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PWM控制技术在直流无刷电机调速系统中的应用

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PWM控制技术在直流无刷电机调速系统中的应用

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维普资讯 http://www.cqvip.com 2006年 12月  火控 雷 达技 术  第 35卷  文 章 编 号 :1008— 8652(2006)04一()37—003  PWM 控制技术在直流无 刷 电机调速 系统 中的应用  李 小 艳  (西 安 电子 工 程 研 究 所  西 安 710100)  【摘 要】  介 绍 PW M 技 术 的工作 原理 ,以及 应 用于 直流无刷 电机调 速 系统 的 实例 分析 。  关键词 ;PW M ;直 流 无 刷 电机 ;占空 比 ;稳 速  中 图分 类 号 :TM 33  文献 标 识 码 :A  Application of PW M  Control Technology in Speed Control System  of DC Brushless M otor  (X i’Oil1 Elect1‘onic Engineet ing Reseal (^ Institute,Xi’an,7101O0)  Abstract:  Fhe operalion principle Of pulse widf l ̄modulation (PW M )is presented,and the example of  il s application in DC brushlcss m otor speed control system is analyzed.  Keywords: PW M ;DC brushless m otor;duty cycle;stead speed  1  引言  脉 宽 凋制 (PW M)是利 用数 字输 出对模 拟 电路进 行控 制 的一种有效 技术 ,尤其是 在对 电机 的转速控 制方  面 ,可 大大节 省 能量 。  PW M 具有 很 强的抗 噪性 ,且有 节 约空问 、比较 经济 等特 点 。模 拟 控制 电路 有 以下 缺陷 :模拟 电路容 易随  时问漂 移 ,会产 生一些 不必 要 的热损耗 ,以及对 噪声敏 感等 。而 在用 了 PWM 技术 后 ,避免 了 以上的缺 陷 ,实  现 了用 数字 方式来 控 制模 拟信 号 ,可 以大 幅度 降低成本 和 功耗 。  2  直 流 无 刷 电机  直 流无 刷 电机 由电动机 、转 子位置 传感 器 和电 子开 关线 路三 部分 组成 ,它 的原理 框 图 如图 1所 示 。图 1  中直 流电 源通 过开 关线 路 向电 动机 定子绕 组 供 电 ,电动机 转子 位置 由位 置传 感器 检 测并 提 供信 号去 触 发开  关 线路 中的 功率 开关元 件使 之 导通或 截止 ,从而 控制 电动 机 的转 动 。在 应用 实例 中 ,磁极旋 转 ,电枢静 止 ,电  枢 绕组 里的 电流换 向借 助 于位 置传感 器和 电子 开关 电路来 实 现。  输 出  图 1  直流无刷 电机 原理 框 图  电机 的电枢绕 组作 成 三相 ,转子 由永 磁材料 制成 ,与转 子 轴相连 的位 置传 感 器采 用霍 尔 传感 器 。36O。范  围 内 ,两两 相 差 12O。安 装 ,共 安装 三 个 。为了 提高 电机 的特性 ,电机采 用 二相 导通 星形 三相 六 状态 的工 作 方  收 稿 日期 :2006  08一 卜t  37  维普资讯 http://www.cqvip.com 2006年 12月  火控 雷达技 术  第 35卷  式。开关电路采用三相桥式接线方式 。它的工作原理如图 2所示。其导通顺序按 AB—AC—Bc—BA~cA~  CB进行 ,共六 种状 态 。故磁状 态 角  一丌/3,每种 工作状态 均 为两相 导通 串联导 电工 作 。  功放级  Ef+)  3  调速 控 制  图 2  电机 工作 原理 图  3.1 逻辑控 制部 分  根 据表 1中所 示 的导 通顺 序 ,要求 转子 导磁 体张角 n 一2玎/3。