一种脉宽调制电机驱动电路的设计.docx
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一种脉宽调制电机驱动电路的设计
题目
一种脉宽调制电机驱动电路的设计
系别：
电子电气工程系
姓名：
周爱爱
学号：
200995014081
班级：
09级电气3班
2012年 6 月 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，
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（SiliconGeneral）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。
2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55v；连续工作电流3A，峰值电流高达6A；每个开关器件的导通电阻典型值为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
各功能的功能如下：
引脚
名称
功能描述
1、11
桥臂1、2的自举输入电容连接端
在脚1与脚2与脚10与脚11
2、10
H桥输出端
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，将该脚置逻辑高电平，并将PWM信号输入端（脚5）置逻辑高电平，3脚的逻辑状态决定于短路马达所用的器件。
3脚为逻辑高电平时，H桥中2个高端晶体管导通。
脚4置逻辑高电平、脚5置逻辑低电平时，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
PWM信号输入端
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。
6、7
电源正端与负端
8
电源取样输出端
提供电流取样信号，典型值为377μA/A
9
温度报警输出
温度报警输出，提供温度报警信号。
芯片结温达145℃时，该端变为低电平；结温达170℃时，芯片关断
表一LMD18200逻辑真值表
PWM
转向
刹车
实际输出驱动电流
电机工作状态
H
H
L
流出1、流入2
正转
H
L
L
流入1、流出2
反转
L
H
L
流出1、流出2
停止
H
H
H
流出1、流出2
停止
H
L
H
流入1、流入2
停止
L
X
H
NONE
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脚接至逻辑高电平。
50％占空比PWM信号对应于零驱动，平均负载电流为零。
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.
VsPOWERSUPPLY和GROUNDING直流电源的正、负输入端。
CURRENTSENSEOUTPUT电流检测输出端。
每输出lA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300kHz振荡器控制，充电泵电容被充电至14V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1kHz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100ns以下，允许开关频率高达500kHz。
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10A，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。
3PWM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。
3.1SG3525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。
该端接高电平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.OutputA（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.OutputB（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（11.0%）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）。
3.2SG3525的工作原理
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SG3525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11和14脚输出，见图由图可知，锯齿波的高低电位分别为3.3V和0.9V，故控制电路送给SG3525的控制电压信号应在0.9V至3.3V之间变化，如果控制信号小于0.9V，则控制效果和0.9V相同;同样地，如果控制信号大于3.3V，则和3.3V的控制效果相同。
控制信号在0.9V-3.3V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平，PWM比较器输出高电平。
此时，PWM琐存器的输出也为高电平，该高电平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处于高电平时，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琐存器输出高电平的时间也变长，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）上的信号为高电平时，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。
如果该高电平持续，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。
4光电隔离器
4.1光电隔离器的概述
光电隔离器（opticalcoupler，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、电平转换、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
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-TrasferRatio）。
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）很接近于直流电流传输比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、低电平），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：
H桥芯片（LMD18200）和光电隔离器如下图：
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。
图一
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]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
[2]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
[3]陈伯时.电力拖动自动控制系统，北京：
机械工业出版社，2003，7
[4]王划一，自动控制原理，北京：
国防工业出版社，2006，9
[5]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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