p><p>　　********

3、*************************************************************</p><p>　　題目：一種脈寬調制執(zhí)行電機驅動電路的設計</p><p><b>　　目的：</b></p><p>　　1。實現(xiàn)對電氣控制、電機拖動、變流技術等課程內容的應用；</p><p>

4、;　　2．掌握利用集成PWM芯片、H橋芯片快速搭建電機驅動電路的方法。</p><p><b>　　課程設計任務：</b></p><p>　　理解好系統(tǒng)原理、任務要求、搞清楚芯片原理、認真查閱資料、合理借鑒他人經驗，進行適當設計完成任務目標，電路結構力求簡單緊湊。 </p><p>　　自選單片機，并利用集成PWM芯片（SG3525

5、）、H橋芯片（LMD18200）快速搭建電機驅動電路；實現(xiàn)較好性能開環(huán)控制。系統(tǒng)能進行轉速、轉向、停止（即剎車）設定和顯示。</p><p>　　單片機（MCU）主要對顯示器（類型自選）、按鍵（個數自己決定，功能要滿足要求）、SG3525芯片等的控制。用SG3525產生PWM波，送給LMD18200，由18200驅動電機運轉。充分利用兩芯片的保護功能實現(xiàn)相關保護。</p><p>　　選作

6、部分：給電機引入測速發(fā)電機、光電編碼盤、或其他轉速檢測元件，實現(xiàn)閉環(huán)控制。（MCU與后級芯片要用光耦隔離） </p><p>　　最后要給出驅動電路對應的電機容量。</p><p>　　電路圖要求用軟件Protel99繪制。 </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一.課程設計簡析.......

7、.........................................4</p><p>　　二.PWM調速控制概述............................................4</p><p>　　直流電機轉速控制..............................................4</p><p>

8、　　PWM調速控制的原理.............................................5</p><p>　　三.SG3525芯片簡介..............................................5</p><p>　　功能簡介.....................................................

9、..5</p><p>　　引腳功能及特點簡介.............................................6</p><p>　　工作原理.......................................................7</p><p>　　四. 智能功率集成電路LMD18200簡介............

10、................9</p><p>　　性能簡介.......................................................9</p><p>　　引腳定義及功能.................................................9</p><p>　　H橋驅動電路簡述.........

11、......................................11</p><p>　　工作原理......................................................12</p><p>　　典型應用......................................................13</p>&l

12、t;p>　　五.控制電路結構原理圖.........................................13 </p><p>　　開環(huán)控制方框圖................................................13 電路設計原理..................................................14</p>&

13、lt;p>　　六.總結.........................................................16七.參考文獻.....................................................16 </p><p><b>　　一.課程設計簡析</b></p><p>　　直流伺服電動機因調速性能

14、好、起動轉矩大，故在工農業(yè)生產、國防裝備、科學研究以及第三產業(yè)中都有大量的應用，在自動控制系統(tǒng)中常用來做為執(zhí)行元件或信號元件，用于傳遞和變換信號。</p><p>　　⑴直流伺服電動機的驅動電路可以采用分離器件來搭建，但是這種方法容易造成研制周期加長、電路體積增大、結構復雜以及可靠性下降等問題。為了提高驅動電路的可靠性和穩(wěn)定性，所以完全有必要選擇一種新的驅動方式，以達到減小電路體積以及提高電路可靠性的目的。<

15、;/p><p>　　選用美國國家半導體公司(NS)生產的專門用于運動控制的LMD18200T智能功率集成電路就是一種很好的解決方案。LMD18200T是一種體積小、驅動能力強、內部集成了多種保護電路、單片即可實現(xiàn)電機全橋驅動的集成功率放大器，故可有效減少系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性，顯著提高系統(tǒng)的可靠性，充分體現(xiàn)了集成功率放大器外圍電路簡單、性能穩(wěn)定可靠、控制功能全面的優(yōu)點。</p><p>　?、圃?/p>

16、計算機電機控制技術中，PWM調速是眾多電機調速技術中較為成熟和應用廣泛的。PWM調速中PWM脈沖的產生可用硬件，也可用軟件；硬件需直接經濟投入，技術上可用分立元件，也可用專用集成芯片；軟件生成PWM脈沖需編程技術投入，同時耗費MCU技術，對MCU性能有一定要求。</p><p>　　本次課設已指定PWM脈沖使用專用芯片SG3525，驅動也用專用芯片LMD18200。 </p><p>　　

