直流電機的PWM調(diào)速控制器

1、畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文直流電機的PWM調(diào)速控制器 指導(dǎo)老師姓名： 專 業(yè) 名 稱：電氣自動化技術(shù)班 級 學(xué) 號：論文提交日期： 論文答辯日期：年 月 日11摘要:本文介紹的是一種脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制的雙環(huán)可逆直流調(diào)速系統(tǒng)，它采用場效應(yīng)晶體管（FET）脈寬調(diào)制（PWM），這是一種新型的控制系統(tǒng)。它可以方便的控制其通斷。因此它組成的調(diào)速系統(tǒng)除結(jié)構(gòu)簡單外，更具有開關(guān)頻率高、主電路脈動成分小、低速運行性能好。本設(shè)計的意義在于運用PWM原理能有效地提高裝置的功率因素，有效地控制和消除諧波。從而達到節(jié)約能量，經(jīng)濟高效的效果。關(guān)鍵詞:脈沖寬度調(diào)制，直流調(diào)速系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單Abstract: The te

2、xt is about a inverted double-circle direct-current system that is controlled by pulse width modulation（PWM）. It adopts FET-PWM. It is a new kind of controlling system. It is convenient to control its working or not. Besides its simple structure, it also has the high switch frequency, low pulse floa

3、t in the power circuit and excellent low speed function. The significance designing that originally depends on the principle wielding PWM can improve the device power factor effectively, controls and removes a harmonic effectively. Reach the economy energy, economy high-effect effect thereby.KEYWORD

4、：pulse width modulation，direct-current system ，simple structure目錄緒論1第一章脈寬調(diào)制(PWM)直流調(diào)速控制概述21.1直流電機調(diào)速原理21.2PWM控制技術(shù)的應(yīng)用21.2.1PWM在直流調(diào)速中的應(yīng)用21.2.2 PWM相關(guān)概念31.2.3PWM控制電機轉(zhuǎn)速的原理31.3設(shè)計目標4第二章元器件應(yīng)用介紹52.1 二極管52.1.1 整流二極管62.1.2 穩(wěn)壓二極管62.1.3 續(xù)流二極管62.2 整流橋堆72.3 三端穩(wěn)壓器72.2.1固定輸出三端穩(wěn)壓器72.3 運算放大器82.3.1 LM324運算放大器82.4 電壓比較器92

5、.4.1 LM393比較器102.5 三極管112.5.1 NPN型、PNP型三極管的結(jié)構(gòu)和符號112.5.2 NPN型三極管電流放大原理112.5.3 晶體三極管的三種工作狀態(tài)122.6 場效應(yīng)管132.6.1 場效應(yīng)管的作用與特點132.6.2 場效應(yīng)管的分類132.6.4 關(guān)于MOSFETIRF740142.7 光電耦合器14第三章電路設(shè)計163.1 直流電源163.1.1 12V直流穩(wěn)壓電源163.1.2 為直流電機供電的+36V直流電壓183.1.3 為H型橋式驅(qū)動電路上橋和下橋供電的+12V和-5V直流電壓183.2 三角波電路203.2.1三角波電路工作原理203.2.2 參數(shù)計

6、算213.2.2 元器件參數(shù)選擇213.3 方波輸出223.4 H橋驅(qū)動電路233.4.1 H橋驅(qū)動電路原理233.5 單雙極性可逆變換器比較243.4.2 PWM控制H橋功率驅(qū)動電路253.4.3 PWM控制H橋功率驅(qū)動電路工作原理263.4.4 H橋驅(qū)動電路器件27第四章總結(jié)28致謝29參考文獻30附表A31附表B32附表C33附表D34畢業(yè)設(shè)計論文 直流電機的PWM調(diào)速控制器緒論在當今社會生活中，電子科學(xué)技術(shù)的運用越來越深入到各個行業(yè)之中，并得到了長期的發(fā)展和進步，自動化控制更是得到了廣泛的應(yīng)用，其中一項重要的應(yīng)用就是自動調(diào)速系統(tǒng)。直流電機由于具有速度控制容易，啟、制動性能良好，且在脈寬

7、范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點而在冶金、機械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。直流電動機轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類，即勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時受到磁飽和的限制，高速時受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強度的限制；而且由于勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。調(diào)節(jié)電阻R即可改變端電壓，達到調(diào)速目的。但這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速方法效率低。伴隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，開關(guān)速度更快、控制更容易的全控型電力電子器件（GTR、MOSFET、IGBT、PIC）逐漸成為主流，由他們組成的各種功率變換裝置也隨之發(fā)展，從而使直流電動機調(diào)速

8、裝置的種類不斷拓展，性能不斷提高。其中PWM（脈寬調(diào)制）是常用的一種調(diào)速方法。PWM（脈寬調(diào)制）具有極大的優(yōu)越性：主電路簡單，需要的功率器件少：開關(guān)頻率高，快速響應(yīng)性好，電流容易連續(xù)，諧波少，電極損耗及發(fā)熱都較?。徊ㄐ蜗禂?shù)好，對電網(wǎng)功率因數(shù)高；低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達1:10000左右。若與快速響應(yīng)的電機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強；功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當開關(guān)頻率適當時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高。本設(shè)計采用PWM技術(shù)對直流電機進行調(diào)速，與一般直流調(diào)速相比，既減少了對電源的污染，而且使控制過程更簡單方便，又因為線路的簡單化、功率器件需

