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一种脉宽调制电机驱动电路的设计

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题目

一种脉宽调制电机驱动电路的设计

系别: 姓名: 学号: 班级:

电子电气工程系 周爱爱 200995014081 09 级电气 3 班

2012 年

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24 日

题目三:一种脉宽调制电机驱动电路的设计 目的:
1.实现对电气控制、电机拖动、变流技术等课程内容的应用; 2.掌握利用集成 PWM 芯片、H 桥芯片快速搭建电机驱动电路的方法。

课程设计任务:
1. 利用集成 PWM 芯片(SG3525) 、H 桥芯片(LMD18200)快速搭建电机驱动 电路;实现较好性能开环控制。 2. SG3525 产生 PWM 波,送给 LMD18200,由 18200 驱动电机运转。充分利用 两芯片的保护功能实现相关保护。 3. 选作部分:用 MCU 作为控制单元实现参数给定、修改,信息显示,数据处 理,给电机引入测速发电机或光电编码盘实现闭环控制。 (MCU 与后级芯片 要用光耦隔离) 4. 最后要给出驱动电路对应的电机容量。 5. 电路图要求用软件 Protel99 绘制,

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一种脉宽调制电机驱动电路的设计
1 引言
直流伺服电动机因调速性能好、起动转矩大,故在工农业生产、国防装 备、科学研究以及第三产业中都有大量的应用,在自动控制系统中常用来作 执行元件或信号元件,用于传递和变换信号。直流伺服电动机的驱动电路可 以采用分离器件来搭建,这种方法容易造成研制周期加长、电路体积增大、 结构复杂以及可靠性下降等问题。为了提高驱动电路的可靠性和稳定性,有 必要选择一种新的驱动方式,以达到减小电路体积以及提高电路选用美国国 家半导体公司(NS)生产的专门用于运动控制的LMD18200T智能功率集成电路 就是一种很好的解决方案。 LMD18200T是一种体积小、驱动能力强、内部集成了多种保护电路、单 片即可实现电机全桥驱动的集成功率放大器,故可有效减少系统发生故障的 可能性, 显著提高系统的可靠性, 充分体现了集成功率放大器外围电路简单、 性能稳定可靠、控制功能全面的优点。 随着电能变换技术的发展,功率MOSFET在开关变换器中开始广泛使 用,为此美国硅通用半导体公司(Silicon General)推出SG3525。SG3525 是用于驱动N沟道功率MOSFET。其产品一推出就受到广泛好评。SG3525 系列PWM控制器分军品、工业品、民品三个等级。本文对SG3525特点、引 脚功能、电气参数、工作原理以及典型应用进行了介绍。

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智能功率集成电路 LMD18200T 性能简介

LMD18200T是NS公司生产的专门用于直流电动机运动控制的智能功率集 成电路。它将4个DMOS管构成的H桥及其控制逻辑电路封装在一个ll引脚的芯 片中。它的工作电压高达55 v;连续工作电流3 A,峰值电流高达6 A;每个 开*骷牡纪ǖ缱璧湫椭滴0.3欧姆;输入信号兼容TTL和CMOS信号;具有 温度报警、过热以及负载短路保护能力。

2.1 引脚定义

2

各功能的功能如下:
引 脚 1、 11 2、 10 3 方向输入端 转向时,输出驱动电流方向见表一。该脚控制输出 1 与输出 2(脚 2、10)之间电流的方向,从而控制马达 旋转的方向。 4 刹车输入端 刹车时,输出驱动电流方向见表一。通过该端将马达 绕组短路而使其刹车。刹车时,将该脚置逻辑高电*, 并将 PWM 信号输入端(脚 5)置逻辑高电*,3 脚的 逻辑状态决定于短路马达所用的器件。3 脚为逻辑高 电*时,H 桥中 2 个高端晶体管导通。脚 4 置逻辑高 电*、脚 5 置逻辑低电*时,H 桥中所有晶体管关断, 此时,每个输出端只有很小的偏流(1.5mA) 。 5 6、 7 8 9 PWM 信号输入端 电源正端与负端 电源取样输出端 温度报警输出 提供电流取样信号,典型值为 377μ A/A 温度报警输出, 提供温度报警信号。 芯片结温达 145℃ 时,该端变为低电*;结温达 170℃时,芯片关断 PWM 信号与驱动电流方向的关系见表一。该端与 3 脚(方向输入) 如何使用,决定于 PWM 信号类型。 桥臂 1、2 的自举输入电容 连接端 H 桥输出端 在脚 1 与脚 2 与脚 10 与脚 11 名称 功能描述

