基于PWM控制的直流電機(jī)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于脈寬調(diào)制控制的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載dc電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)組員：傅隆輝梁劍龍黃奕成周俊燕碧講師：程摘要本設(shè)計(jì)以紅外2111為核心，采用了基于脈寬調(diào)制技術(shù)的dc電機(jī)控制系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了dc電機(jī)的脈寬調(diào)制調(diào)速原理、紅外2111的驅(qū)動(dòng)原理和電路設(shè)計(jì)，以及相應(yīng)的恒負(fù)載實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)分析。實(shí)驗(yàn)表明，基于ir2111的dc電機(jī)控制系統(tǒng)電路簡單，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，控制方便，性能穩(wěn)定。關(guān)鍵詞：紅外2111，脈寬調(diào)制，dc電機(jī)，速度控制系統(tǒng)1前沿dc電機(jī)因其良好的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速性能，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，脈寬調(diào)制調(diào)速技術(shù)已成為dc電機(jī)常用的調(diào)速方法，具有調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬、

2、功耗低等特點(diǎn)。用專用集成電路驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)的電路具有電路簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，是成本敏感應(yīng)用的最佳選擇。ir2111是國際整流器公司(簡稱ir)的產(chǎn)品，主要用于電子鎮(zhèn)流器等照明電路。市場批發(fā)價(jià)不到2元人民幣。當(dāng)它用于電機(jī)控制電路時(shí)，可以獲得良好的效果。2設(shè)計(jì)要求分析由于設(shè)計(jì)要求dc電機(jī)在基于脈寬調(diào)制控制的第二象限運(yùn)行，即正向旋轉(zhuǎn)和制動(dòng)，然后觀察dc電機(jī)在恒定負(fù)載下的運(yùn)行性能，因此本設(shè)計(jì)采用tl494通過電阻控制來調(diào)節(jié)脈寬。在老師給出的參考電路和以ir2111為參考的典型應(yīng)用電路中，只要將dc電機(jī)連接在負(fù)載端和地之間，就形成了帶制動(dòng)的不可逆脈寬調(diào)制系統(tǒng)，通過電阻實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，取得了良好的效果。3 d

3、c電機(jī)的脈寬調(diào)制調(diào)速原理眾所周知，dc馬達(dá)的速度公式是：n=(鈾-銥)/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為電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。dc電機(jī)的速度控制可分為勵(lì)磁控制方法和電樞電壓控制方法。勵(lì)磁控制方法很少使用，電樞電壓控制方法在大多數(shù)應(yīng)用中使用。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電樞電壓可以有多種變化方式，其中脈寬調(diào)制是改變電樞電壓的常用調(diào)速方法。該方法是通過改變電樞電壓接通時(shí)間與通電時(shí)間的比值來調(diào)節(jié)dc電機(jī)的電樞電壓，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。4方案選擇和論證4.1脈寬調(diào)制電路的選擇方案1:利用avr微控制器產(chǎn)生和控制脈寬調(diào)制。方案二：采用tl494脈寬調(diào)制芯片鑒于tl494芯片價(jià)

4、格低廉，外圍電路易于搭建和控制，因此選擇方案2產(chǎn)生脈寬調(diào)制。4.2驅(qū)動(dòng)電路的選擇方案一：使用多個(gè)功率放大器件，如三極管和相關(guān)功率管，不同的放大器驅(qū)動(dòng)電路和不同參數(shù)的器件可以滿足不同的放大要求和相應(yīng)的控制時(shí)序。然而，因?yàn)榭刂剖前霕蝌?qū)動(dòng)電路，所以需要考慮獨(dú)立電源的問題，并且電路制造復(fù)雜。方案二：采用專用驅(qū)動(dòng)集成芯片ir2111驅(qū)動(dòng)半橋。ir2111是一種用于功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管和igbt的特殊柵極驅(qū)動(dòng)集成電路，可用于驅(qū)動(dòng)總線電壓高達(dá)600伏的n溝道功率金屬氧化物半導(dǎo)體器件。使用一個(gè)ir 2111可以完成兩個(gè)功率元件的驅(qū)動(dòng)任務(wù)，其內(nèi)部自舉技術(shù)使得功率元件的驅(qū)動(dòng)電路只需要一個(gè)輸入級(jí)dc電源