9、用的減少，使系統(tǒng)的維護、維修變得更加簡單，同時動、靜態(tài)性能卻提高了。第一章 脈寬調(diào)制(PWM)直流調(diào)速控制概述1.1 直流電機調(diào)速原理當改變勵磁電流時，可以改變磁通量的大小，從而達到變磁通調(diào)速的目的。但由于勵磁線圈發(fā)熱和電動機磁飽和的限制，電動機的勵磁電流和磁通量只能在低于其額定值的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，故只能弱磁調(diào)速。而對于調(diào)節(jié)電樞外加電阻R時，會使機械特性變軟，導(dǎo)致電機帶負載能力減弱。當改變電樞電壓理想空載轉(zhuǎn)速隨電樞電壓升降而發(fā)生相應(yīng)的升降變化。不同電樞電壓的機械特性曲線相互平行，說明硬度不隨電樞電壓的變化而改變，電機帶負載能力恒定。當我們平滑調(diào)節(jié)他勵直流電機電樞兩端電壓時，可實現(xiàn)電機的無級調(diào)速。1

10、.2 PWM控制技術(shù)的應(yīng)用PWM是Pulse Width Modulation的縮寫，即脈沖寬度調(diào)制，是通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形(含形狀和幅值)。調(diào)速可分為直流調(diào)速和交流調(diào)速。盡管直流電機比交流電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高、維修保養(yǎng)貴，但是其調(diào)速性能好，所以在調(diào)速傳動領(lǐng)域中一直占主導(dǎo)地位。1.2.1 PWM在直流調(diào)速中的應(yīng)用PWM廣泛應(yīng)用于直流調(diào)速系統(tǒng)，例如，以往普遍應(yīng)用的晶閘管相控整流直流電機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，現(xiàn)在也發(fā)展了全波步控整流PWM斬波直流電壓調(diào)速系統(tǒng)，開關(guān)磁阻電動機也是有直流斬波器供電的。PWM控制技術(shù)是利用半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷把直流電壓變成電壓脈沖序列，

11、并通過控制電壓脈沖寬度或周期以達到變壓目的，或者控制電壓脈沖寬度和脈沖序列的周期以達到變壓變頻目的的一種控制技術(shù)。直流電動機轉(zhuǎn)速n的表達式為： n= Ua-IaRaCe（r/min） （11）式中，Ua為電樞端電壓（V），Ia為電樞電流（），Ra為電樞電路總電阻（），為每級磁通量（Wb），Ce為與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。 由式11可知，直流電動機轉(zhuǎn)速n的控制方法可分為兩類，即勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法控制勵磁通，其控制功率雖然小，但低速時受到磁極飽和的限制，高速時受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強度的限制。而且由于勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的是電樞電壓控制法。Ua=Ud-IaR，

12、雖然調(diào)節(jié)電阻R即可改變端電壓達到調(diào)速目的，但這種方法效率很低。隨著電力電子技術(shù)的進步，可由PWM斬波器進行斬波調(diào)壓。本文主要介紹PWM實現(xiàn)的直流調(diào)速系統(tǒng)。1.2.2 PWM相關(guān)概念占空比：就是輸出的PWM中，高電平保持的時間與該PWM的時鐘周期的時間 之比。如圖11所示，占空比D關(guān)系式：D=t/T 圖11 占空比圖例圖12所示為PWM矩形波，PWM調(diào)速就是通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”（D=t/T）來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。ut3T2TTtO圖12 PWM波1.2.3 PWM控制電機轉(zhuǎn)速的原理PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變負載兩端的電壓，進而達到

13、控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM可以應(yīng)用在許多方面，如電機調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速。在脈沖作用下，當電機通電時，速度增加；電機斷電時，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電的時間，即可讓電機轉(zhuǎn)速得到控制。設(shè)電機始終接通電源時，電機轉(zhuǎn)速最大為V ，當我們改變占空比D時，就可以得到不同的電機平均速度 ，從而達到調(diào)速的目的。嚴格地講，平均速度與占空比D并不是嚴格的線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可以將

14、其近似地看成線性關(guān)系。1.3 設(shè)計目標本設(shè)計需要實現(xiàn)直流電機的正、反雙向轉(zhuǎn)動，同時能夠?qū)崿F(xiàn)電機的調(diào)速。要使電機能夠正、反轉(zhuǎn)雙向轉(zhuǎn)動可以通過使用4個場效應(yīng)管組成的H橋電路實現(xiàn)，而電機的調(diào)速則可通過使用三極管，場效應(yīng)管等開關(guān)元件實現(xiàn)PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速。第二章 元器件應(yīng)用介紹2.1 二極管二極管又稱晶體二極管,簡稱二極管(diode)。它只往一個方向傳送電流，我們稱之為二極管的單向?qū)щ娦浴Ｋ哂邪凑胀饧与妷旱姆较?，使電流流動或不流動的性質(zhì)。電路中，電流只能從二極管的正極流入，負極流出。P區(qū)的載流子是空穴，N區(qū)的載流子是自由電子，在靠近交界處，P區(qū)出現(xiàn)帶負電的粒子區(qū)，N區(qū)出現(xiàn)帶正電的粒子區(qū)，于

15、是產(chǎn)生了內(nèi)部電場。當電源正極接P端且負極接N端時，稱PN結(jié)外加正向電壓。此時外電場方向與內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場，使空間電荷區(qū)變窄，多數(shù)載流子就能越過空間電荷區(qū)形成電流。此時PN結(jié)處于正向?qū)顟B(tài)。加在二極管兩端的正向電壓很小時，二極管仍不能導(dǎo)通，通過二極管的正向電流十分微弱。只有當正向電壓達到門檻電壓（鍺管約為0.3V，硅管約為0.6V）以后二極管才能真正導(dǎo)通，導(dǎo)通后二極管兩端電壓基本不變（鍺管約為0.3V，硅管約為0.6V），稱為二極管的“正向壓降”。若PN結(jié)外加反向電壓，此時外電場方向與內(nèi)電場方向相同，則使內(nèi)電場增強。使空間電荷區(qū)變寬，有利于少數(shù)載流子漂移運動的進行，形成漂移電流即反