表一 LMD18200 逻辑真值表
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PWM H H L H H L

转向 H L H H L X

刹车 L L L H H H

实际输出驱动电流 流出 1、流入 2 流入 1、流出 2 流出 1、流出 2 流出 1、流出 2 流入 1、流入 2 NONE

电机工作状态 正转 反转 停止 停止 停止

方式l:PWM 信号中既包含方向信息又包含幅值信息,PWM 信号从3脚输 入,5脚接至逻辑高电*。50%占空比PWM 信号对应于零驱动,*均负载电 流为零。大于50%占空比PWM信号对应于正向电流,负载电流从OUTPUT1流向 OUTPUT2。小于50%占空比PWM 信号对应于反向电流,负载电流从OUTPUT2流 向OUTPUT1. Vs POWER SUPPLY和GROUNDING 直流电源的正、负输入端。 CURRENT SENSE OUTPUT 电流检测输出端。每输出l A电流,引脚8输出 377的采样电流。

2.2 工作原理
LMD18200T的内部功能框图如图所示。 LMD18200T内部集成了4个DMOS管,组成了一个标准的H桥驱动电路。H桥 高侧DMOS功率器件要求其栅极驱动电压大于电源正极约8V以上才能导通。为 此该集成电路设置了内部充电泵电路,它由一个300 kHz振荡器控制,充电 泵电容被充电至14 V左右。此栅极驱动电压上升时间典型值为20us,适用于 工作频率1 kHz左右的情况。如果要求更高的工作频率,需要外接白举电容。 推荐用两个10nF的电容器分别接于引脚1、2和引脚10、11之间,是栅极驱动 电压上升时间在100 ns以下,允许开*德矢叽500 kHz。引脚2、10接直流 电动机的电枢两端,正转时电流的方向应该从引脚2到引脚10;反转时电流 的方向应该是从引脚10到引脚2。电流检测引脚8可以外接一个对地电阻,通 过此电阻来检测输出电流的情况。内部保护电路设置的过电流阈值是10 A, 当超过该值时会自动封锁输出,并周期性地自动恢复输出。如果过电流持续
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时间过长,过热保护将关闭整个输出。过热信号可以通过引脚9输出,当结 温达到145℃时引脚9有输出信号?。

2.2

LMD18200的应用电路

该电路是一个单极性驱动直流电机闭环控制电路。PWM信号由5脚 输入, 转向信号由3脚输入。 PWM的占空比决定转速, 方向信号决定转向; 增量式编码器反馈电机位置MCU通过其输出的A、B两项信号获得转速和 转向信息,从而形成闭环控制。

3 PWM控制芯片SG3525功能简介
SG3525是电流控制型PWM控制器, 所谓电流控制型脉宽调制器是按照 接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈 的信号与误差放大器输出信号进行比较,从而调节占空比使输出的电感峰值 电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统,因 此,无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高,是 目前比较理想的新型控制器。

3.1 SG3525引脚功能及特点简介
其原理图如图4.13下:

1.Inv.input(引脚1):误差放大器反向输入端。在闭环系统中,该引脚接反馈信号。在开 环系统中,该端与补偿信号输入端(引脚9)相连,可构成跟随器。 2.Noninv.input(引脚2):误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中,该端接给
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定信号。根据需要,在该端与补偿信号输入端(引脚9)之间接入不同类型的反馈网络, 可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。 3.Sync(引脚3):振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电 路同步。 4.OSC.Output(引脚4):振荡器输出端。 5.CT(引脚5):振荡器定时电容接入端。 6.RT(引脚6) :振荡器定时电阻接入端。 7.Discharge(引脚7):振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻,构成放电 回路。 8.Soft-Start(引脚8):软启动电容接入端。该端通常接一只5 的软启动电容。 9.Compensation(引脚9):PWM比较器补偿信号输入端。在该端与引脚2之间接入不同 类型的反馈网络,可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。 10.Shutdown(引脚10):外部关断信号输入端。该端接高电*时控制器输出被禁止。该 端可与保护电路相连,以实现故障保护。 11.Output A(引脚11) :输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。 12.Ground(引脚12):信号地。 13.Vc(引脚13):输出级偏置电压接入端。 14.Output B(引脚14) :输出端B。引脚14和引脚11是两路互补输出端。 15.Vcc(引脚15) :偏置电源接入端。 16.Vref(引脚16):基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。 特点如下: (1)工作电压范围宽:8—35V。 (2)5.1(1 1.0%)V微调基准电源。 (3)振荡器工作频率范围宽:100Hz—400KHz. (4)具有振荡器外部同步功能。 (5)死区时间可调。 (6)内置软启动电路。 (7)具有输入欠电压锁定功能。 (8)具有PWM琐存功能,禁止多脉冲。 (9)逐个脉冲关断。 (10)双路输出(灌电流/拉电流) : mA(峰值)。

