雙極晶體管脈寬調(diào)制控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

1、雙臂晶體管脈寬調(diào)制控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1.雙極晶體管脈寬調(diào)制型直流調(diào)壓電路 隨著雙極晶體管(BJT)的容量和技術(shù)性能的提高、價(jià)格的降低，以及脈寬調(diào)制(PWM)專用集成電路的日益完善，使得BJT-PWM控制系統(tǒng)日益增多。下面介紹雙極晶體管脈寬調(diào)制型直流調(diào)壓電路。共分以下三項(xiàng)內(nèi)容：1.1BJT可逆供電電路的形式1.2PWM直流電路的控制方式1.3BJTPWM直流調(diào)壓的工作原理 雙極晶體管(BJT)-脈寬調(diào)制(PWM)型直流調(diào)壓電路雙極晶體管供電電路常采用“脈沖寬度調(diào)制”控制，又稱PWM(Pulse Width Modulation)控制。PWM調(diào)壓控制的基本原理是利用雙極晶體管的開關(guān)作用，

2、將直流電源電壓轉(zhuǎn)換成頻率約為2000Hz的方波脈沖電壓，然后通過對(duì)方波脈沖寬度的控制來改變PWM型直流電壓的平均值與極性。 PWM型直流調(diào)壓供電線路主要由鋸齒波(或三角波)發(fā)生器、比較器和BJT供電電路三個(gè)部分組成，如圖1所示?？刂齐妷号c鋸齒波電壓比較，通過比較器形成調(diào)制方波。增設(shè)偏置電壓的目的是使波形的中間位置在橫軸上，以使控制電壓為零時(shí)，輸出平均電壓為零。圖1 BJT-PWM直流調(diào)壓電路的組成1.1 BJT可逆供電電路的形式在BJT可逆供電電路中，通常采用T形和H形兩種電路，如圖2所示。圖2 BJT可逆供電電路1)T形電路的優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)元件少、線路簡(jiǎn)單，電動(dòng)機(jī)一端可接地，便于引出反

3、饋信號(hào)。缺點(diǎn)是需要正、負(fù)兩個(gè)極性電源，BJT元件要承受兩倍電源電壓。T型電路工作時(shí)，如果導(dǎo)通電動(dòng)機(jī)承受正向電壓，如果導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)承受反向電壓。任何時(shí)候都只能有一個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通，決不允許兩個(gè)開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通。2)H形電路雖然元件多些，電樞兩端浮地；但元件耐壓要求低，且只需單極性電源，所以實(shí)際中應(yīng)用較多。圖中V1V4為作開關(guān)用的BJT元件，VD1VD4為續(xù)流二極管。在H型電路中，如果和導(dǎo)通，、關(guān)斷，電動(dòng)機(jī)M承受正向電壓；如果和關(guān)斷，導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)M承受反向電壓。1.2 PWM直流電路的控制方式在PWM可逆供電電路的控制方式上，又分雙極性和單極性。圖3a、b為雙極性和單極性控制時(shí)PWM直流可逆供電電路輸出

4、電壓的波形。圖3 PWM直流可逆供電電路輸出電壓波形圖3a為雙極性PWM控制方式的輸出電壓的波形。改變正負(fù)脈沖的寬度的差值，就能改變輸出電壓的平均值。若正脈沖寬度大于負(fù)脈沖寬度，則輸出電壓的平均值為正值。若正脈沖寬度小于負(fù)脈沖寬度，則輸出電壓平均值為負(fù)。圖3b為單極性控制方式輸出電壓的波形，它的特點(diǎn)是只有單極性（正或負(fù)）脈沖，改變正負(fù)脈沖的寬度即可改變輸出正負(fù)電壓的平均值。這兩種控制方式相比，雙極性控制的優(yōu)點(diǎn)是電流連續(xù)，低壓時(shí)晶體管仍能可靠導(dǎo)通，若用于電動(dòng)機(jī)調(diào)速，則低速時(shí)能平穩(wěn)運(yùn)行，使調(diào)速范圍寬(可達(dá)左右)。它的缺點(diǎn)是晶體管損耗多，且易發(fā)生上、下兩個(gè)晶體管同時(shí)導(dǎo)通造成的短路事故。1.3 BJT