16、向電流。但少數(shù)載流子很少，故反向電流很小。通常可認為PN結(jié)處于反向偏置時不導(dǎo)電。此時PN結(jié)處于截止狀態(tài)。二極管處于反向偏置時，任然會有微弱的電流通過二極管，成為漏電流。當二極管兩端反向電壓增加到某一數(shù)值，反向電流會急劇增大，二極管將失去單向?qū)щ娦?，這種狀態(tài)稱為二極管的擊穿。二極管的應(yīng)用主要有：整流二極管、開關(guān)元件、限幅元件、繼流二極管、檢波二極管、變?nèi)荻O管、顯示元件和穩(wěn)壓二極管。圖21為二極管的伏安特性曲線 圖21 二極管的伏安特性曲線2.1.1 整流二極管整流二極管利用二極管的單向?qū)щ娦?，可以把方向交替變化的交流電變換成方向單一的脈動直流電。通常它包含一個PN結(jié)，有陽極和陰極兩個端子。其結(jié)

17、構(gòu)如圖22所示。 圖22 整流二極管結(jié)構(gòu)2.1.2 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓管的結(jié)構(gòu)同整流二極管一樣。當加在穩(wěn)壓二極管的反向電壓增加到一定數(shù)值時，將可能有大量載流子隧穿偽結(jié)的位壘，形成大的反向電流，此時電壓基本不變，稱為隧道擊穿。當反向電壓比較高時，在位壘區(qū)內(nèi)將可能產(chǎn)生大量載流子，受強電場作用形成大的反向電流，而此時電壓亦基本不變。因此，反向電壓臨近擊穿電壓時，反向電流迅速增加，而反向電壓幾乎不變。此時穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿區(qū)。圖23為穩(wěn)壓二極管的電路符號。 圖23 穩(wěn)壓二極管電路符號穩(wěn)壓二極管的特點就是擊穿后，其兩端的電壓基本保持不變。 這樣，當把穩(wěn)壓管接入電路以后，若由于電源電壓發(fā)生波動，或其它原

18、因造成電路中各點電壓變動時，負載兩端的電壓將基本保持不變。2.1.3 續(xù)流二極管續(xù)流二極管在電路中一般用來保護元件不被感應(yīng)電壓擊穿或燒壞，以并聯(lián)的方式接到產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的元件兩端，并與其形成回路，使其產(chǎn)生的高電動勢在回路以續(xù)電流方式消耗，從而起到保護電路中的元件不被損壞。續(xù)流二極管都是并聯(lián)在線圈的兩端，線圈在通過電流時，會在其兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。當電流消失時，其感應(yīng)電動勢會對電路中的元件產(chǎn)生反向電壓。當反向電壓高于元件的反向擊穿電壓時，會使元件如三極管、晶閘管等造成損壞。續(xù)流二極管并聯(lián)在線兩端，當流過線圈中的電流消失時，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢通過二極管和線圈構(gòu)成的回路做功而消耗掉。從而保護了電路

19、中的其它原件的安全。 續(xù)流二極管在電路中反向并聯(lián)在繼電器或電感線圈的兩端，當電感線圈斷電時其兩端的電動勢并不立即消失，此時殘余電動勢通過二極管釋放。2.2 整流橋堆整流橋是將整流管封在一個殼內(nèi)的器件。分為全橋和半橋。全橋是由四只整流二極管按橋式全波整流電路的形式連接并封裝為一體構(gòu)成的。半橋是將兩個二極管按橋式整流半波整流電路的形式封裝在一起的。 有多種方法可以用整流二極管將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，包括半波整流、全波整流以及橋式整流等。本設(shè)計中使用的KBP307整流橋，就是將橋式整流的四個二極管封裝在一起，只引出四個引腳。四個引腳中，兩個直流輸出端標有或，兩個交流輸入端有標記。一般整流橋命名中有3個

20、數(shù)字,第一個數(shù)字代表額定電流A；后兩個數(shù)字代表額電壓(數(shù)字*100)，V 。如:KBL410 即4A，1000V RS507 即5A，700V 本設(shè)計中選用的整流橋型號為KBP307，其額定電流為3A，額定電壓為700V。2.3 三端穩(wěn)壓器三端穩(wěn)壓器的內(nèi)部集成了一個串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，引入了電壓負反饋穩(wěn)定輸出電壓，同時采用多種措施提高性能，如提高溫度穩(wěn)定性、穩(wěn)壓系數(shù)、過流及過壓保護等。三端穩(wěn)壓器，主要有兩種，一種是輸出電壓為固定的固定輸出三端穩(wěn)壓器，另一種輸出電壓是可調(diào)的可調(diào)輸出三端穩(wěn)壓器，其基本原理相同，均采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。在線性集成穩(wěn)壓器中，由于三端穩(wěn)壓器只有三個引出端子，具有外接元件少，使