17、二.PWM調速控制概述</p><p><b>　?、逯绷麟姍C轉速控制</b></p><p>　　⑴直流電機轉速控制類型</p><p>　　直流電機轉速控制可分為勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速時受到磁飽和限制，高速時受到換向火花和換向器結構強度的限制，而且由于勵磁線圈電感較大動態(tài)響應較差，所以這種控制方

18、法用得很少。大多數應用場合都使用電樞電壓控制法。隨著電力電子技術的進步，改變電樞電壓可通過多種途徑實現(xiàn)，其中PWM(脈寬調制)便是常用的改變電樞電壓的一種調速方法。</p><p>　　⑵直流電動機轉速的計算</p><p>　　直流電動機轉速n=(U-IR)/Kφ其中U為電樞端電壓，I為電樞電流，R為電樞電路總電阻，φ為每極磁通量，K為電動機結構參數。</p><p&

19、gt;　　㈡PWM調速控制的原理</p><p>　　PWM調速控制的基本原理是按一個固定頻率來接通和斷開電源，并根據需要改變一個周期內接通和斷開的時間比(占空比)來改變直流電機電樞上電壓的“占空比”，從而改變平均電壓，控制電機的轉速。在脈寬調速系統(tǒng)中，當電機通電時，其速度增加，電機斷電時其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間，即可控制電機轉速。而且采用PWM技術構成的無級調速系統(tǒng)．啟停時對直流系統(tǒng)無沖

20、擊，并且具有啟動功耗小、運行穩(wěn)定的特點。設電機始終接通電源時，電機轉速最大為nmax，且設占空比為D=t／T，則電機的平均速度nd為：nd= nmaxD 由公式可知，當改變占空比D=t／T時，就可以得到不同的電機平均速度，從而達到調速的目的。嚴格地講，平均速度與占空比D并不是嚴格的線性關系，在一般的應用中，可將其近似的看成線性關系。</p><p>　　在直流電機驅動控制電路中，PWM信號由外部控制電路提供

21、，并經高速光電隔離電路、電機驅動邏輯與放大電路后，驅動H橋下臂MOSFET的開關來改變直流電機電樞上平均電壓，從而控制電機的轉速，實現(xiàn)直流電機PWM調速。</p><p>　　三.SG3525芯片簡介</p><p>　?、錝G3525功能簡介</p><p>　　SG3525是電流控制型PWM控制器，所謂電流控制型脈寬調制器是按照接反饋電流來調節(jié)脈寬的。在脈寬比較

22、器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓變化而變化。由于結構上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關電源的電壓調整率、負載調整率和瞬態(tài)響應特性都有提高，是目前比較理想的新型控制器。</p><p>　　㈡SG3525引腳功能及特點簡介</p><p>　　SG3525的內部結構框圖如下圖所示：</p>

23、<p>　　⑴.Inv.input(引腳1)：誤差放大器反向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)中，該引腳接反饋信號。在開環(huán)系統(tǒng)中，該端與補償信號輸入端（引腳9）相連，可構成跟隨器。⑵.Noninv.input(引腳2)：誤差放大器同向輸入端。在閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)中，該端接給定信號。根據需要，在該端與補償信號輸入端（引腳9）之間接入不同類型的反饋網絡，可以構成比例、比例積分和積分等類型的調節(jié)器。⑶.Sync(引腳3)：振蕩器外接同步信號輸

24、入端。該端接外部同步脈沖信號可實現(xiàn)與外電路同步。⑷.OSC.Output(引腳4)：振蕩器輸出端。⑸.CT(引腳5)：振蕩器定時電容接入端。⑹.RT（引腳6）：振蕩器定時電阻接入端。</p><p>　?、?Discharge(引腳7)：振蕩器放電端。該端與引腳5之間外接一只放電電阻，構成放電回路。</p><p>　?、?Soft-Start(引腳8)：軟啟動電容接入端。該端通常接

25、一只5 的軟啟動電容。⑼.Compensation(引腳9)：PWM比較器補償信號輸入端。在該端與引腳2之間接入不同類型的反饋網絡，可以構成比例、比例積分和積分等類型調節(jié)器。⑽.Shutdown(引腳10)：外部關斷信號輸入端。該端接高電平時控制器輸出被禁止。該端可與保護電路相連，以實現(xiàn)故障保護。⑾.Output A（引腳11）：輸出端A。引腳11和引腳14是兩路互補輸出端。</p><p>　?、?Gro

