直流控制伺候系统设计和实现-电气工程自动化专业.docx

直流控制 伺 候系统设计目录
摘要11前言3
1.1伺服系统及其发展历史31.2伺服系统的分类、现状与展望4
2直流伺服控制系统的方案设计72.1本次设计的设计内容和要求7
2.2总体方案选择73双闭环调速系统的原理分析10
3.1转速、电流双闭环调速系统的工作原理103.2双闭环调速系统起动过程分析12
3.3直流电机转速稳定的动态分析164直流伺服系统的电路组成与分析18
4.1系统构成184.2主电路工作过程19
5控制电路的设计215.1控制芯片SG352521
5.2延时电路设计295.3保护电路30
6驱动电路的设计32PWM功率放大器的工作原理32
6.1 功率管 IGBT34IGBT 驱动芯片 IR211036
7速度调节器和电流调节器418结论43
9总结与体会44因为该芯片中采用了高度集成的电平转换技术，大大简化了逻辑电路对功率器 件的控制要求，同时提高了驱动电路的可靠性。尤其是上管采用外部自举电容 上电，使得驱动电源数目较其他IC驱动大大减少。
电流，电压反馈都采用PI调节器，并且将两个调节器进行串级连接。转速 调节器的输入来自测速机，输出作为电流调节器的输入，而电流调节器的输出 则去控制SG3525,这样就可以使系统实现无静差调节，于是系统的原理框图就 变为图2.3所示。

图2.3双闭环调速系统原理框图
从系统结构上看，电流调节环在里面，称为内环；转速调节环在外面，称 为外环，2个反馈闭环在结构上采用一环套一环的嵌套结构，这就是所谓的双 闭环调速系统，其中ASR, ACR分别是速度和电流调节器。
3双闭环调速系统的原理分析3.1转速、电流双闭环调速系统的工作原理
双闭环调速系统采用PI调节器，则其稳态时输入偏差信号一定为零，即给定信号与反馈信号的差值为零，属无静差调节。
电流调节环电流环的给定信号是速度调节器的输出信号5,电流环的反馈信号采自 逆变电路，其值Ufi = /3Id, “为电流反馈系数，则
△Ui = Ui-Ua=0(3-1)U i=U f
所以/广曳(3-2)
在■•一定的条件下，在电流调节器的作用下，输出电流保持为言值，而由 电网电压波动引起的电流波动将被有效抑制。此外，由于限幅的作用，速度调 节器的最大输出只能是限幅值调整反馈环节的反馈系数”，可使电动机 的最大电流对应的反馈信号等于输入限幅值，即Ufm = /3Idm = Uim
Idm的取值应考虑电动机允许过载能力和系统允许最大加速度，一般为额定电流 的(1.5-2)倍。
速度调节环
速度环给定信号U"，反馈信号Ufil= an
则稳态时
A(/ =U -U . =0
nnjn
所以
U“=U m =
既
a = %(3-3)
n
ASR调节器的给定输入由稳压电源提供，其幅值不可能太大，一般在十几 伏以下，当给定为最大值时，电动机应达到最高转速，一般为电动机的额 定转速勺“冲。
a =^nom
ACR调节器输出为触发装置的控制电压匕CR
(3-4)
u _u» _cZdR_ E 〃Ct K, KsKs
当U〃为定值时，由ASR调节器可使电动机转速恒定，克服负载扰动的影响,其调节过程如下；
双闭环系统的正常工作段静特性如图3.1中的no-A段。
A纺,
双闭环调速系统的静特性在负载电流小于/如时转速无静差，转速负反馈起主 要调速作用，工作段静特性很硬，而在负载达到/血时，转速调节器饱和，系统 表现为电流无静差调节系统，具有过电流的自动保护，静特性为下垂特性。
3.2双闭环调速系统起动过程分析
双闭环调速系统突加给定电压U“后，其转速和电流在起动过程中的波形如 图3.2所示，其中I、II阶段速度调节器饱和，第HI阶段速度调节器退出饱和 发挥线性调节作用。