21、用方便，性能穩(wěn)定，價格低廉等優(yōu)點，因而得到廣泛應(yīng)用。2.2.1固定輸出三端穩(wěn)壓器本設(shè)計中使用的是固定三端穩(wěn)壓器，其通用產(chǎn)品有78系列（正電源）和79系列（負電源），輸出電壓由具體型號中的后面兩個數(shù)字代表，有5V，6V，8V，9V，12V，15V，18V，24V等檔次。輸出電流以78（或79）后面加字母來區(qū)分L表示0.1；AM表示0.5A，無字母表示1.5A，如78L05表求5V 0.1A。根據(jù)設(shè)計要求，電源電路要求輸出穩(wěn)定的12V直流電，以驅(qū)動后面的三角波電路，以及PWM電路，三端穩(wěn)壓器選擇7812和7912作為正負電流電路穩(wěn)壓器。7812為正三端穩(wěn)壓，1腳輸入，2腳接地，3腳輸出，輸入電壓接

22、+12V。7912為負三端穩(wěn)壓，2腳輸入，1腳接地，3腳輸出，輸入電壓接-12V。兩者在電路中的接法如下圖24、圖25所示。 圖24 7806電路連接圖 圖2-5 7906電路連接圖2.3 運算放大器運算放大器（簡稱運放）是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實際電路中，通常結(jié)合反饋網(wǎng)絡(luò)共同組成某種功能模塊。一般可將運放簡單地視為：具有一個信號輸出端口（Out）和同相、反相兩個高阻抗輸入端的高增益直接耦合電壓放大單元，因此可采用運放制作同相、反相及差分放大器。運放的供電方式分雙電源供電與單電源供電兩種。對于雙電源供電運放，其輸出可在零電壓兩側(cè)變化。采用單電源供電的運放，輸出在電源與地之間的某一范圍變

23、化。本設(shè)計中使用的運放LM324的供電方式即為雙電源供電。2.3.1 LM324運算放大器LM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。與單電源應(yīng)用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。由于LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價格低廉等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。每一組運算放大器可用圖26所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為信號輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出

24、端Vo的信號與該輸入端的相位相同。同相輸入端輸出反相輸入端 圖26 運算放大器LM324內(nèi)部由四個獨立的運算放大器組成，共同用同一個驅(qū)動電源12V電源LM324的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖27，引腳排列圖見圖28。 圖27 LM324內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖28 LM324引腳排列圖2.4 電壓比較器電壓比較器是將一個模擬量電壓信號和一個參考固定電壓相比較，在二者幅度相等的附近，輸出電壓將產(chǎn)生躍變，相應(yīng)輸出高電平或低電平。如圖29所示。（1）當UiUR時，運放輸出高電平，穩(wěn)壓管Dz反向穩(wěn)壓工作。輸出端電位被其箝位在穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓Uz，即UoUz。（2）當UiUR時，運放輸出低電平，Dz正向?qū)?，輸出電壓等于穩(wěn)壓管的

25、正向壓降UD，即UoUD。 圖29 電壓比較器電路圖因此，以UR為界，當輸入電壓Ui變化時，輸出端分別反映出高電位和低電位。2.4.1 LM393比較器LM393 是雙電壓比較器集成電路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖210所示。 圖210 LM393內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖LM393主要功能是比較兩個電壓的大小(用輸出電壓的高或低電平，表示兩個輸入電壓的大小關(guān)系)： 當“”輸入端電壓高于“”輸入端時，電壓比較器輸出為高電平； 當“”輸入端電壓低于“”輸入端時，電壓比較器輸出為低電平；LM393管腳排列如圖211所示，各引腳功能如表21所示。 表 21 LM393管腳功能表管腳序號符號功能1OUT 1輸出A2IN 1-反相

26、輸入A3IN 1+同相輸入A4GND接地端5IN 2+同相輸入B6IN 2-反相輸入B7OUT 2輸出B8VCC電源電壓 圖211 LM393管腳排列圖 LM393具有以下特點：內(nèi)部含有兩個比較器，工作溫度范圍：070；工作電源電壓范圍寬，單電源、雙電源均可工作，單電源：236V，雙電源:118V；消耗電流小，Icc=0.8mA；輸入失調(diào)電壓小，VIO=2mV；共模輸入電壓范圍寬，Vic=0Vcc-1.5V；輸出與TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容；輸出可以用開路集電極連接“或”門。2.5 三極管三極管，全稱應(yīng)為半導(dǎo)體三極管，也稱晶體三極管或晶體管，是構(gòu)成各種電子電路的基本原件，其作用是

27、把微弱信號放大成輻值較大的電信號，也用作無觸點開關(guān)。三極管的分類有很多，按結(jié)構(gòu)可分為NPN和PNP型兩類。目前生產(chǎn)的硅管多為NPN型，鍺管多為PNP型，其中硅管的使用率遠大于鍺管。三極管除了有對電流放大作用外，還有開關(guān)作用(即通、斷作用)，當基極加上正偏壓時，NPN型三極管即導(dǎo)通處于飽和狀態(tài)反之，三極管就不導(dǎo)通。本設(shè)計中使用的三極管為S9014，其為NPN型硅管，在本設(shè)計中具有開關(guān)作用。2.5.1 NPN型、PNP型三極管的結(jié)構(gòu)和符號NPN型三極管的結(jié)構(gòu)如圖所示，它在N型半導(dǎo)體的基片上通過雜質(zhì)補償，在中間長生一個很薄的P型層，并與兩端的N型半導(dǎo)體緊密結(jié)合而構(gòu)成的管子。整個三極管是有兩個PN結(jié)構(gòu)