26、und(引腳12)：信號地。⒀.Vc(引腳13)：輸出級偏置電壓接入端。⒁.Output B（引腳14）：輸出端B。引腳14和引腳11是兩路互補輸出端。⒂.Vcc（引腳15）：偏置電源接入端。⒃.Vref(引腳16)：基準電源輸出端。該端可輸出一溫度穩(wěn)定性極好的基準電壓。</p><p>　　SG3525具有的特點如下所示：</p><p>　?、殴ぷ麟妷悍秶鷮挘?—35V。⑵5

27、.1（1 1.0%）V微調基準電源。⑶振蕩器工作頻率范圍寬：100Hz—400KHz.</p><p>　?、染哂姓袷幤魍獠客焦δ?。⑸死區(qū)時間可調。⑹內置軟啟動電路。⑺具有輸入欠電壓鎖定功能。⑻具有PWM瑣存功能，禁止多脈沖。⑼逐個脈沖關斷。⑽雙路輸出（灌電流/拉電流）： mA(峰值)。</p><p>　?、鏢G3525的工作原理</p><p>

28、　　SG3525內置了5.1V精密基準電源，微調至1.0%，在誤差放大器共模輸入電壓范圍內，無須外接分壓電組。SG3525還增加了同步功能，可以工作在主從模式，也可以與外部系統(tǒng)時鐘信號同步，為設計提供了極大的靈活性。在CT引腳和Discharge引腳之間加入一個電阻就可以實現(xiàn)對死區(qū)時間的調節(jié)功能。由于SG3525內部集成了軟啟動電路，因此只需要一個外接定時電容。</p><p>　　輸入SG3525的誤差信號經過

29、誤差放大器放大后，與其內部振蕩器產生的鋸齒波進行比較，比較器輸出的脈寬信號再經分相器分成兩路互不重疊的A，B兩相脈寬信號，經具有圖騰柱結構的輸出端11和14腳輸出，輸出波形如下圖所示：</p><p>　　由上圖可知，鋸齒波的高低電位分別為3 . 3 V和0 . 9 V，故控制電路送給SG3525的控制電壓信號應在0.9 V至3.3 V之間變化，如果控制信號小于0.9 V，則控制效果和0.9 V相同；同樣地，如果

30、控制信號大于3.3 V，則和3.3 V的控制效果相同。并且控制信號在0.9 V – 3.3 V之問變化時，控制信號越大，則輸出的脈寬越寬。</p><p>　　SG3525的軟啟動接入端（引腳8）上通常接一個5uF的軟啟動電容。上電過程中，由于電容兩端的電壓不能突變，因此與軟啟動電容接入端相連的PWM比較器反向輸入端處于低電平，PWM比較器輸出高電平。此時，PWM瑣存器的輸出也為高電平，該高電平通過兩個或非門加到

31、輸出晶體管上，使之無法導通。只有軟啟動電容充電至其上的電壓使引腳8處于高電平時， SG3525才開始工作。由于實際中，基準電壓通常是接在誤差放大器的同相輸入端上，而輸出電壓的采樣電壓則加在誤差放大器的反相輸入端上。當輸出電壓因輸入電壓的升高或負載的變化而升高時，誤差放大器的輸出將減小，這將導致PWM比較器輸出為正的時間變長，PWM瑣存器輸出高電平的時間也變長，因此輸出晶體管的導通時間將最終變短，從而使輸出電壓回落到額定值，實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)。反

32、之亦然。 外接關斷信號對輸出級和軟啟動電路都起作用。當 Shutdown（引腳10）上的信號為高電平時，PWM瑣存器將立即動作，禁止SG3525的輸出，同時，軟啟動電容將開始放電。如果該高電平持續(xù)，軟啟動電容將充分放電，直到關斷信號結束，才重新進入軟啟動過程。注意，Shutdown引腳不能懸空，</p><p>　　四.智能功率集成電路LMD18200簡介</p><p>　　㈠.

33、 LMD18200性能簡介</p><p>　　LMD18200T是NS公司生產的專門用于直流電動機運動控制的智能功率集成電路,具有體積小、驅動能力強的優(yōu)點。它將4個DMOS管構成的H橋及其控制邏輯電路封裝在一個ll引腳的芯片中。它的工作電壓高達55 v；連續(xù)工作電流3 A，峰值電流高達6 A；每個開關器件的導通電阻典型值為0.3歐姆；</p><p>　　輸入信號兼容TTL和CMOS信號

34、；具有溫度報警、過熱以及負載短路保護能力。</p><p>　?、?LMD18200引腳定義及功能</p><p>　　⑴.LMD18200的內部電路框圖為：</p><p><b>　?、?引腳定義及功能</b></p><p>　　LMD18200的引腳圖如下所示（此中包含兩種封裝形式）：</p>&l