5、-PWM直流調(diào)壓的工作原理該電路的三個(gè)部分的工作原理是：1)第一部分是一個(gè)由單結(jié)晶體自激振蕩電路構(gòu)成的鋸齒波發(fā)生器。圖4中晶體管工作于放大區(qū)，由提供一個(gè)恒定的偏置電壓，由構(gòu)成一個(gè)恒流源。電源經(jīng)向電容C充電時(shí)，由于電流恒定，電容電壓將直線上升。當(dāng)電容電壓達(dá)到單結(jié)晶體管的峰值電壓時(shí)，單結(jié)晶體管導(dǎo)通，電容C將通過單結(jié)晶體管放電。由于放電回路電阻很小，電容電壓將瞬間變?yōu)榱恪７磐曛箅娙萦殖潆姺烹?。這樣在電容C兩端得到鋸齒波型的電壓。鋸齒波電壓經(jīng)過V3構(gòu)成的射極輸出器，在V3的發(fā)射及得到相同形狀的鋸齒波。鋸齒波信號(hào)被送到比較器和、進(jìn)行疊加。2)第二部分是控制部分，它是一個(gè)由運(yùn)算放大電路構(gòu)成的電壓比較器。

6、運(yùn)放電路未設(shè)反饋?zhàn)杩?，是一個(gè)開環(huán)放大器，因此，只要有微小的輸入電壓，其輸出電壓即達(dá)飽和值(或限幅值)。它的輸入端有鋸齒波電壓、控制電壓和偏置電壓等三個(gè)電壓信號(hào)綜合。由于三個(gè)信號(hào)的輸入回路電阻相等(均為51k)，因此其輸入綜合電壓即為三個(gè)電壓的代數(shù)和，(即)。由于是由反向輸入端輸入，因此當(dāng)綜合電壓u>0時(shí)，其輸出電壓將為負(fù)飽和值；反之，u<0時(shí)降為正飽和值。為了使當(dāng)控制電壓時(shí)，比較器輸出的電壓的正負(fù)半波的寬度相等(輸出的平均電壓為零)，偏置電壓取鋸齒波電壓最大值的一半，極性與相反，即。圖5為比較器輸出電壓與與綜合輸入電壓的波形圖。由圖5可以看出：當(dāng)時(shí)，比較器輸出電壓的正負(fù)半周時(shí)間相同

7、，輸出電壓的平均值為零。當(dāng)時(shí)，比較器輸出電壓為負(fù)值的時(shí)間較長(zhǎng)，輸出電壓的平均值為負(fù)值。當(dāng)時(shí)，比較器輸出電壓為正值的時(shí)間較長(zhǎng)，輸出電壓的平均值為正值。綜上所述，調(diào)節(jié)控制電壓的值，就可以調(diào)節(jié)比較器輸出電壓正負(fù)半周的時(shí)間比，就可以改變比較器輸出電壓的平均值。若減小，輸出電壓的平均值增大；若增大，輸出電壓的平均值減小。3)第三部分為開關(guān)電路功率放大部分，有正負(fù)電源和兩組功率放大電路組成。圖4中的和為推拉式開關(guān)管，設(shè)置穩(wěn)壓管和是為了提供正反門檻電壓，防止干擾信號(hào)使開關(guān)管和錯(cuò)誤導(dǎo)通。、和、為雙極晶體管組成的復(fù)合管，由他們組成功率放大電路。當(dāng)比較器的輸出電壓為正時(shí)，晶體管和復(fù)合管、導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)接通負(fù)電源，電

8、樞電壓為負(fù)值；當(dāng)比較器的輸出電壓為負(fù)時(shí)，晶體管和復(fù)合管、導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)接通正電源，電樞電壓為正值。圖中的、為續(xù)流二極管，起保護(hù)作用。以防止當(dāng)復(fù)合雙極晶體管關(guān)斷時(shí)電動(dòng)機(jī)電樞產(chǎn)生過高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將另一組雙極晶體管反向擊穿。4) 在圖4所示的電路中，驅(qū)動(dòng)的負(fù)載是一小功率的直流伺服電動(dòng)機(jī)，調(diào)制的電壓頻率為2000Hz。由雙極晶體管組成的脈寬調(diào)制型可逆供電電路，供電脈沖的頻率可以高達(dá)，經(jīng)電樞電感濾波后的脈動(dòng)電流很小，故系統(tǒng)的控制性能好，因此在小功率的調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。由于PWM放大器用用日益普及，出現(xiàn)了很多專用的集成電路，讀者可參閱有關(guān)文獻(xiàn)。在圖4中，可用三角波發(fā)生器代替鋸齒波發(fā)生器，也可用H性電路取代