28、成的三層半導(dǎo)體，中間一層稱為基區(qū)，兩邊分別稱為發(fā)射區(qū)和集電區(qū)。從這三個區(qū)引出的電極分別稱為基極b、發(fā)射極e和集電極c。發(fā)射區(qū)和基區(qū)之間之間的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)Je，基區(qū)和集電區(qū)之間的PN結(jié)稱為集電結(jié)Jc。圖212為NPN型三極管的電路符號，其中箭頭方向表示發(fā)射結(jié)正偏是發(fā)射極電流的實際方向。發(fā)射極箭頭指向也是PN結(jié)在正向電壓下的導(dǎo)通方向。PNP型三極管的結(jié)構(gòu)與PNP型相似，也是有兩個PN結(jié)構(gòu)成的三層半導(dǎo)體，不過這種管子是在P型半導(dǎo)體的基片上通過雜質(zhì)補償在中間產(chǎn)生一個很薄的N型層，并與兩端的P型半導(dǎo)體緊密結(jié)合而構(gòu)成的管子，圖213為PNP型三極管的電路符號，箭頭方向與NPN型相反，但意義相同。 圖2

29、12 NPN型三極管符號 圖213 PNP型三極管符號2.5.2 NPN型三極管電流放大原理三極管具有電流放大作用，其實質(zhì)是三極管能以基極電流微小的變化量來控制集電極電流較大的變化量。這是三極管最基本的和最重要的特性。根據(jù)電流連續(xù)性原理得： Ie=Ib+Ic （21a）這就是說，在基極補充一個很小的Ib，就可以在集電極上得到一個較大的Ic，這就是所謂電流放大作用，Ic與Ib是維持一定的比例關(guān)系，即： 1=Ic/Ib （21b）式中1稱為直流放大倍數(shù)，。集電極電流的變化量Ic與基極電流的變化量Ib之比為： = Ic/Ib （21c）式中稱為交流電流放大倍數(shù)。由于低頻時1和的數(shù)值相差不大，所以有時

30、為了方便起見，對兩者不作嚴格區(qū)分，值約為幾十至一百多。2.5.3 晶體三極管的三種工作狀態(tài)圖214為三極管的輸出特性曲線，由圖分析可知晶體三極管的三種工作狀態(tài) ：圖214 三極管的輸出特性曲線（1）截止狀態(tài)：當加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓小于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓，基極電流為零，集電極電流和發(fā)射極電流都為零，三極管這時失去了電流放大作用且呈高阻狀態(tài)，集電極和發(fā)射極之間相當于開關(guān)的斷開狀態(tài)，我們稱三極管處于截止狀態(tài)。（2）放大狀態(tài)：當加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓大于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓，并處于某一恰當?shù)闹禃r，三極管的發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置，這時基極電流對集電極電流起著控制作用，使三極管具有電流放大作用，其電流

31、放大倍數(shù)Ic/Ib，這時三極管處于放大狀態(tài)。 （3）飽和導(dǎo)通狀態(tài)：當加在三極管發(fā)射結(jié)的電壓大于PN結(jié)的導(dǎo)通電壓，并當基極電流增大到一定程度時，集電極電流不再隨著基極電流的增大而增大，而是處于某一定值附近不怎么變化，這時三極管失去電流放大作用，集電極與發(fā)射極之間的電壓很小，而電流卻較大，三極管呈現(xiàn)低阻狀態(tài)，集電極和發(fā)射極之間相當于開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)。三極管的這種狀態(tài)我們稱之為飽和導(dǎo)通狀態(tài)。2.6 場效應(yīng)管場效應(yīng)晶體管（Field Effect Transistor縮寫(FET)）簡稱場效應(yīng)管。一般的晶體管是由兩種極性的載流子,即多數(shù)載流子和反極性的少數(shù)載流子參與導(dǎo)電,因此稱為雙極型晶體管。而FET僅

32、是由多數(shù)載流子參與導(dǎo)電，也稱為單極型晶體管。它屬于電壓控制型半導(dǎo)體器件。具有輸入電阻高（108109）、噪聲小、功耗低、動態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點，現(xiàn)已成為雙極型晶體管和功率晶體管的強大競爭者。2.6.1 場效應(yīng)管的作用與特點場效應(yīng)管屬于電壓控制元件，這一點類似于電子管的三極管，但它的構(gòu)造與工作原理和電子管是截然不同的，與雙極型晶體管相比，場效應(yīng)晶體管具有如下特點： （1）場效應(yīng)管是電壓控制器件，它通過UGS來控制ID； （2）場效應(yīng)管的輸入端電流極小，因此它的輸入電阻很大。 （3）它是利用多數(shù)載流子導(dǎo)電，因此它的溫度穩(wěn)定性較好； （4）它組成的放大電路的電壓

33、放大系數(shù)要小于三極管組成放大電路的電壓放大系數(shù)； （5）場效應(yīng)管的抗輻射能力強； （6）由于不存在雜亂運動的少子擴散引起的散粒噪聲，所以噪聲低。功率場效應(yīng)管是根據(jù)三極管的原理開發(fā)出的新一代放大元件，有3個極性，柵極，漏極，源極，它的作用如下：1、場效應(yīng)管可應(yīng)用于放大。由于場效應(yīng)管放大器的輸入阻抗很高，因此耦合電容可以容量較小，不必使用電解電容器。2、場效應(yīng)管很高的輸入阻抗非常適合作阻抗變換。常用于多級放大器的輸入級作阻抗變換。3、場效應(yīng)管可以方便地用作恒流源。4、場效應(yīng)管可以用作電子開關(guān)。2.6.2 場效應(yīng)管的分類場效應(yīng)管分結(jié)型、絕緣柵型(MOS)兩大類。按溝道材料型和絕緣柵型各分N溝道和P溝