35、t;p>　?、?其中LMD18200的引腳的功能表為：</p><p>　?、?H橋驅動電路簡述</p><p>　　H橋電路的四中工作狀態(tài)如下所示：</p><p>　　從圖（a）到圖（d）分別表示H橋式驅動電路的開關工作狀態(tài)的切換，電機分別處于正轉、反轉、停機和短路制動4個狀態(tài)。從圖中可以看出，該電機的驅動電路可以完成本例的兩個基本要求：通過三極管的放大，

36、保證了電機的驅動電流；通過橋式電路，對不同開關的選擇，可以實現(xiàn)單片機的數字電平控制三極管的導通和截止，從而控制小電機的正反轉。</p><p>　　LMD18200邏輯真值表</p><p>　　方式l：PWM 信號中既包含方向信息又包含幅值信息，PWM 信號從3腳輸入，5腳接至邏輯高電平。50％占空比PWM 信號對應于零驅動，平均負載電流為零。大于50％占空比PWM信號對應于正向電流，負

37、載電流從OUTPUT1流向OUTPUT2。小于50％占空比PWM 信號對應于反向電流，負載電流從OUTPUT2流向OUTPUT1。</p><p>　　Vs POWER SUPPLY和GROUNDING是直流電源的正、負輸入端。</p><p>　　CURRENT SENSE OUTPUT是電流檢測輸出端。每輸出l A電流，引腳8輸出377uA的采樣電流。</p><p

38、>　?、?LMD18200工作原理</p><p>　　LMD18200T內部集成了4個DMOS管，組成了一個標準的H橋驅動電路。H橋高側DMOS功率器件要求其柵極驅動電壓大于電源正極約8 V以上才能導通。為此該集成電路設置了內部充電泵電路，它由一個300 kHz振蕩器控制，充電泵電容被充電至14 V左右。此柵極驅動電壓上升時間典型值為20us，適用于工作頻率1 kHz左右的情況。如果要求更高的工作頻率，需

39、要外接自舉電容?？墒褂脙蓚€10 nF的電容器分別接于引腳1、2和引腳10、1 1之間，使柵極驅動電壓上升時間在100 ns以下，允許開關頻率高達500 kHz。引腳2、10接直流電動機的電樞兩端，正轉時電流的方向應該從引腳2到引腳10；反轉時電流的方向應該是從引腳10到引腳2。電流檢測引腳8可以外接一個對地電阻，通過此電阻來檢測輸出電流的情況。內部保護電路設置的過電流閾值是10 A，當超過該值時，會自動封鎖輸出，并周期性地自動恢復輸出。

40、如果過電流持續(xù)時間過長，過熱保護將關閉整個輸出。過熱信號可以通過引腳9輸出，當結溫達到145℃時引腳9有輸出信號。</p><p>　?、?LMD18200典型應用為：</p><p>　　LMD18200提供雙極性驅動方式和單極性驅動方式。雙極性驅動是指在一個PWM周期里，電動機電樞的電壓極性呈正負變化。雙極性可逆系統(tǒng)雖然有低速運行平穩(wěn)性的優(yōu)點，但存在著電流波動大，功率損耗較大的缺點，尤

41、其是必須增加死區(qū)來避免開關管直通的危險，限制了開關頻率的提高，因此只用于中小功率直流電動機的控制。而單極性驅動方式是指在一個PWM周期內,電動機電樞只承受單極性的電壓。</p><p>　　在LMD18200典型應用中，PWM控制信號是通過引腳5輸入的，而轉向信號則通過引腳3輸入。根據PWM控制信號的占空比來決定直流電機的轉速和轉向。采用一個增量型光電編碼器來反饋電動機的實際位置，輸出AB兩相，檢測電機轉速和位置

42、，形成閉環(huán)位置反饋，從而達到精確控制電機。</p><p>　　五.控制電路結構原理圖</p><p>　?、?此電路的開環(huán)控制方框圖為：</p><p><b>　　㈡.電路設計原理：</b></p><p>　　此設計電路中以SG3525 和LMD18200為電路核心芯片。 SG3525 為脈寬調制控制器， LMD1

43、8200 為電機雙向驅動芯片。</p><p><b>　　設計要求：</b></p><p>　　(1) PWM 信號的產生PWM信號由SG3525芯片產生，脈沖的頻率由該芯片的5 、6 腳所接電容C3 和電阻 R3 參數決定；調節(jié)可調電阻 P2 可以得到1 .16kHz ～35 .1kHz 范圍內的PWM 信號；調節(jié)可調電阻 P1 可以使占空比在10 ％～100