0

图3.2双闭环调速系统起动过程转速和电流波形
第I阶段0〜4是电流上升阶段。系统突加给定电压U”后，由于电动机的机 械惯性较大，转速和转速反馈量增长较慢，则速度调节器ASR的输入偏差电压 △U,i=U"-Um的数值较大，转速调节器的放大倍数较大，其输出很快达到饱 和输出限幅值U沥。该电压加在ACR的输入端，作为最大电流的给定值，使 ACR的输出首先靠比例部分K pkU「的作用（△Ui=Ubn-UQ迅速增大， 触发脉冲从90°初始位置快速前移，强迫电枢电流迅速上升。随着电流反馈 信号U〃的上升，△〃,逐渐减小，ACR的输出信号的比例部分随着减少，而 积分部分逐渐积累增加。在比例、积分两部分共同作用下，形成了如图3.4中 所示的U”波形。U“的上升使整流电压成比例增加，从而保证电流。迅速 增大，直到最大值侦。当Idf，U房七，ACR的作用使。不再增加，保持动态平衡。这一阶段的特点是转速调节器ASR因阶跃给定作用而迅速饱和，
而电流调节器ACR -般为不饱和。以保证电流环的调节作用，强迫电流/'上 升，以达到匕加。
第II阶段是恒流升速阶段，即升速时保持最大电流给定。该阶段从电 流上升到/血开始，直至转速上升到给定值对应的转速额定值为止，是起动的主 要阶段。期间，Ufn <Un, ASR 一直处于饱和状态，输出限幅U沥保持不变， 相当于速度环开环，系统表现为在恒值最大电流给定U沥作用下的电流调节系 统，基本上保持电流/如恒定。&时刻，当。升至/血时，△■•=0，但由于色〉 dt0,转速继续上升，反电动势也随之上升，这使得电枢电流id = ^—^下降，
当略小于妇，|-△3|>0,又使匕上升，g也上升，力图维持Id = Idm值。 在的恒值下，内环/如恒定的自动调节过程是：
n 个t E Tt Id It Ufi It |- At/J >0^Ucl It Udo 个t Id^
nT
调节作用使略小于/珈而维持不变，转速直线上升，相应的E、Ud。、Uc,也都是线性上升，时刻n上升达给定转速，如图3.4所示。
第HI阶段为，2以后转速调节阶段。株时刻，转速已达给定值，转速调节器 的给定电压与反馈电压相平衡，输出偏差为0, AU,=Un-Ufi) =0,但其输出由 于PI积分作用还维持在限幅值Uim ,电动机仍在最大电流下继续加速，使转速 产生超调，同时ASR的输出端出现负偏差电压(Ufn>Un,AU,<()),使转速调 节器退出饱和状态，ASR输出电压也为ACR电流调节器的给定电压U,•从限幅值降下来，主电路电流。也随之迅速减小。但是，由于。仍大于负载电流匕,
转速继续上升，直至Id = Idl,转矩T=7；,则也=0,转速n达到峰值（，=队）。 dt此后在负载力矩二的作用下，电动机开始减速。当n达到给定值（，4）/广弓， 系统进入稳态运行状态。
在这一阶段中，转速调节器ASR和电流调节器ACR都不饱和，共同担当 调节作用。转速调节处于外环，起主导作用，促使转速迅速趋于给定值，并使 系统稳定；电流调节器的作用则是力图使。尽快跟随转速调节器ASR的输出匕 的变化，也就是电流内环的调节过程是由速度外环来支配的，形成了一个电流 伺服系统。系统启动后进入稳态时，转速等于给定值，电流等于负载电流，ASR 和ACR的输入偏差电压均为零。
综上所述，双闭环调速系统起动过程的特点：
1）转速环出现饱和开环和退饱和闭环两种状态。转速开环时，系统为 恒值电流调节单环系统。转速闭环时，系统为无静差调速系统，电 流内环为电流伺服系统。
2）转速环从开环到闭环发挥调节作用，其转速一定出现超调，只有靠 超调才能使ASR退饱和，才能进行线性调节。
3）恒电流转速上升阶段，取匕为/珈，充分发挥了电动机的过载能力, 实现了电流受限制条件下的最短时间控制，即“时间最优控制”。
3.3直流电机转速稳定的动态分析
图3.3双闭环系统稳态结构图
由图3.3可知，当直流电机的负载发生变化时，会影响到电机转速的 波动，当负载增加时，电机转速会瞬间减小，通过速度变换器FBS、转速调 节器ASR和电流调节器ACR的作用，ASR输出送至SG3525的信号会使得 SG3525的13脚输出的PWM波形的占空比增大，从而加在直流电机电枢两 端的电压会相应增大，因此电机转速回升。其调节过程为
(L-L 个)VOT〃 ； \un =(un-ufil I)>o^ T uct ud0 id T
当L 二 l时，转速不再下降，但转速仍小于给定转速少, △u”=(U"-u混)>o,上述调节过程还将进行，使t>tl,电动机转速〃才开始 上升，在〃回升到〃］值之前，有△u〃〉。，使i Jt/八，当id<iL时，〃下降, 依次重复，使系统稳定下来。只要过程为衰减的，最终一定能达到心 T=Tl的稳定状态。如图3.4所示
图3.4突加负载，电动机电枢电流，电机转速n=f(t)的波形图
反之，当负载减轻时，电机的转速上升，经过系统的调节，使SG3525 的13脚输出的PWM波形的占空比减少，UjlT。电机转速下降。如 图3.5所示
图3.5突减负载，电动机电枢电流，电机转速n =f(t)的波形图
双闭环可逆直流脉宽调速系统起动过程的电流和转速波形接近理想快速起 动过程的波形；具有很硬的静特性和机械特性；能够快速实现直流电机的正 反转控制。在中小容量的直流传动系统中，采用SG3525构成的脉宽调速系统 比相控系统具有更多的优越性，因而具有很好的发展前景。
4直流伺服系统的电路组成与分析4.1系统构成
本设计的原理框图如图4.1所示，它由直流电机M、双极式H桥PWM变 换器、SG3525组成的脉宽调制器(PWM)、逻辑延时与保护电路、2110驱动电 路以及速度调节器(ASR)、电流调节器(ACR)、测速发电机(TG)等组成。
图4.1直流脉宽调速系统原理框图

