基于PWM控制的直流電機帶恒轉(zhuǎn)矩負載的調(diào)速系統(tǒng)設計

1、基于PWM控制的直流電機帶恒轉(zhuǎn)矩負載的調(diào)速系統(tǒng)設計 組員：傅龍輝 梁劍龍 黃毅 程俊 周燕碧指導老師：程良鴻摘 要本設計以IR2111為核心，采用PWM技術(shù)的直流電機控制系統(tǒng)。詳細介紹了直流電機PWM調(diào)速控制原理、IR2111驅(qū)動原理與電路設計以及在恒負載的情況下相應實驗現(xiàn)象以及數(shù)據(jù)分析。實驗表明，基于IR2111的直流電機控制系統(tǒng)電路簡單、驅(qū)動能力強而且控制方便，性能穩(wěn)定。關鍵字：IR2111、PWM、直流電機、調(diào)速系統(tǒng)1 前沿由于直流電機具有良好的起動、制動和調(diào)速性能，已廣泛應用于工業(yè)、航天領域等各個方面。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，脈寬調(diào)制（PWM）調(diào)速技術(shù)已成為直流電機常用的調(diào)速方法，具有

2、調(diào)速精度高、響應速度快、調(diào)速范圍寬和功耗低等特點。使用專用的集成電路驅(qū)動芯片設計的電路有線路簡單、成本低廉的優(yōu)點，在成本敏感的應用中是最好的選擇。IR2111 是國際整流器公司（International Rectifier，簡稱IR）的產(chǎn)品，多應用在電子整流器等照明電路中，市場批發(fā)價不到2元人民幣，將其應用到電動機控制電路中，可以取得很好的效果。2 設計要求分析由于設計要求基于PWM控制直流電機運行在第二象限，即正轉(zhuǎn)和制動，然后觀測在帶恒負載的情況下直流電機的運行性能，因而本設計采用TL494經(jīng)電阻控制進而對脈寬進行調(diào)制，并在老師給出的參考電路和借鑒IR2111的典型應用電路中，只要在負載端

3、和地之間接入直流電機，就組成了一個有制動的不可逆脈寬調(diào)制系統(tǒng)，通過電阻來達到無級調(diào)速，取得很好效果。3直流電機PWM調(diào)速控制原理眾所周知，直流電動機轉(zhuǎn)速公式為：n = （U - IR）/ K其中U為電樞端電壓，I為電樞電流，R為電樞電路總電阻，為每極磁通量，K 為電動機結(jié)構(gòu)參數(shù)。直流電機轉(zhuǎn)速控制可分為勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法用得很少，大多數(shù)應用場合都使用電樞電壓控制法。隨著電力電子技術(shù)的進步，改變電樞電壓可通過多種途徑實現(xiàn)，其中脈沖寬度調(diào)制( PWM) 便是常用的改變電樞電壓的一種調(diào)速方法。其方法是通過改變電機電樞電壓接通時間與通電周期的比值( 即占空比) 來調(diào)整直流電機的電樞電

4、壓U，從而控制電機速度。4 方案選擇與論證4.1脈寬調(diào)制電路的選擇方案1：采用AVR單片機來進行PWM的產(chǎn)生以及調(diào)控。方案2：采用TL494脈寬調(diào)制芯片鑒于TL494芯片價格較低而且外圍電路比較容易搭建，調(diào)控方便，故選用了方案2來進行PWM的產(chǎn)生。4.2驅(qū)動電路的選擇方案1：使用多個功率放大器件例如三極管以及相關功率管等，通過不同的放大驅(qū)動電路和不同參數(shù)的器件，可以達到不同的放大要求以及相應的控制時序，但由于控制的是半橋驅(qū)動電路，需要考慮到獨立電源的問題，電路制作比較復雜。方案2：采用專用驅(qū)動集成芯片IR2111來驅(qū)動半橋，IR2111 是功率MOSFET 和IGBT 專用柵極驅(qū)動集成電路，可

5、用來驅(qū)動工作在母線電壓高達600V 的電路中的N溝道功率MOS 器件。采用一片IR 2111 可完成兩個功率元件的驅(qū)動任務，其內(nèi)部采用自舉技術(shù)，使得功率元件的驅(qū)動電路僅需一個輸入級直流電源；可實現(xiàn)對功率MOSFET和IGBT 的最優(yōu)驅(qū)動，還具有完善的保護功能。很明顯采用方案2有較大優(yōu)勢，而且外圍電路制作簡單，控制方便，采用方案二。5 本設計具體實現(xiàn)5.1 直流電機驅(qū)動控制總流程圖直流電機驅(qū)動控制電路分為控制信號電路、脈寬調(diào)制電路、IR2111信號驅(qū)動電路、單臂功率驅(qū)動電路等部分，控制總流程如圖 1所示。圖 1 控制總流程由圖 1可以看出先調(diào)節(jié)滑動電阻，然后由TL494進行脈寬調(diào)制，其PWM輸出

6、信號經(jīng)IR2111芯片產(chǎn)生兩路互補PWM信號進而驅(qū)動半橋，最后控制直流電機運行于第二項象限。5.2 TL494脈寬調(diào)制電路TL494是一個固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，振蕩頻率可通過外部的一個電阻和一個電容進行調(diào)節(jié)，其振蕩頻率如下：fosc = 1.1 / RT*CT圖 2 TL494結(jié)構(gòu)圖輸出脈沖的寬度是通過電容CT 上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個控制信號進行比較來實現(xiàn)。功率輸出管Q 1 和Q 2受控于或非門。當雙穩(wěn)觸發(fā)器的時鐘信號為低電平時才會被選通，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會被選通。當控制信號增大，輸出脈沖的寬度將減小?？刂菩盘栍杉呻娐吠獠枯斎耄宦匪?/p>

7、至死區(qū)時間比較器，一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時間比較器具有120 mV的輸入補償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時間，約等于鋸齒波周期的4%，當輸出端接地，最大輸出占空比為96%，而輸出端接參考電平時，占空比為48%。當把死區(qū)時間控制輸入端接上固定的電壓（范圍在0 3. 3 V之間）即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時間。該芯片具有抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高以及價格便宜等特點。PWM信號產(chǎn)生電路如圖 3 TL494典型電路。圖 3 TL494典型電路5.3 半橋驅(qū)動電路設計IR2111 是功率MOSFET 和IGBT 專用柵極驅(qū)動集成電路，可用來驅(qū)動工作在母線電壓高達600V 的電路中的N溝

8、道功率MOS 器件。采用一片IR 2111 可完成兩個功率元件的驅(qū)動任務，其內(nèi)部采用自舉技術(shù)，使得功率元件的驅(qū)動電路僅需一個輸入級直流電源；可實現(xiàn)對功率MOSFET和IGBT 的最優(yōu)驅(qū)動，還具有完善的保護功能。具體電路設計如圖 4。圖 4 IR2111半橋驅(qū)動電路設計圖中上管是指接到高電壓端的N 溝道MOSFET 或IGBT，本設計選用IRF460，注意應外接或內(nèi)置保護、續(xù)流二極管，下管是指接到低電壓端的MOSFET 或IGBT（本設計選用IRF460）。Vcc 是給IR2111供電的電源，以15V 為最佳。Vcc降低至10V， IR2111也能工作，但會增加MOSFET 或IGBT的開關損耗。6 實驗方案設定與數(shù)據(jù)分析6.1 實驗方案設定設計要求直流電機帶動恒轉(zhuǎn)矩負載，故實驗