3.2 SG3525的工作原理
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SG3525 内置了5.1V精密基准电源,微调至 1.0%,在误差放大器共模 输入电压范围内,无须外接分压电组。SG3525还增加了同步功能,可以工 作在主从模式,也可以与外部系统时钟信号同步,为设计提供了极大的灵活 性。在CT引脚和Discharge引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的 调节功能。由于SG3525内部集成了软启动电路,因此只需要一个外接定时 电容。 输入S G 3 5 2 5 的误差信号经过误差放大器放大后, 与其内部振荡器 产生的锯 齿波进行比较,比较器输出的脉宽信号再经分相器分成两路互不重叠的A, B两相脉宽信号,山具有图腾柱结构的输出端1 1 和1 4 脚输出,见图由图 可知, 锯齿波的高低电位分别为3 . 3 V和0 . 9 V, 故控制电路送给S G 3 5 2 5的控制电压信号应在0.9 V 至3 . 3 V之间变化, 如果控制信号小于0 . 9 V, 则控制效果和0 . 9 V相同;同样地,如果控制信号大于3 . 3 V,则和3 . 3 V的控制效果相同。 控 制 信号 在0 . 9 V - 3 . 3 V之问变化时 , 控制信号越大 , 则输出 的脉宽 越宽。 SG3525的软启动接入端(引脚8)上通常接一个5 的软 启动电容。上电过程中,由于电容两端的电压不能突变,因此与软启动电容 接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电*,PWM比较器输出高电 *。此时,PWM琐存器的输出也为高电*,该高电*通过两个或非门加到 输出晶体管上,使之无法导通。只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8 处于高电*时, SG3525才开始工作。由于实际中,基准电压通常是接在误 差放大器的同相输入端上,而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相 输入端上。当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时,误差放大 器的输出将减小,这将导致PWM比较器输出为正的时间变长,PWM琐存器 输出高电*的时间也变长,因此输出晶体管的导通时间将最终变短,从而使 输出电压回落到额定值,实现了稳态。反之亦然。 外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。 当 Shutdown (引脚10) 上的信号为高电*时, PWM琐存器将立即动作, 禁止SG3525的输出, 同时, 软启动电容将开始放电。如果该高电*持续,软启动电容将充分放电,直到 关断信号结束,才重新进入软启动过程。注意,Shutdown引脚不能悬空, 应通过接地电阻可靠接地,以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常 工作。 欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。如果输入电压过低, 在SG3525的输出被关断同时,软启动电容将开始放电。 此外,SG3525还具有以下功能,即无论因为什么原因造成PWM脉冲中 止,输出都将被中止,直到下一个时钟信号到来,PWM琐存器才被复位。

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4 光电隔离器
4.1 光电隔离器的概述
光电隔离器(optical coupler,英文缩写为 OC)亦称光耦合器,简称光 耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离 作用,所以,它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用 途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成:光的发射、光的接收 及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管(LED),使之发出一定波长的 光,被光探测器接收而产生光电流,再经过进一步放大后输出。这就完成了 电—光—电的转换,从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入 输出间互相隔离,电信号传输具有单向性等特点,因而具有良好的电绝缘能 力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件,因 而具有很强的共模抑制能力。所以,它在长线传输信息中作为终端隔离元件 可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口 器件,可以大大增加计算机工作的可靠性。