直流脉宽调速系统的具体线路图如图4.2所示：图中可逆PWM逆变器主
电路系米用IGBT所构成的H型结构形式，它由四个功率IGBT管和四个续流 二极管组成，电路采用功率场效应管IGBT作为自关断器件，利用集成脉宽调 制器SG3525产生的脉宽调制信号作为驱动信号，根据脉冲占空比的不同，在 直流电机上可得到+或-的直流电压。TG是与直流电动机连动的测速发电 机，经过速度变换器FBS后可获得一个反映转速变化的速度反馈信号，此信号 接入速度调节器ASR的反馈输入端，G为电压给定器，可提供正、负电压，电 压大小可以调节。SG3525为脉宽调制器。R4、C4、VD5、R5、C5、VD6构成 逻辑延时环节。
二极管整流桥把输入的交流电变为直流电，正常情况下，交流输入为220V, 经过整流后变为90V直流电，电阻R1为起动限流电阻，在VT1和VT4的源极 回路中，串接两个取样电阻，其上的电压分别反映流过VT2、VT4的电流，经 过差分放大输出一个反映电流大小的电压，可作为双闭环系统的电流反馈信号, 接到电流调节器ACR的输入端。
图4.2直流脉宽调速电路
光电偏离
ACR
FBS
差分散大
光电隔离
与
2110驱动
4.2主电路工作过程
由图4.2可知，220V交流电经桥式整流电路、滤波电路变成直流电压90V45

45
致 谢参考文献46
附录直流伺服系统电路图摘 要
目前直流伺服控制系统在工业中有很大的应用面，有其不可取代的优点，因 此本课题设计了一种直流伺服控制系统，设计的原则是尽量采用大规模集成芯片 来提高系统的紧凑性和可靠性。在此基础上完成了系统总体方案设计，并对系统 的控制原理及动态性能进行了分析，重点分析了电机在起动过程中电枢电流、速 度调节器和电流调节器的输入与输出、转速的变化情况。
同时，还进行了控制系统的总体电路设计，介绍了集成芯片SG3525的内部 结构和控制功能，功率管IGBT及IGBT驱动芯片IR2110的功能和特点。完成了 基于SG3525控制的PWM电路设计、逻辑延时电路的设计、驱动电路设计、功率 放大器的设计。
【关键词】：SG3525;
直流伺服系统； 双闭环

