卷烟包装机大学本科毕业论文(3)

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3.3 驱动电路的工作原理

图3为本设计所采用的单极性PWM直流调速驱动电路。单极性驱动即是指在一个PWM周期里，电动机电枢的电压极性呈单一变化。

VSSUUb1Ub3T1tb1D1D3T3tb3tT+MOTOR SERVOA-ABUb4Ub2T4T2tb2D2D4b4ttT

GND图3 单极性PWM直流调速驱动电路图

图中TI、T2、T3、T4是起开关作用的大功率晶体管，D1、D2、D3、D4为续流二极管。在电机电枢同一侧的晶体管T1和T2的基极控制电压反相，使TI和T2工作在交替的开关状态。电机电枢的另一侧的T4处于饱和导通状态，T3工作在截止状态。当需要改变电机的电枢电压极性时，可令Tl截止，T2饱和导通，T3和T4交替工作。

当要求电动机正转工作时，平均电压UA大于感应电动势EA,在每个PWM周期的0~t时,T1导通，T2截至。电流Ia经T1、T4,从A到B流过电枢绕组，在t~T,T2导通，T1截至，电动机与电源断开，这时电枢电流减小，电枢电感释放能量，维持续流电流，电枢电流方向不变，此时电流I经T4、D2从A流到B再到T4构成回路。此时由于二极管D2的导通，T2实际是不能导通的。下一周期重复上述过程。

当电动机在进行减速运行时，平均电压UA小于感应电动势EA,在每个PWM周期的0~t,在感应电动势和自感电动势共同作用下，电流经二极管D4、D1流向电源，方向是从B到A，电动机处于再生制动状态。在每个PWM周期的t~T,T2导通，T1截止，在感应电动势的作用下电流经T4,D2仍然是从B到A流过绕组，

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电动机处在耗能制动状态。下一周期重复上述过程。

3.4 控制方式

针对本设计要求直流电机稳定运行和快速反应的场合，采用转速电流双闭环反馈调速方式。图4为双闭环PWM调速系统结构图。

图4 双闭环PWM调速系统结构图

ASR、ACR分别为转速调节器和电流调速器 PWM为脉宽调速驱动单元 M表示直流伺服电机 G代表测速发电机

图3-5中各个输入输出信号的含义为: Ugn—速度给定 Ufn—速度负反馈 Ufi—电流负反馈

Ugi—转速调节器(ASR)输出 Uk—电流调节器(ACR)输出

Ud—脉宽调速驱动单元输出电压平均值

Id—电机电枢电流 控制单元的工作过程:

a)当速度给定信号电机Ugn=0时，ASR, ACR输出为零，电机转速n=0。 b)当Ugn>0,电机开始启动，转速偏差△UN = Ugn-Ufn>0由于电机的惯性相对于调节器来说很大，因此ASR的输出Ugi很快达到限幅值Ugim，即ASR处于饱和状态。这个限幅值加到电流调节器(ACR)的输入端，使ACR的输出Uk上升，因此PWM脉宽调速驱动单元的输出电压平均值Ud上升，电机的转速开始上升。由于电机惯性的原因，其反向感应电动势不能立即升上来，从而电机的电枢电流Id很快升高并达到设计时所选定的最大值Idm，使电流负反馈电压Ufi达到最大值Ufim。此后由于ASR一直处于饱和状态，速度环相当于开坏，速度反馈不起作用，只有以ACR为主的电流环发挥调节作用，以保持电流Idm

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的恒定，使电机的转速及其反向感应电动势在恒定电流Idm状态下按线性规律上升，直到电机的转速达到给定的转速，整个系统表现为恒值电流调节。 c)当电机转速上升到使转速偏差△UN<0时，ASR立即退出饱和进行速度控制。此时ASR的输出Ugi立即从限幅值降下来，最终使电机电枢电流I d也从最大值降下来，在ASR与ACR的共同调节下，电机的转速达到给定的转速值而稳定运行。稳态时，ASR和ACR的输入偏差电压均为零，即△UN=Ugn –Ufn= 0,但由于积分的作用，两个调节器都有恒定的输出电压Ugi和Uk，直到调节器的输入值发生变化时，系统从新调节直到新的稳定状态。

转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR)均采用比例积分(PI)调节方式。适当增大比例系数P可加快系统的响应;适当增大积分系数I有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加。该调节方式技术成熟，易于采用计算机系统来实现，而且控制灵活，参数易于调整，控制效果较好。由于均采用了比例积分(PI)调节方式的转速调节器(ASR)和电流调节器(ACR)，所以就静态特性而言，图3一5的双闭环系统是一个无静差调速系统。在转速调节器饱和时，转速环失去作用，仅剩下电流环起作用，系统相当于恒流调节(I=Idm)系统，静特性呈现出很陡的下垂段保护特性。这种电流调节作用可有效抑制电机在启动时电流过大的问题。当转速调节器不饱和时，转速环开始发挥调节作用，使控制对象达到稳定运行状态。由于转速调节器在外环，因此处于主导地位，电流负反馈内环对于转速环来说只相当于一个扰动作用。就动态特性而言，在给定信号大范围增加的启动过程中，转速调节器饱和，系统相当于恒值电流调节系统，可基本实现理想启动过程。如果扰动作用在电流环以内，如电网电压的波动，则电流内环能及时加以调节:如果扰动作用在电流环之外，如负载波动，则靠转速环进行调节，此时电流环相当于电流的随动系统，它的作用是力图使电枢电流Id尽快跟随转速调节器的输出Ugi,电流反馈加快了跟随作用[3]。

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4 驱动单元的设计

图5为PWM驱动单元组成框图。

Ui 控制电压 比较器 Ut 三角波发生器 U功率放大器 Up 直 流伺服电机

图5 PWM驱动单元组成框图

工作原理：

电压-脉宽转换器由三角波发生器和比较器组成，三角波发生器产生频率恒定的三角波Ut，Ut与输入的电压控制信号Ui相比较，当Ui >Ut时，比较器输出满幅的正电平；当Ui < Ut时，比较器输出满幅的负电平。比较器输出的正/负电平Us送给开关功率放大器进行放大，变成可驱动直流伺服电机的开关电平Up 。实际设计参数为：三角波频率为f = 10KHz, 三角波振幅Ut 为 -2V~+2V，控制电压输入：Ui 为-2V~+2V。

4.1 电压—脉宽转换器

图5中虚线部分为电压—脉宽转换器电路框图。图6为电压—脉宽转换器电路图。A1与其外围电路构成迟滞比较器，及冲放电时间常数相等的积分器A2，及电容C1一起构成三角波发生器。控制电压Ui与三角波发生器输出电压输入到比较器A3，比较器输出满幅的正/负电压Us送入功率放大器进行放大，成为可驱动直流饲服电机的开关电平Up。图中R1用于调节迟滞比较器的滞回电压范围，本设计的滞回电压范围应在-2V~2V间。 在图4-2中，通过迟滞比较器输出方波，方波幅值由稳压管Vz决定，被限制在稳压值-Vz~+Vz间，由理想运放的特性，三角波的幅值V2 = -R1Vz/R2。并且可推出三角波的振荡周期为：

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