9、T型電路，也可以采用單極性PWM控制方式，其調(diào)制工作原理是相同的。2.集成電路控制的BJT-PWM直流調(diào)速系統(tǒng)2.1系統(tǒng)的組成圖6為由SG1731PWM集成電路控制的、由BJT(H型)電路供電的直流調(diào)速系統(tǒng)。圖中，SM為永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)，供電電路為四個(gè)BJT構(gòu)成的H型電路，4個(gè)二極管為續(xù)流二極管，H型電路由±22V直流電源供電。SG1731為PWM專用集成電路，它由±15V和±22V兩組直流電源供電。TG為測(cè)速發(fā)電機(jī)，電位器RP調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速反饋電壓，轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)送往集成電路腳，給定信號(hào)送往腳，集成電路的腳接地；電源線路和保護(hù)、報(bào)警、顯示等環(huán)節(jié)的線路未畫在圖上。2.

10、2 SG1731集成電路控制的BJT-PWM直流調(diào)速系統(tǒng)的工作原理對(duì)于由集成電路控制的系統(tǒng)，首先應(yīng)該搞清專用集成電路的功能、技術(shù)指標(biāo)、各管腳的用途和對(duì)應(yīng)的輸入輸出信號(hào)，以及使用時(shí)的注意事項(xiàng)，然后由主電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制信號(hào)、工作過程、輔助電路的順序去搞清楚系統(tǒng)的原理。下面對(duì)集成電路做簡(jiǎn)單說明。2.2.1 SG1731PWM專用集成電路SG1731PWM專用集成電路的基本結(jié)構(gòu) SG1731PWM專用集成電路的管腳排列如圖7所示。其內(nèi)部功能如圖8所示。 該芯片內(nèi)有一個(gè)三角波發(fā)生器、偏差信號(hào)放大器、比較器和橋式功放電路。此電路的原理是將一個(gè)直流信號(hào)電壓與三角波電壓疊加后，形成脈寬調(diào)制方波，再經(jīng)過橋式

11、功率放大電路輸出。它具有外觸發(fā)保護(hù)、死區(qū)調(diào)節(jié)和±100電流的輸出能力；其振蕩頻率為可調(diào)，適用于單極性PWM控制，也可用于雙極性PWM控制，是直流電動(dòng)機(jī)控制專用集成電路。 SG1731PWM集成電路各管腳的名稱、輸入輸出信號(hào)和功能 根據(jù)產(chǎn)品說明書，SG1731PWM集成電路各管腳的名稱、輸入輸出信號(hào)和功能列于表1中。表中的電壓的符號(hào)仍保持原芯片說明書上的符號(hào)V，但在文字?jǐn)⑹鲋?，電壓的符?hào)仍一律沿用U表示，這一點(diǎn)要特別注意。電源及電壓信號(hào)此集成電路需要兩組電源：一組為（接16和9腳）用于芯片的控制電路；另一組電源（接14和11腳），用于橋式功放電路。此功放電路輸出的電流可達(dá)（功率放大器輸

12、出為12和13腳）。由圖6可知：電源電壓分別經(jīng)過電阻、和、分壓產(chǎn)生、和、。適當(dāng)選擇這些電阻可以得到所需的電壓值。另外，電源都經(jīng)過的電容接地，這是為了濾除電源中的干擾信號(hào)。三角波振蕩器由圖8可見，由觸發(fā)器、比較器、正反向恒流源（電流均為）和外接電容器構(gòu)成三角波振蕩器。為了便于理解將三角波振蕩器改畫成圖9所示的原理圖。由圖可知，當(dāng)開關(guān)左右撥動(dòng)時(shí)，電容充電的電流在正負(fù)值之間跳變，充放電斜率放生變化，就會(huì)得出等幅的三角波。偏差放大器為一個(gè)集成運(yùn)算放大器通過外接合適的電阻電容可構(gòu)成需要的調(diào)節(jié)器。在這里的調(diào)節(jié)器具有反向作用。PWM的形成、組成施密特觸發(fā)器，它的輸出為兩個(gè)不同的高低電平，可以控制PWM功率放大器的輸出。關(guān)斷控制功能在管腳15接入低電平可以使系統(tǒng)停止工作。注意事項(xiàng)與的差值不能小于7.0V,也不能超過30V。與的差值不能小于5.0V,也不能超過44V。芯片10腳必須接最低電位處。電動(dòng)機(jī)可用電源，也可另接電源。2.2.2主電路在圖6所示的系統(tǒng)中，主電路