44、％范圍內變化，有效的控制電機的運轉速度。</p><p>　　⑵電機驅動電壓的產生：</p><p>　?、?后級電機驅動芯片使用 LMD18200，但SG3525 最大的驅動電流為400mA ，不能滿足 3A 電流的驅動要求，因此將SG3525 輸出引腳 11 和14 分別連接到地。</p><p>　?、?反饋R1 接 VREF 端將芯片內 OC 三極管輸出轉變

45、為TTL 電平輸出</p><p>　?、?LMD18200 具有過熱自動保護功能，在溫度達到170 ℃ 時，芯片自動斷電，當溫度達到145 ℃ 時。芯片通過第 9 腳輸出過熱信號，因未使用其他判斷電路或單片機，此引腳輸出信號無用，通過R4 直接拉到高電平</p><p>　?、?滑片開關S1 接到LMD18200 的3 腳DIR 端控制電機運轉方向</p><p>

46、;　?、?芯片4 腳為強制停機信號輸入端，高電平有效，因不存在外圍控制電路，直接將其接地</p><p>　?、?芯片的2 腳和10 腳為電機驅動引腳。7 .5V ～18V 非穩(wěn)定電壓通過K2 送入L7805ACV 產生5V 直流穩(wěn)壓，電容C5 、 C8 和C9 為輸入和輸出端電源濾波，減少電源噪聲</p><p>　　⑦ 電機供電電源通過K3 輸入，濾波電容C6 和 C7 應根據所選擇的

47、供電電壓來選擇合適的耐壓值，發(fā)光二極管D2 為電路工作指示燈，在供電電壓為12V 時，電阻 R7 推薦值為 1K ，在供電電壓為24V時，R7 的推薦值為1 .5K。</p><p>　　控制電路如下圖所示:</p><p>　　通過上述實驗，通過改變占空比，我們即可發(fā)現(xiàn)：</p><p>　　也就是說：當Q1與Q4導通時，電機正轉；當Q3與Q2導通時，電機反轉；當

48、Q1與Q3導通時，電機不工作；當Q2與Q4導通時，電機不工作。由此，即實現(xiàn)了對于電機進行轉速、轉向以及剎車的控制。</p><p>　　電機容量為：P=U*I=12*3=36W</p><p><b>　　六.總結</b></p><p>　　此次課程設計中，所運用的控制系統(tǒng)為開環(huán)，所用的器件較少，結構比較簡單。所用到的主要的核心器件便是電流型

49、PWM控制器SG3525芯片以及接收PWM波，并由此驅動電機運轉的LMD18200芯片。其中SG3525是按照接反饋電流來調節(jié)脈寬的，并在脈寬比較器的輸入端直接用流過輸出電感線圈的信號與誤差放大器輸出信號進行比較，從而調節(jié)占空比使輸出的電感峰值電流跟隨誤差電壓的變化而變化。由于結構上有電壓環(huán)和電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因此，無論開關電源的電壓調整率、負載調整率和瞬態(tài)響應特性都有提高，是目前比較理性的新型控制器。</p><p&

50、gt;　　而LMD18200是專門用于運動控制的智能功率集成電路，其具有體積小、驅動能力強的特點。由于在其內部集成了多種保護電路，故單片即可實現(xiàn)電機驅動，并能有效減小系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性，顯著提高系統(tǒng)的可靠性。充分體現(xiàn)了集成功率放大器外圍電路簡單、性能穩(wěn)定可靠、控制功能全面的優(yōu)點。</p><p>　　因此用這兩種芯片為核心組合起來的電路將能夠顯著改善一般電路研制周期長、電路體積大、結構復雜以及可靠性下降的問題，

51、并切實能夠提高驅動電路的穩(wěn)定性。</p><p>　　通過此次課程設計，我明白了在實際的電路設計問題中合理選擇器件的重要性，我更明白了在日常的學習和生活中，我們要更多的認識和了解盡可能多的器件，并學好專業(yè)知識，這樣在我們設計電路時就會有多種可能的選擇，從而獲得最最優(yōu)化、最為完美的設計方案，以最少的器件，最簡單的電路完成和解決我們的問題，做到簡單、高效！</p><p>　　真誠的感謝老師對

52、我的指導和幫助！</p><p><b>　　七.參考文獻</b></p><p>　　[1] 王劃一、楊西俠自動控制原理.北京：國防工業(yè)出版社.2012，6</p><p>　　[2] 江曉安、董秀峰. 模擬電子技術.西安: 西安電子科技大學出版社.2008，3</p><p>　　[3] 陳伯時. 電力拖動自動控制系