无刷 直流 电机 的位置传 感器 选用 霍尔 器  件 ,三 个霍尔 传感 器两 两之 间互成 120。安 装 。位 置传感 器所 产生 的信 号  H Ⅳ。送 给波 形整形 器进 行整  形 。  表 中有 密 横 线 部分 表 示管 子 的导 通 角 0,、绕 组 磁  状 态 角 0 。  转 子导磁 体 张角  的选 择一 般稍 大于 2丌/3,大约  做成 l30。左 右 。这样作 的 目的是 ,在 电机 电枢 绕组换 相  时 ,总有一瞬 间两 绕组 重 迭导通 。死点 和可靠起 动 的问  题解决 了 ,但 对 于桥式 开关 电路 ,就可能 出现上 下两 管  同时 导通 ,而 使 电源短 路 的现 象 。为 了解决这 一 问题 ,  将传 感器 三路 输 出信 号进 行 逻辑 组 合 ,保证 电 枢 电流  换 相 时 ,既确 保 电流衔 接 ,又确保 管子安 全 。从 波形 来  说 ,后 沿跟前 沿 刚好搭 接 上。即重叠 l。左右 。这样 就可  以不 至 于 因电 源短 路 而烧 坏 管子 ,义可 以做 到换 相 及  表 1  绕 组导 电顺序和功 率管工 作关 系表  譬霉 。 /。 z /s  s / s /。 z  导通  A  启  C  顺 序  矗  (_  A  B  .厂1  盒  ≈ ≈  7 2  ≈  ≈≈   丁 3  =≈ ≈ 0  丁 4  ≈≈ ≈≈≈ ≈≈   l,’5  ≈ ≈ ≈   r厂6  ≈  =≈ ≈   ≈  时 。不 出现空 档 (即死 点 ),其逻辑 组合 的波形 如图 3所示 。  主要作 用是 实现 信号 逻辑组 合 ,信号经 过逻辑 组合控 制后 ,起着 电机起 动不 出现死点和 不烧功 放管及 稳  速 功能 。具 体 实现选 用 三输入 三 与门 4073一块 ,三输入 三 与非门 4023一块 及 4049六 反相 器一块 等 COMS  集成 电路组 成 。  3,2 调 速以及 稳速 控 制  在调 速 电路 中 ,主要采 用时 基 电路 I M555和脉宽 调制 器 SG1525来完 成 ,LM555用 于产 生一个 占空 比  一 定 、且有固定频率的方波信号。SG1525为单片脉宽调制型控制器芯片,具有输出 5.1V 的基准稳压电源、  误差 放大器 、振 荡频 率在 1O0~400kHz范围 内的锯齿 波振荡 器 、软 启动 电路 、关 闭电路 、脉宽调 制 比较 器 RS  寄存 器 以及 保护 电路 等 。它解 决 了 PWM 电路 的集成化 问题 ,在实 例 中用 此芯 片来 实现 系统 的调速 。  在具体 的 电路 中 ,首 先对位 置传感 器 信号进行 整形 ,形成 所需要 的前后 沿很 陡 ,具有一 定宽 度的 波形 。经  微分 电路微 分 ,产生 的微 分脉 冲去 触发 时基 电路 LM555,形 成 占空 比为 2:1的方波 ,方波频 率约 为 200Hz。  此方 波频 率计算 公 式 为 :  j一 ’l*{)?6Q  式 中 川 为 电机 的额定 转速 r/rain、/、为位置 传感 器输 出信号 的频率 、P为 电机的极对 数 。  方 波经 滤 波 器滤 波 后 ,形成 直 流 电压送 人脉 宽凋制 器 ,与脉宽 调 制器 的反馈 电压 进行 比较 ,利用 得 到的  误 差 信号去 控 制脉 宽调 制器输 出 的调制 方波脉 冲 的宽 度变 化 ,即 PWM 输 出脉 冲 占空 比的变 化 ,利用 占空 比  的变化 调整加 在 电机 电 枢绕组 上 的 电压 .改变 电压随 即改 变 电机 电流 。转 速依据 电流的 大小 来改 变 ,实现 了  38  第 4期  维普资讯 http://www.cqvip.com 李小艳 PWM 控 制技 术在 直流 无刷 电机调速 系统 中的 应 用  D  D  D  D  D  D  0  D  D  ▲  } 广———] .. .  二:  厂—————]  一 . .  l -=  图 3  逻 辑 组 合 波 形 图  凋速功 能 。稳速 功能 的实现 即是 要求加 在绕 组 上 的电压处 于一 个动 态稳 定的 电压值 ,稳速 的实现 实质 上就是  让电枢 绕组上 的电压稳 定 。即用稳 压来 实现 电机稳 速 。  反  图 4  集成 电路脉 宽调 制框 图  集成电路 脉宽调制器的基本结构框图见图 4,取 自输出端的反馈信号 u 加在误差放大器 的同相输入  端 ,固定 的基 准 电压 信号 U /加 在误差 放大 器 的反相 输入 端 。