后，加在直流电机的电枢两端，4个功率场效应管的基极驱动电路分为2组， VT1和VT4同时通断，其驱动电压〃加=g VT2和VT3同时动作，其驱 动电压己Ub2= Ub3,在一个开关周期内，当0<t<ton时，〃切和Ub4为正, VT1和VT4导通，而U牧和Uh3为负,VT2和VT3截止，电枢AB两端U沥=90V, 电枢电流"沿回路1流通，其中回路1由VT1、电机、VT4和桥式整流电路组 成，ton <t<T时，Uhi和U/,4变负，Ub4和截止，《2和U/,3变正，但VT2 和VT3不能立即导通，在电枢电感释放储能的作用下，"沿回路2经VD2、 VD3续流，在VD2、VD3上的压降使VT2和VT3的栅极和源极承受反压，这 时Uab=-Ub。其中回路2由VD2、电机、VD3和桥式整流电路组成。U湖在一 个周期内正负相同，当正脉冲较宽时，即to n>T/2,电枢两端的平均电压为 正，电机正转；当正脉；中较窄时，即to. <T/2,电枢两端的平均电压为 负，电机反转。
电机的转速经测速发电机以及FBS（转速变换器）输出到ASR（转速调节器）, 作为ASR的输入并和给定电压比较，组成系统的外环，ASR的输出作为 ACR（电流调节器）的输入并和主电路电流反馈信号进行比较作为系统的内环。 电流调节器ACR的输出送至SG3525的9端，其中ASR和ACR均采用PI调 节器，电流反馈信号取自主电路的取样电阻上，利用电流负反馈与速度调节 器输出限幅环节的作用，使系统能够快速起制动，突加负载动态速降小，具 有较好的加速特性。
5控制电路的设计
本设计中控制原理框图如图5.1,其中PWM控制器我采用SG3525Ao
图5.1控制原理框图
图5.1的核心为PWM控制器SG3525A,用SG3525A发出的PWM脉冲， 通过逻辑延时电路，逻辑保护电路来控制逆变器VT1、VT4和VT2、VT3轮 流导通，从而控制逆变电压和逆变频率。图5.2为控制电路的电路图，其中
以下分别独立介绍主控制电路各个组成部分的基本原理、功能及参数计算。
5.1控制芯片SG3525
设计电路的控制电路是整个电路的主要部分。如何保证系统稳定且可靠工 作，又使系统的开发周期短，性价比高，是一个需要综合考虑的问题。目前实际产 品应用中有各种典型的控制电路，鉴于对电源和驱动的要求，结合本次毕业设计 选择了 SG3525A.
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。
5.1.1 SG3525内部结构与功能
SG3525A的内部结构见图5.3,由基准电压调整器、振荡器、误差放大器、 比较器、锁存器、欠压锁定电路、闭锁控制电路、软起动电路、输出电路构成。