5、；它可以實(shí)現(xiàn)功率mosfet和igbt的最佳驅(qū)動(dòng)，并具有完善的保護(hù)功能。顯然，方案二有很大的優(yōu)勢，外圍電路制作簡單，易于控制，所以采用方案二。5本設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)5.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制總流程圖dc電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路分為控制信號(hào)電路、脈寬調(diào)制電路、ir2111信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路、單臂功率驅(qū)動(dòng)電路等?？偟目刂屏鞒倘鐖D1所示。數(shù)字從圖1可以看出，首先調(diào)整滑動(dòng)電阻，然后由tl494進(jìn)行脈寬調(diào)制，其脈寬調(diào)制輸出信號(hào)通過ir2111芯片產(chǎn)生兩個(gè)互補(bǔ)的脈寬調(diào)制信號(hào)驅(qū)動(dòng)半橋，最后控制dc電機(jī)在第二象限運(yùn)行。5.2 tl494脈寬調(diào)制電路tl494是一個(gè)固定頻率脈寬調(diào)制電路，內(nèi)置線性鋸齒波振蕩器。振蕩頻率可以通過外部電阻和電

6、容來調(diào)節(jié)。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將電容器ct上的正鋸齒電壓與另外兩個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行比較來實(shí)現(xiàn)的。功率輸出晶體管q 1和q 2由或非門控制。當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)為低電平時(shí)，只有當(dāng)鋸齒電壓大于控制信號(hào)時(shí)，它才會(huì)被選通。當(dāng)控制信號(hào)增加時(shí)，輸出脈沖的寬度將減小。控制信號(hào)從集成電路外部輸入，一路送到死區(qū)時(shí)間比較器，另一路送到誤差放大器的輸入端。死區(qū)時(shí)間比較器的輸入補(bǔ)償電壓為120毫伏，限制了最小輸出死區(qū)時(shí)間，約為鋸齒波周期的4%。當(dāng)輸出端接地時(shí)，最大輸出占空比為96%，而當(dāng)輸出端連接到參考電平時(shí)，占空比為48%。當(dāng)死區(qū)時(shí)間控制輸入端連接有固

7、定電壓(范圍從0到3。3伏)，輸出脈沖會(huì)產(chǎn)生額外的死區(qū)時(shí)間。該芯片具有抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、價(jià)格低廉的特點(diǎn)。脈寬調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路如圖3中tl494的典型電路所示。圖3 tl 494的典型電路5.3半橋驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)ir2111是一種用于功率金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管和igbt的特殊柵極驅(qū)動(dòng)集成電路，可用于驅(qū)動(dòng)總線電壓高達(dá)600伏的n溝道功率金屬氧化物半導(dǎo)體器件。使用一個(gè)ir 2111可以完成兩個(gè)功率元件的驅(qū)動(dòng)任務(wù)，其內(nèi)部自舉技術(shù)使得功率元件的驅(qū)動(dòng)電路只需要一個(gè)輸入級(jí)dc電源；它可以實(shí)現(xiàn)功率mosfet和igbt的最佳驅(qū)動(dòng)，并具有完善的保護(hù)功能。具體電路設(shè)計(jì)如圖4所示。圖4 ir 2111半橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖中上部的管指的是連接到高壓端子的n溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管或igbt。本設(shè)計(jì)選擇了irf460。應(yīng)該注意的是，應(yīng)該使用外部或內(nèi)置保護(hù)和續(xù)流二極管，而下管指的是連接到低壓端子的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管或igbt(在本設(shè)計(jì)中選擇irf460)。vcc是ir2111的電源，15v是最好的。當(dāng)vcc降低到10v時(shí)，ir2111可以工作，但是它將增加場效應(yīng)晶體管或igbt的開關(guān)損耗。6實(shí)驗(yàn)方案設(shè)置和數(shù)據(jù)分析6.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)置設(shè)計(jì)要求dc電機(jī)驅(qū)動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，因此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的實(shí)