固定频 率 振荡 器产生 的线性增 长的锯齿 波 电压  f, 加在 比较 器 的 同相输 入端 ,当锯齿 波 电压 (, 高 于误 差信 号  时 ,比较 器输 出为正 ,反之 为零 。振 荡 器的  输 出电压 【, 同 时送 到触 发 器 的 CP输 入端使 触 发器 翻转 。由触发器 作  用得到 了 /\、B两种不 同 的被 调制 电压 信号 。  /  /   。  B  在 稳 速 过 程 中 ,当输 出电 压 减 小 时 ,反 馈 信号 、误 差 信 号 随 着 减  -_—   ,   I  /   l  ,  \B  小 ,比较 器 和 A、B两 通 道 输 出 的方 波 宽 度 相 应增 宽 ,即 占空 比增 大 ,  — —   _  从而使 输 出电压 回升 ,达 到稳 压 的 目的 ,从 而 稳速 。  PW M 调 速 过程 实 际 上 是 (V一 占空 比)转 换 过 程 ,电 压 与 占空 比  U  的转化 如 图 5所 示 。  l  l  l l  t  图  中,脉 冲宽度 r的改 变是 随着 (, 的 改 变而改 变 。假 定在 没有 1  T|】   误差 的情况 下 , 2,一0时的 基本形 式 r—r  当 △ ,增 加 ,( 减 小 ,与 ( .  比较 ,输 出高 电平 ,使得 商 线 AB下移 到 A B ,这时 r变 为 r ,脉宽 增  加 。  减 少 ,  增 加 ,与 (  比较 .输 出低 电平 ,使得 AB线 上 移至 A”  图 j  V一 占空 比 转 换 示 意 图  (下转 第 77页 )  39  维普资讯 http://www.cqvip.com 第 4期  杨  俐 C波段 双基地 雷 迭频 率综合 器的设 计  5 研 制 结果  经过测试,以上述方案研制完成的频率综合器达到了所要求的技术指标 。其 中发射站频综射频信号 Fc  技术 指标 实测 如下 :  输 出频 段 :C波段 ,28个 频点 ;  输 出射频 信号形 式 :调频 斜 率为 对称 三角形 的线性 调 频连续 波射 频信号 ,调 频带 宽 士4MHz;  输 出信号 功率 :≥ 15mW ;  相位 噪声 :£(1kHz)≤ ~ 105dBc/Hz;  杂散 :≤ 一60dB  接收站频综一本振信号主要技术指标实测如下 :  一 本 振  工 作 频段 ;C波段 ,频率 间隔 30MHz;  输 出信号 功 率 :≥ lW ,带内功 率起 伏≤ 1.3dB;  相位 噪声 :一108dBc/Hz;  杂散 ;≤ 一 65dB。  6  结 束 语  图 4 发 射站 频率 源频 率合成 方框 图  上述 频率综 合 器在 方 案设 计 、工程 适 应性 设计 、模 块 化设 计 、电磁 兼容 性设 计 以及 结 构设 计 等方 面进 行  了认 真分 析与 仿 真 ,通 过 项 目组 同事 的共 同努 力研 制 出的频 率综 合 器 ,已经交 付总 站 使用 ,完 全满 足 雷达 系  统的 要求 ,并 已成功应 用 于双基 地 雷达 系统 中 。  参考 文献 :  [1]  弋稳.雷达接 收机 技 术EM].北京 :电子 工业 出版社 ,2005.  [2]  白居宪.低噪声频率合成[M].西安 :西安交通大学出版社,1995.  (上 接第 39页 )  B ,这时 r变为 rz,脉 宽变窄 。那 么此脉 冲经 功率放大后 ,流过电机 电流 的电流  随之变化 。很 显然 ,脉 宽 比较宽  的 , 大 ,电机转 速增加 。脉宽窄 的 ,小 ,电机转 速下降 。基于这一原理 ,就可以实现 电机调速和稳速 的要求 。  4  结 束 语  在应用实例中,PWM 对调速系统来说 ,有如下优点 :系统的响应速度和稳定精度等指标 比较好;电枢电  流的脉 动量 小 ,容 易连 续 ,而且 可 以不 必外 加 滤波 电抗 也可 以平 稳工作 ;系统 的 调速 范 围宽 ;使 用元 件 少 、线  路 简单 。  参 考文 献 :  [1] 机 电一体化 实用技术[M_ j.上海:上海科 学技术文献出版社  [2]  开关稳压 电源[M].北 京 :高等教 育 出版社 .  77 

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