34、道兩種；按導(dǎo)電方式：耗盡型與增強型，結(jié)型場效應(yīng)管均為耗盡型，絕緣柵型場效應(yīng)管既有耗盡型的，也有增強型的。場效應(yīng)晶體管可分為結(jié)場效應(yīng)晶體管和MOS場效應(yīng)晶體管，而MOS場效應(yīng)晶體管又分為N溝耗盡型和增強型；P溝耗盡型和增強型四大類。如下表所示： 表22 場效應(yīng)管分類2.6.4 關(guān)于MOSFETIRF740由于MOSFET的柵極與源極、漏極都是絕緣的，故又稱絕緣柵型場效應(yīng)管。目前應(yīng)用最廣泛的的絕緣柵型場效應(yīng)管是用二氧化硅作為金屬（鋁）柵極和半導(dǎo)體之間的絕緣層，由于這種絕緣柵型場效應(yīng)管是由金屬（metal）、氧化物（oxide）和半導(dǎo)體（semiconductor）組成的，所以稱為MOSFET，簡稱

35、MOS管。MOS管也有N溝道和P溝道兩類，其中每一類又可分為增強型和耗盡型兩種。本設(shè)計中使用的MOS管IRF740為N溝道增強型MOS管。當UGS=0時，沒有導(dǎo)電溝道。不論UDS大小多少，均有ID=0，只有當UGS0時才可能出現(xiàn)導(dǎo)電溝道。2.7 光電耦合器光耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡稱光耦。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。是將一個發(fā)光二極管和一個光敏三極管組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。

36、目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。在光電耦合器輸入端加電信號使發(fā)光二極管發(fā)光，此光照射到封裝在一起的光敏三極管上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實現(xiàn)了電一光一電的轉(zhuǎn)換。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖215所示圖215 光電耦合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)第三章 電路設(shè)計3.1

37、 直流電源3.1.1 12V直流穩(wěn)壓電源本次設(shè)計要求，采用橋式整流電路將變壓器T1和T2輸出的交流12V電流變化成直流12V電源，之后運用三端穩(wěn)壓器7812、7912輸出電壓穩(wěn)定的直流12V電壓，其原理圖如圖3-1所示。圖3-1 12V直流穩(wěn)壓電源1)橋式整流電路整流電路是利用二極管的單向?qū)щ娦詫⒄撟兓慕涣麟妷鹤優(yōu)閱蜗蛎}動電壓的電路。在交流電源的作用下，整流二極管周期性地導(dǎo)通和截止，使負載得到脈動直流電。在電源的正半周，二級管導(dǎo)通，使負載上的電流與電壓波形形狀完全相同；在電源電壓的負半周，二極管處于反向截止狀態(tài)，承受電源負半周電壓，負載電壓幾乎為零。單相橋式整流電路是工程上最常用的單相整流

38、電路，如圖32所示。整流電路在工作時，電路中的四只二極管都是作為開關(guān)運用，根據(jù)圖3-2的電路圖可知：圖32 單相橋式整流電路當交流電源電壓進入正半周時，二極管VD1、VD3導(dǎo)通，VD2、VD4均承受反向電壓而處于阻斷狀態(tài)。由于二極管導(dǎo)通時管壓降可視為零，則負載兩端的整流電壓等于交流輸入電壓，當電源電壓降到零時，VD1、VD3截止。所以在交流電源電壓處于正半周時在負載電阻上得到正弦波的正半周；當交流電源電壓進入負半周時，二極管VD2、VD4導(dǎo)通， VD1、TVD3均承受反向電壓而處于阻斷狀態(tài)截止。所以在交流電源電壓處于負半周時在負載電阻上得到正弦波的正半周；所以，在交流電源的正、負半周里，VD1

39、、VD3和VD2、VD4輪流導(dǎo)通，將交流電變成直流電。工作波形圖如圖33所示。 圖33單相橋式整流電路電壓波形（3-1）根據(jù)圖3-3可知，輸出電壓是單相脈動電壓，通常用它的平均值與直流電壓等效。其輸出平均電壓為（3-2）流過二極管的平均電流為（3-3）二極管所承受的最大反向電壓2) 12V三端穩(wěn)壓器直流穩(wěn)壓電路如圖34所示為本設(shè)計中使用的12V直流穩(wěn)壓電源電路，其中A、B、C分別為橋式整流電源輸出的直流電源AC 圖34 三端穩(wěn)壓電路正常工作時，穩(wěn)壓器的輸入輸出電壓差為23V。電路中接入C1、C2和C7、C8是電解電容，在電路中起濾波作用，以減小穩(wěn)壓電源輸出端有輸入電源引入的低頻干擾。電容C3、

40、C5和C4、C6用來實現(xiàn)頻率補償，防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激震蕩并抑制電路引入高頻干擾。3.1.2 為直流電機供電的+36V直流電壓36V圖3-5 直流電機供電的+36V直流電壓圖3-5為直流電機供電的+36V直流電壓，也為橋式整流電路。電容起濾波作用，電阻為負載。3.1.3 為H型橋式驅(qū)動電路上橋和下橋供電的+12V和-5V直流電壓本次設(shè)計采用變壓器供電如圖3-6所示驅(qū)動電源。半波整流電路為上橋電源，下橋電路在工作中必有一個場效應(yīng)管任意一個都會導(dǎo)通，所以采用全橋整流，提供足夠的電壓。圖3-6 H橋上橋和下橋供電的+12V和-5V直流電壓本次設(shè)計中用到的單向半波整流電路，它是最簡單的一種整流電路，