基准电压调整器受13脚的外加直流电压Vc的影响，当4低于7V时，基准电压调整器的精度值就得不到保证，由于设置了欠压锁定电路，当出现欠电 压时，欠压锁定功能使A端线由低电压上升为逻辑高电平，经过或非门输出转 化为低电平，则SG3525A的13脚输出为高电平，功率驱动电路输出至功率场 效应管的控制脉冲消失，逆变器无电压输出。
(2) 系统的故障关闭功能
为便于从主回路受检测到的故障信号，集成控制器内部T3晶体管基极经一 电阻连接10引脚。过流保护环节检测到的故障信号使1O脚为高电平，由于T3 基极与A端线相连，故障信号产生的关闭过程与欠电压锁定过程类似。
另外，故障信号使T3导通提供8引脚C3电容的放电路径，C3放电到零 电压为软启动作好准备。故障消除后T3截止，C3由电流源缓慢充电，这与欠 电压消失后的软启动过程一样。
在本电路中，过流保护环节还输出一个信号到与门的输人端，当出现过流 信号时，检测环节输出一低电平信号到与门的输入端，使脉冲消失，与SG3525 的故障关闭功能一起构成双重保护
(3) 软起动功能
软起动功能的实现主要由SG3525A内部的晶体管T3和外接电容C3及锁 存器来实现的。当出现欠压或者有过流故障时，A端线高电平传到T3晶体管基 极，T3导通为8引脚外接电容C3提供放电的途径。C3经T3放电到零电压后, 限制了比较器的PWM脉冲电压输出，电压上升为恒定的逻辑高电平，PWM高 电平经PWM锁存器输出至D端线仍为恒定的逻辑高电平，C3电容重新充电之 前，D端线的高电平不会发生变化，封锁输出。当故障消除后，A端线恢复为 低电平正常值，T3截止，C3由50 u A电流源缓慢充电，C3充电对PWM和D 端线脉冲宽度产生影响，同时对P1和P2输出脉冲产生影响，其结果是使P1 和P2脉冲由窄缓慢变宽，只有C3充电结束后，P1和P2的脉冲宽度才不受C3 充电的影响。这种软起动方式，可使系统主回路电机及功率场效应管承受过大 的冲击浪涌电流。
芯片管脚及其功能介绍SG3525脉宽调制型控制器是美国通用电气公司的产品，它采用双级型工
艺制作的新型模拟数字混合集成电路，性能优异，所需外围器件较少。SG3525采用16端双列直插DIP封装，引脚图5.4及各端子功能介绍如下：
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INV.INPUTNL. INPUT
SYNC
OSC.OUFUTCT
RT
DISCHARGESOFT-START
VREF+VIN
OUTPUT BVc
GROUNDOUTPUT A
SHUTDOWNCOMPENSATION
图5.4 SG3525A的引脚图
INV.INPUT（反相输入端1）：误差放大器的反相输入端，该误差放大器的增 益标称值为8Odb,其大小由反馈或输出负载来决定，输出负载可以是纯电阻， 也可以是电阻性元件和电容元件的组合。该误差放大器共模输入电压范围是1. 5V-5. 2Vo此端通常接到与电源输出电压相连接的电阻分压器上。负反馈控制 时，将电源输出电压分压后与基准电压相比较。
NLNPUT（同相输入端2）：此端通常接到基准电压16脚的分压电阻上, 取得2. 5V的基准比较电压与INV. INPUT端的取样电压相比较。
SYNC（同步端3）：为外同步用。需要多个芯片同步工作时，每个芯片 有各自的震荡频率，可以分别他们的4脚和3脚相连，这时所有芯片的工作频 率以最快的芯片工作频率同步。也可以使单个芯片以外部时钟频率工作。
OSC.OUTPUT（同步输出端4）：同步脉冲输出。作为多个芯片同步工作 时使用。但几个芯片的工作频率不能相差太大，同步脉冲频率应比震荡频率低 一些。如不需多个芯片同步工作时，3脚和4脚悬空。4脚输出频率为输出脉冲 频率的2倍。输出锯齿波电压范围为0.6V到3.5Vo
CT（震荡电容端5）：震荡电容接至5脚，另一端直接接至地端。其取 值范围为O.OOluF到O.luF。正常工作时，在Cr两端可以得到一个从0.6V到 3. 5V变化的锯齿波。本设计中CT取0.04uFRT（震荡电阻端6）：震荡电阻一端接至6脚，另一端直接接至地端。
RT的阻值决定了内部恒流值对CT充电。其取值范围为2K欧到150K欧RT和 CT越大充电时间越长，反之则充电时间短。本设计中RT取8K。
DISCHATGERD（放电端7）： CT的放电由5、7两端的死区电阻决定。 把充电和放电回路分开，有利于通过死区电阻来调节死区时间，使死区时间调 节范围更宽。其取值范围为0欧到500欧。放电电阻RD和CT越大放电时间 越长，反之则放电时间短。这样，SG3525A的振荡频率可由下面的公式进行计 算：
F=l/（Ct（0.67Rt+1.3Rd））（5-1）