4.2 光耦合器的种类和优点
光耦合器的种类达数十种,主要有通用型(又分无基极引线和基极引 线两种) 、达林顿型、施密特型、高速型、光集成电路、光纤维、光敏晶 闸管型(又分单向晶闸管、双向晶闸管) 、光敏场效应管型。 光耦合器的主要优点是:信号单向传输,输入端与输出端完全实现了 电气隔离隔离,输出信号对输入端无影响,抗干扰能力强,工作稳定,无 触点,使用寿命长,传输效率高。光耦合器是 70 年代发展起来产新型器 件,现已广泛用于电气绝缘、电*转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、 斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、脉冲放大电路、数字仪表、 远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器 (SSR)、仪器仪表、通信设备及 微机接口中。 在单片开关电源中, 利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路, 通过调节控制端电流来改变占空比,达到精密稳压目的。 光耦合器一般由三部分组成:光的发射、光的接收及信号放大。输入的 电信号驱动发光二极管(LED),使之发出一定波长的光,被光探测器接收而 产生光电流,再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换,从 而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离,电信 号传输具有单向性等特点,因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由 于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件,因而具有很强的共模抑制 能力。所以,它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。 在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件,可以大大增加计 算机工作的可靠性。 光耦合器的种类达数十种, 主要有通用型(又分无基极引线和基极引线两 种)、达林顿型、施密特型、高速型、光集成电路、光纤维、光敏晶闸管型(又 分单向晶闸管、双向晶闸管)、光敏场效应管型。

4.3 光电隔离器的技术参数的介绍

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光耦合器的技术参数主要有发光二极管正向压降 VF、正向电流 IF、电流 传输比 CTR、输入级与输出级之间的绝缘电阻、集电极-发射极反向击穿电 压 V(BR)CEO、集电极-发射极饱和压降 VCE(sat)。此外,在传输数字信号 时还需考虑上升时间、下降时间、延迟时间和存储时间等参数。 最重要的参数是电流放大系数传输比 CTR( Curremt -Trasfer Ratio)。 通 常用直流电流传输比来表示。当输出电压保持恒定时,它等于直流输出电流 IC 与直流输入电流 IF 的百分比。当接收管的电流放大系数 HFE 为常数时, 它等于输出电流 IC 之比,通常用百分数来表示。有公式: CTR=IC/ IF×100% 采用一只光敏三极管的光耦合器,CTR 的范围大多为 20%~30%(如 4N35),而 PC817 则为 80%~160%,达林顿型光耦合器(如 4N30)可达 100%~500%。这表明欲获得同样的输出电流,后者只需较小的输入电流。 因此, CTR 参数与晶体管的 HFE 有某种相似之处。 普通光耦合器的 CTR-IF 特性曲线呈非线性,在 IF 较小时的非线性失真尤为严重,因此它不适合传 输模拟信号。线性光耦合器的 CTR-IF 特性曲线具有良好的线性度,特别是 在传输小信号时,其交流电流传输比(ΔCTR=ΔIC/ΔIF)很接*于直流电流传 输比 CTR 值。因此,它适合传输模拟电压或电流信号,能使输出与输入之 间呈线性关系。这是其重要特性。在设计光耦反馈式开关电源时必须正确选 择线性光耦合器的型号及参数,选取原则如下: (1)光耦合器的电流传输比(CTR)的允许范围是 50%~200%。这是因为 当 CTR<50%时,光耦中的 LED 就需要较大的工作电流(IF>5.0mA),才能 正常控制单片开关电源 IC 的占空比, 这会增大光耦的功耗。 若 CTR>200%, 在启动电路或者当负载发生突变时,有可能将单片开关电源误触发,影响正 常输出。 (2)推荐采用线性光耦合器,其特点是 CTR 值能够在一定范围内做线性 调整。 (3)由英国埃索柯姆公司、美国摩托罗拉公司生产的 4N××系列(如 4N25 、4N26、4N35)光耦合器,目前在国内应用地十分普遍。鉴于此类光 耦合器呈现开关特性,其线性度差,适宜传输数字信号(高、低电*),因此 不推荐用在开关电源中。

5 开环控制的电机驱动电路 5.1 搭建电路图
用Protel99绘制所需电路图:集成PWM芯片(SG3525)如下图:

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H桥芯片(LMD18200)和光电隔离器如下图:

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经过组合可以得到一种脉宽调制电机驱动电路,如图一,通过调节滑动 变阻器来调节集成PWM芯片(SG3525)的给定电压的值,从而输出不同的 PWM波(脉冲的频率决定电动机的转速,脉冲的宽度决定电动机的转向) , 送给LMD18200,由18200驱动电机运转。

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1

2

3

4

5

6

D

D

U1

VCC

1 2 3 4 5 6 7 8 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 INT1 INT0 T1 T0 EA/VP X1 X2 RESET RD WR 8 03 1 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07
C3

39 00 38 37 36 35 34 33 32

X1
C1

CAP RESER
Y1 R3

13 o ver 12 15 14 31

CAP CRYSTAL RES2

C
C2 D1

P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27

21 20 22 23 24 25 26 27 28

C

R 26

CAP X2 RESER 9

X1 19 X2 18

10k

6V 17 16

RXD TXD ALE/P PSEN

10 11 30 29
V tach a

+5V +15 V
S G1

图一
IN+3. 3 15 +15 V 4 70 003 C TLP1 8 1 2
74A LS 04 R4 OC4 R 30 5k V R1 10k

Vtach a

12
Vref VCC Vcc Ou t A Vc GND Ou t B Shu tdo wn Co mpen satio n
S G3525

V R2

1 IN+ Syn c OSC. o u t CT RT DisCharg e Soft-start 4 70 203 9 A RES2
R7

16 1 A 1k GND E 4
A4

测速电机

2 C 14 13 12
U 1A

6R 14

3

POT2

4

5 11 10 +3. 3
OC7 R1

3 5 +24 V 6
R 17

Dir PWM 6

TO-2 20

Ou t1

2
C 14 0.01uF, 50V

MMa

MMa 1 Bo ostrap 1

6

1

B 1

7 C

C7 0.05uF, 20V R 27 10K

VCC VCC 1k 4
1K

Vs
R 39

R 40 4K7

B 9 ver o 4
R 28

R 36

8

100

Ov erHeat Brak e 11
C 11 0.1uF ,50V

转台电机

C TLP1 8 1

E

8
10K

C8 0.1uF ,20V

Bo ostrap 2 Cu r_ Samp le 7 GND Ou t2
LMD 18200

C 15

1 0 0.01uF, 50V

MMb

f =1/( CT ( 0. 07 R T + 3 RD )) fosc = 10 kH z (R T = 10 k ohm , CT = 0.01 uF , RD = 100 ohm) fosc = 40 kH z (R T = 3.6 kohm , C T = 0. 01 uF, R D = 0ohm )

MMb

A Title

A

脉 宽 调 制 电 机驱 动 电 路
Size B Date: File: 2 8-Ju n -2 0 09 Sheet o f C:\Do cu men ts an d Settin gs\成 超 \桌 面 \电 路 图 \Back Drawn up By: of Sheet1 .DDB 3 4 5 6 Nu mber Rev isio n

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2

5.2 波形输出

5.3 驱动电路对应的电机容量
电机容量为P=U*I=24V*3A=72W 6 结果与体会
课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题, 锻炼实践能力的重要环节,是对我们的实际工作能力的具体训练和考察过程。 在做这次的课程设计中,把忘掉的东西重新捡起来非常重要。因为它不仅局 限于一门课程,在做的过程中要使用别的看科目的知识,这才使得我的课程 设计的一完成。另外,采用PWM芯片(SG3525)和H桥芯片(LMD18200)组成 一种脉宽调制电机驱动电路的设计方案具有使用方便,便于控制,体积小, 驱动能力强等特点,是目前国际上比较先进的一种电机驱动模式,在工业市 场具有相当广泛的应用前景。

参考文献
[1] [2] [3] [4] [5] 江晓安,董秀峰. 模拟电子技术,西安: 西安电子科技大学出版社,2006 郑堤,唐可洪. 机电一体化设计基础, 北京:机械工业出版社,1997.7 陈伯时. 电力拖动自动控制系统,北京:机械工业出版社,2003,7 王划一,自动控制原理,北京:国防工业出版社,2006,9 桑胜举,单片机原理及应用,北京:中国铁道出版社,2010,08

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