41、通過電源變壓器Tr將原邊的單相220 V交流電壓變換成所需要的副邊電壓u，二極管D是整流元件，RL是負載電阻。單向半波整流電路如圖37所示。圖37單相半波整流電路（3-4）在半波整流電路中，輸出平均電壓值（3-5）流過二極管的平均電流為（3-6）二極管所承受的最大反向電壓單相半波整流電路的電壓與電流的波形如圖38所示圖38單相半波整流電路的電壓與電流的波形3.2 三角波電路在本次設(shè)計中為了實現(xiàn)PWM調(diào)速變化，以LM324運放電路為基礎(chǔ)，設(shè)計三角波發(fā)生電路，其原理圖如下圖3-9所示。0.002uf 圖39 三角波發(fā)生電路3.2.1三角波電路工作原理 控制電路是由LM324集成運放組成的三角波發(fā)生

42、電路如圖3-10所示。由于采用運放組成的積分電路，因此可以實現(xiàn)恒流充電，使三角波線性大大改善。U5A的電路為積分電路，電阻和為比較電路中的比較電阻，U5A集成塊的1腳輸出脈沖經(jīng)過和形成正反饋回到U5A形成穩(wěn)定的脈沖，在Uo處形成方波脈沖經(jīng)過U5B積分電路形成三角波，圖中U5B的1腳經(jīng)過形成正反饋以及C9充放電為三角波提供頻率脈沖，電路中D9和D10兩個對接穩(wěn)壓二極管為積分電路提供穩(wěn)定的正負脈沖電壓。則比較器輸出的方波經(jīng)積分器積分可得三角波，圖3-10為三角波發(fā)生器輸出波形。圖3-10 三角波發(fā)生器輸出波形3.2.2 參數(shù)計算 電路震蕩頻率（3-7）（3-8）方波幅值式中，UZ為DZ的導(dǎo)通電壓。

43、三角波幅值 （3-9）調(diào)節(jié)RP1可以改變震蕩頻率，改變比值R1/R2可調(diào)節(jié)三角波的幅值。圖3-10為三角波發(fā)生器輸出波形。3.2.2 元器件參數(shù)選擇在三角波電路中主要運用器件LM324為運放，完成發(fā)生三角波的功能。直流12V電壓經(jīng)過LM324芯片中的第一組運放，在上圖3-9中處產(chǎn)生一個方波，其頻率由電阻和得阻值大小決定。方波電壓經(jīng)過滑動變阻器的分壓后經(jīng)過LM324內(nèi)第二組運放積分后得到了三角波，在輸出的三角波其頻率因為電路中的滑動變阻器有分壓的作用，從而達到可調(diào)的效果，本次設(shè)計中要求的PWM波形的頻率高于2kHz。此次課題設(shè)計所需要的三角波發(fā)生電路能夠產(chǎn)生頻率高于2kHz的三角波形，幅度可調(diào)，

44、根據(jù)公式計算后選用下表3-1的各個元器件，來完成電路。 表3-1 三角波電路元器件清單名稱元器件型號名稱元器件型號R110KC90.022uFR220KRP147KR32KU5LM324R42.7K控制電路圖3-9為三角波發(fā)生電路，由電源電路提供穩(wěn)定的12V電壓來驅(qū)動運放器LM324的U5A輸出方波，經(jīng)LM324的U5B積分得到三角波，其頻率由R1、R2、R4、Rp以及C9的取值決定，經(jīng)公式（3-3a）計算得： （3-10） 3.3 方波輸出如圖311所示，此電路中的方波是通過電壓比較器產(chǎn)生的。它是通過比較“+”“”輸入端的電壓信號從而得到PWM所需的方波。當“”輸入端電壓高于“”輸入端時，電

45、壓比較器輸出為高電平； 當“”輸入端電壓低于“”輸入端時，電壓比較器輸出為低電平； 圖311 方波輸出電路該電路中“+”輸入端為三角波發(fā)生電路中的三角波模擬信號，“”輸入端為一可調(diào)的參考電壓（電壓范圍：12V+12V）。本實驗中方波輸出的完整電路如圖附錄A所示，器件列表見附表C。3.4 H橋驅(qū)動電路圖312中所示為一個典型的直流電機控制電路。（注意：圖312及隨后的圖都只是示意圖，而不是完整的電路圖，其中MOS管的驅(qū)動電路沒有畫出來）。如圖所示，H橋式電機驅(qū)動電路包括4個MOS管和一個電機。要使電機運轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對MOS管。根據(jù)不同MOS管對的導(dǎo)通情況，電流可能會從左至右或從右至左

46、流過電機，從而控制電機的轉(zhuǎn)向。 圖 312 H橋驅(qū)動電路3.4.1 H橋驅(qū)動電路原理要使電機運轉(zhuǎn)，必須使對角線上的一對MOS管導(dǎo)通。例如，如圖313所示，當TV1管和TV3管導(dǎo)通時，電流就從電源正極經(jīng)TV1從左至右穿過電機，然后再經(jīng)TV3回到電源負極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動。當MOS管TV1和TV3導(dǎo)通時，電流將從左至右流過電機，從而驅(qū)動電機按特定方向轉(zhuǎn)動（電機周圍的箭頭指示為順時針方向）。 圖313 H橋電路驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動圖314所示為另一對MOS管TV2和TV4導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過電機。當MOS管TV2和TV4導(dǎo)通時，電流將從右至左流過電機，從而