其中Ct是5脚接出到地的充电电容,Rt是6脚接出到地的 时基电阻,Rd是5,7脚间的放电电阻.本设计中RD取200Q
SOFTSTATR（软启动8）：比较器的反相端即软启动器控制端8,端8可外接 软启动电容，该电容由内部七的50uA恒流源充电。
COMPENSATION（补偿端9）：在误差放大器输出端9脚与误差放大器反 相输入端1脚间接电阻与电容，构成PI调节器，补偿系统的幅频、相频响应特 性。补偿端工作电压范围为1. 5V到5. 2Vo调节输入9脚的电压，可以调节 PWM波产生器产生的PWM波的脉宽，进而调节输出脉冲波的占空比，使加在 电动机上的电压发生变化，以达到调节电动机速度的目的。
SHUTDOWN（关断端10）： 10端为PWM锁存器的一个输入端，一般在 10端接入过流检测信号。过流检测信号维持时间长时，软起动端8接的电容C 被放电。一般用法是将过流脉冲信号送至关闭控制端10脚，当脚10电压大于 0. 7V时，芯片将进行限流操作，当脚10电压超过1.4V时，将使PWM锁存器 关断，直至下一个时钟周期才能够恢复。
OUTPUT A, OUTPUT B（脉冲输出端11、14）：输出末级采用推挽输出电路， 驱动场效应功率管时关断速度更快。11脚和14脚相位相差180° ,拉电流和灌 电流峰值达200mAo由于存在开闭滞后，使输出和吸收间出现重迭导通。在重 迭处有一个电流尖脉冲，起持续时间约为100nso可以在么处接一个约0. luf 的电容滤去电压尖峰。本次设计中14、12、11脚是接地的。
GROUND（接地端12）：该芯片上的所有电压都是相对于GROUND而言， 即是功率地也是信号地。在实验电路中，由于接入误差放大器反向输入端的反 馈电压也是相对与12脚而言，所以主回路和控制回路的接地端应相连。
VC(推挽输出电路电压输入端13)：作为推挽输出级的电压源，提高输出级输出 功率。可以和15脚共用一个电源，也可用更高电压的电源。电压范围是 4.5V-35V。
+VIN(芯片电源端15)：直流电源从15脚引入分为两路：一路作为内部逻 辑和模拟电路的工作电压；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生5.1 士 1%V的内部基准电压。如果该脚电压低于门限电压(Turn-off=8V),该芯片内部 电路锁定，停止工作(基准源及必要电路除外)使之消耗的电流降至很小(约 2mA)o另外，该脚电压最大不能超过35V,使用中应该用电容直接旁路到 GROUND端。
VREF(基准电压端16)：基准电压端16脚的电压由内部控制在5. 1 V ± 1%O可以分压后作为误差放大器的参考电压。
5.1.3 SG3525 的特点SG3525特点如下：
(1) 工作电压范围宽：8—35Vo5.1 (1 1.0%) V微调基准电源。
(2) 振荡器工作频率范围宽：lOOHzr—400KHz.
(3) 具有振荡器外部同步功能。
(4) 占空比可调。每一通道的驱动电流最大值可达200mA,灌拉电流峰 值可达500mA o内置软启动电路，具有PWM琐存功能，具有输入欠电压锁定功能。
(5) 正常工作的温度范围是0-700°C输出级采用推挽输出，双通道输出
5.1.4 SG3525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。
SG3525的软启动接入端（引脚8）上通常接一个5uF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 锁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锁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锁存器将立即动作，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还具有一个功能，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锁存器才被复位。
5.1.5 PWM波的产生及控制方式分析
如图5.5所示，锯齿波信号由C2、R3震荡电路产生，作为载波信号Ut, 调制信号由9脚输入，此调制信号由可调电位器RP上的电压信号Up和外加 的给定信号Ug叠加而成,RP上的电压信号用于确定脉宽调制波的初始占空比, Ug可正可负，用于控制逆变器输出电压的大小和极性，在开环系统中，电压给 定器的输出电压直接加在Ug上，在双闭环可逆调速系统中，Ug也可以由摸拟或数字调节器的输出来控制，构成闭环自动控制系统 本电路是由摸拟的转速、 电流调节器来控制的，电压给定器G的输出接在ASR的输入端，Ug由ACR 的输出控制。