47、驅(qū)動電機沿另一方向轉(zhuǎn)動（電機周圍的箭頭表示為逆時針方向） 圖314 H橋電路驅(qū)動電機逆時針轉(zhuǎn)動驅(qū)動電機時，保證H橋上兩個同側(cè)的MOS管不會同時導(dǎo)通非常重要。如果MOS管TV1和TV4同時導(dǎo)通，那么電流就會從正極穿過兩個MOS管直接回到負極。此時，電路中除了MOS管外沒有其他任何負載，因此電路上的電流就可能達到最大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞MOS管。本設(shè)計中H橋驅(qū)動電路是由四個MOS管IRF740組成的，為了防止H橋上同側(cè)的MOS管導(dǎo)通使MOS管燒壞，電路中使用三極管和光耦合器控制四個MOS管的導(dǎo)通。3.5 單雙極性可逆變換器比較（1）雙極式可逆變換器雙極式工作制的特點是：四個功率開

48、關(guān)管的控制極的驅(qū)動電壓分為兩組，圖3-13中的VT1和VT3為一組同時導(dǎo)通和關(guān)斷，其驅(qū)動電壓Ug1=Ug3；VT2和VT4為另一組導(dǎo)通和關(guān)斷，Ug2=Ug4=-Ug1。雙極式工作制時，電動機電樞兩端平均電壓用公式表示為 （3-11）仍以來定義PWM電壓的占空比，則Ud與Us的關(guān)系為 （3-12）調(diào)速時，的變化范圍變成01。當為大于0.5時，Ud為正，電動機正轉(zhuǎn)；為小于0.5時，Ud為負，電動機反轉(zhuǎn)；=0.5時，Ud為0V。電動機停轉(zhuǎn)。在=0.5，Ud為0V時，雖然電動機不動，電樞兩端的瞬時電壓和瞬時電流卻都不是零，而且是交變的，這個交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，但增加電動機的損耗。圖3

49、-15雙極型電壓PWM控制方式。雙極式工作制的優(yōu)點是：電流一定連續(xù)；電動機可在四個象限中運行；電動機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；低速時，每個功率開關(guān)管的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證功率開關(guān)管可靠導(dǎo)通。其缺點是：在工作過程中，四個功率開關(guān)管都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且容易發(fā)生上、下兩管直通的事故，降低了裝置的可靠性。 圖3-15雙極型電壓PWM控制方式（2）單極式可逆變換器單極式PWM變換器主電路和雙極式一樣,不同之處在于驅(qū)動脈沖信號。在單極式工作制中，左邊兩個管VT1和VT4的驅(qū)動脈沖Ug1=-Ug4，與雙極式一樣的正負交替的脈沖波形。右邊兩個管子VT2和VT3的驅(qū)動信號因電動機的轉(zhuǎn)

50、向施加不同的直流控制信號。當電動機正轉(zhuǎn)時，控制信號Ug3恒為正，使VT3常通，而Ug2恒為負，則VT2截止。單極式工作制時，電動機電樞兩端平均電壓用公式表示為 （3-13） 來定義PWM電壓的占空比，則Ud與Us的關(guān)系為 （3-14）調(diào)速時，的變化范圍變成01,當=0時, Ud=0，電機停轉(zhuǎn)。當 =1時，Ud=Us，電機以滿電壓運轉(zhuǎn)。圖3-16為單極型電壓PWM控制方式波行圖。當負載較重而電流方向連續(xù)不變時各管的開關(guān)狀態(tài)和電樞電壓變化情況列于表3-2，同時列出雙極式工作制的情況進行比較。表中單極式工作制的一欄表明，在電動機朝一方向旋轉(zhuǎn)時，變化器只在一個階段中輸出某一極性的脈沖電壓，在另一階段中

51、=0，這時稱為“單極性”工作制的原因。圖3-16單極型電壓PWM控制方式表3-2 單極式和雙極式可逆PWM變換器工作情況（負載較重時）表 控制方式電動機轉(zhuǎn)向0tt1t1tt2占空比調(diào)節(jié)范圍開關(guān)狀態(tài)UAB開關(guān)狀態(tài)UAB單極式正轉(zhuǎn)VT1,VT3導(dǎo)通VT2,VT4截止+UsVT3導(dǎo)通，VT4續(xù)流VT1,VT2截止VT4不通001反轉(zhuǎn)VT2導(dǎo)通，VT1續(xù)流VT4，VT3截止VT1不通0VT1,VT3截止VT2,VT4導(dǎo)通-Us-10雙極式正轉(zhuǎn)VT1,VT3導(dǎo)通VT2,VT4截止+UsVT4，VD2續(xù)流VT1,VT3截止-Us0.51反轉(zhuǎn)VT2，VT4續(xù)流VT1，VT3截止+UsVT1,VT3截止VT2,VT4導(dǎo)通-Us00.5由于單極式工作制中，電動機運行時，功率管VT2和VT3兩者之中總有一個常通，一個常截止，因此管的開關(guān)損耗可以減少，裝置可靠性有所提高。綜合上述，因為本設(shè)計中制作的PWM波可正可負，故本設(shè)計決定采用雙極式工作制的H橋控制電路，來完成此次直流電動機PWM速度調(diào)制設(shè)計課題。3.4.4 H橋驅(qū)動電路器件在課題設(shè)計中，直流電動機驅(qū)動電路采用H橋功率驅(qū)動電路，由四個MOS管IRF740組成，其元器件列表見附表1第四章 總結(jié)PWM控制技術(shù)在逆變電路中應(yīng)用最廣，應(yīng)用的逆變電路絕大部分是PWM型，PWM控制技術(shù)正是有賴于在逆變電路中的應(yīng)用，才確定