图5.5 SG3525的外部电路
如图5.6所示，要改变输出脉冲PWM波的占空比，只要改变调制信号Ur 的电压大小即可实现。
o

o
Ur
O
图5.6电压Ur大小与输出波形U。的关系图
在本设计中，SG3525输出宽度可调的固定频率脉冲，频率由SG3525的5、6、7端外接电阻、电容决定，为
f ==4.45KHz(CT(0.67RT + 1.3RD))
其中 CT=0.04uF, RT=8K。,RD=200 Q.
5.2延时电路设计
在可逆变换器中，跨接在电源两端的上、下两个功率场效应管经常交替工作, 由于功率场效应管的关断要有一定的时间。在这段时问内功率场效应管并未完 全关断。如果在此期间另一个功率场效应管巳经导通，则将造成上下两管直 通.从而使电源正负极短路，为了避免发生这种情况。设置了由R、c电路构 成的逻辑延时环节保证在对一个管于发出关闭脉冲后，延时5u S左右的时间 后再发出对另一个管子的开通脉冲。如图5.7所示：
IM148
100P
图5.7逻辑延时电路原理图
Ua为SG3525的13脚输出占空比可调的脉冲波形(占空比调节范围不小于0. 1-0. 9),经过RC移相后，输出两组互为到相、死区时间为Ts左右的脉冲。
Ts=a/?C(5-2)=0.79x62x103x100x10~9
=4.90x10—6 秒The designing of DC Servo Control System
Abstract
At present the DC servo control system have a big application in the industry. It cannot be substituted in certain aspects .so, In This paper, A DC Servo Control System has been designed. The Design principle is as far as possible to use the large scale integration chip to enhance the compact of system and the reliability of system. In that foundation, the overall design of system has been completed, and analysis of the control principle and dynamic performance for this system are also carried out. The dynamic performance of the armature electric current is the key analyzing point. The input-output of the speed regulator and the Current regulator, the starting Rotational speed are discussed.
Key words： SG3525;
In the same time, overall circuit of the control system has been designed, the Internal structure and control function of the integrated chip SG3525, power tube IGBT, the function and characteristics of the actuation chip 1R2110 for IGBT are also introduced, then the PWM circuit based on control of SG3525, circuit of logic delay, Drive Circuit, power amplifier are also completed too.
DC servo system; double closed-loop
经过光耦隔离后，分别驱动四只MOSFET管，其中VT1、VT4驱动信号相 同，VT2、VT3驱动信号相同。其波形图如图5.8。

图5.8逻辑延时后的PWM波形
53保护电路
如图5.9所示,此电路是为了防止电动机和IGBT管的过流而设计的，当PWM 逆变器中的电流超过整定值后，过流保护电路动作，输出低电平，关闭脉冲， 使IGBT管关闭，从而防止IGBT管和电动机被烧坏的可能。隔离器件采用快 速光耦合器6N137做强、弱电间的隔离，以提高可靠性。

图5.9逻辑保护电路
6驱动电路的设计
如图6.1所示，驱动电路由PWM逆变电路，IGBT的驱动芯片IR2100及 其外围电路组成oPWM逆变电路用来驱动直流电动机JR2100则是接收SG3525 产生的PWM波,转化成功率管IGBT的驱动信号。

U1
U3
Us
R
图6.1驱动电路原理图
6.1 PWM功率放大器的工作原理
H双极模式PWM转换电路如图6.2所示。它由4个大功率晶体管、4个续流 二极管、3个电阻组成。VT1和VT4为一组，VT2和VT3为另一组。同组的两 个晶体管同时导通，同时关断，两组晶体管之间交替的导通和截止。亦即基极 驱动信号uh] = ub4 , ^b2=lh=-ub\ °双极模式工作时的PWM、输出电压、电流波 形如图6.3所示。
在0WtWtl期间，叫和〃爵为正，ub2和"3为负，这时晶体管VI、V4导 通，当电源电压 大于电动机反电势E时，电枢电流时从A流向B ,电机工作 在电动状态。在tlWtvT期间，VI、V4截止，电枢电流"在电枢电感的作用下 经D2、D3续流，电动机仍工作在正向电动状态。假如在t=t2时刻正向电流时衰 减到零，则在t2Wt<T期间，V2、V3在电源电压Us。和电动机反电动势E的 作用下导通，电枢电流"经V2、V3从B流向A,电动机工作在反接制动状态。在TWtvt3期间，晶体管基极电压改变极性，V2、V3截止，电流经二极管D4、 D1继续从B流向A,电动机仍工作在制动状态。如果在t=t3时刻反向的电枢电 流衰减到零，那么在t3Wt<t4期间，VI、V4导通，电枢电流时从A流向B,电 机工作在电动状态。重复上述过程。
Us

图6.2 H型PWM功率转换电路

图6.3 H双极模式PWM放大器电压、电流波形
从上述可知，电动机无论工作在何种工作状态，在0Wtvtl期间电枢电压总 等于+Us,而在tlWtvT期间电枢电压总等于-Us o从上面的分析可知双极模式 PWM控制的电枢电流无断续现象，即使电机不转，电枢电压瞬时值不等于零, 而是正、负脉冲电压的宽度相等，电枢回路中流过一个交变的电流，这个电流 可使电动机发生高频颤动，有利于减少静摩擦力矩的干扰。
6.2功率管IGBT6.2.1 IGBT的工作原理
图6.4所示为IGI的平面结构和沟槽结构。

图6.4平面1GBT靖构（左）和沟槽1GBT姑构（右）
IGBT的等效电路如图6.5所示。由图6.5可知，若在IGBT的栅极和发射 极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样，PNP晶体管的集电极与基极 之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0,则 MOSFET截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。
6.2.2 IGBT的特点
IGBT（Insulate Gate Bipolar Transistor）绝缘栅双极晶体管是一种新型的电力 半导体器件。现己成为电力电子领域的新一代主流产品。它是一种具有MOS 输入、双极输出功能的MOS、双极相结合的器件。结构上，它是由成千上万个 重复单元（即元胞）组成，并采用大规模集成电路技术和功率器件技术制造的一 种大功率集成器件。
IGBT既有MOSFET的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速 度高的优点，又具有双极功率晶体管的电流密度大、饱和压降低、电流处理能 力强的优点。所以IGBT功率器件的三大特点就是高压、大电流、高速。这是 其它功率器件不能比拟的。它是电力电子领域非常理想的开关器件。
6.2.3 IGBT和续流二极管的选择
由于本设计的电动机的要求为DC90伏，所以当交流电220V整流变成直流 电时，其有效值为90V,当IGBT关断时，续流二极管导通，稳压电源的全部 输入电压都加在IGBT集-射极的两端。因此，开关管的集-射额定电压UCE必 须大于稳压电源的输入电压。
IGBT受到的最大正向电压为逆变器输入端电压源的电压U,,考虑到开关时 的浪涌电压，取额定电压：
九=1.5 X “"=1.5X90=135 (V)
额定电流：
IM侦 X 800/90= 12.6(A)
另外，考虑与专用驱动芯片IR2110的兼容性，故选用型号为G80N60,其 有关参数如下：
表6.1G80N60的性能参数
开启电压
5V±1V
栅极击穿电压
±20V
集射电压
600V
集电极电流
80A
集射峰值电流,成
320A
耗散功率
320W
集射截止电流IGES
0.5mA
饱和压降"场
2.7V
正向跨导G"
36
输入电容Gss
3000pF
下降时间
43ns
根据续流二极管的正向额定电流必须等于开关管的最大集电极电流，以及 当开关管截止时，输入电压加在续流二极管的两端，因此，续流二极管的耐压 值必须大于输入电压。再者，因为开关管的工作频率很高，续流二极管也只是 在IGBT管关断的很短一段时间内工作，因此这种二极管的恢复时间还必须远 远小于开关管的工作周期，这样也只有