【正文】 control units and driving units. The implement of the speed regulation by the Hbridge circuits which are constructed by voltagebased power switching transistors and specific IR2110, IGBT FGA25N120 Driving Chips, including two IGBT and MOSFET chips. And the Voltage Acquisition Collection of TL431, PC817 Linear Opticcoupler and AD0832 is desgined to do the closedloop control in the system. The above considerations finally help to improve intelligentization and automation of the overall system and give the possibility to the industrial application.Keyword MC51, PWM, optical coupler’s isolation, IR2110, IGBT1前言現(xiàn)在電氣傳動的主要方向之一是電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用微處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制。目 錄基于MC51單片機(jī)的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng) 1摘 要 1Abstract 21前言 3 3 3 3 4 5 5 62系統(tǒng)總體方案論證 7 7 83硬件電路的模塊設(shè)計 8 8 參數(shù)描述 9 IR2110驅(qū)動電路中IGBT抗干擾設(shè)計 11 IR2110功率驅(qū)動介紹 12 IR2100內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖及管腳說明 12 IR2110的自舉電路 13 IGBT H橋驅(qū)動電路原理 14 16 TLP250光耦隔離 16 PC817數(shù)據(jù)采集隔離 1過壓反饋保護(hù) 1過壓反饋方案設(shè)計 18 TL431介紹 19 194軟件設(shè)計 20 PWM實(shí)現(xiàn)方式方案論證 20 21 23 23 235調(diào)試結(jié)果描述 246結(jié)論 25致謝 26參考文獻(xiàn) 27附錄1 整個系統(tǒng)電路原理圖附錄2 整個系統(tǒng)PCB電路圖附錄3 穩(wěn)壓電源原理圖附錄4 穩(wěn)壓電源PCB圖附錄5 元器件清單 附錄6 系統(tǒng)印制板圖基于MC51單片機(jī)的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)摘 要本文介紹一種基于MC51單片機(jī)控制的 PWM直流電機(jī)脈寬調(diào)速系統(tǒng)。整個系統(tǒng)利用51單片機(jī)的定時器產(chǎn)生10K左右的PWM脈沖，通過帶有功率驅(qū)動作用的TLP250光耦實(shí)現(xiàn)控制單元與驅(qū)動單元的強(qiáng)弱電隔離，采用2片IGBT和MOSFET等一類電壓型功率開關(guān)管專用驅(qū)動芯片IR2110，驅(qū)動IGBT—FGA25N120構(gòu)成的H橋電路實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的調(diào)速，利用TL43線性光耦PC817和AD0832構(gòu)成的電壓采集單元實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，提高整個系統(tǒng)的智能化、自動化水平，為工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用提供可能。數(shù)字化直流調(diào)速裝置作為目前最新控制水平的傳動方式顯示了強(qiáng)大優(yōu)勢。近年來，盡管交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，但是直流電機(jī)憑借其良好的啟動、制動性能，在金屬切削機(jī)床、軋鋼機(jī)、海洋鉆機(jī)、挖掘機(jī)、造紙機(jī)、礦井卷揚(yáng)機(jī)、電鍍、高層電梯等需要廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速的高性能可控電力拖動領(lǐng)域中仍得到了廣泛的應(yīng)用。同時，高集成化、小型化、高可靠性及低成本成為控制的電路的發(fā)展方向。隨著計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，微處理器已經(jīng)廣泛使用于直流傳動系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化控制。微處理器誕生于上個世紀(jì)七十年代，隨著集成電路大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路制造工藝的迅速發(fā)展，微處理器的性價比越來越高。現(xiàn)在帶微處理器的可編程控制器，已經(jīng)在各種的機(jī)床設(shè)備和各種的生產(chǎn)流水線中普遍得到應(yīng)用，通過對可編程控制器進(jìn)行編程就可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的規(guī)律化控制。高性能的微處理器如DSP (DIGITAL SIGNAL PROCESSOR即數(shù)字信號處理器)的出現(xiàn)，為采用新的控制理論和控制策略提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)，使電機(jī)傳動的自動化程度大為提高。但是對于直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速有以下公式： 其中：U—電壓；—勵磁繞組本身的電阻；—每極磁通(Wb)；Cc—電勢常數(shù)；Cr—轉(zhuǎn)矩常量[3]。 圖11 直流電機(jī)的工作原理圖電樞控制是在勵磁電壓不變的情況下，把控制電壓信號加到電機(jī)的電樞上，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。調(diào)壓調(diào)速法具有平滑度高，能耗少，精度高等優(yōu)點(diǎn)。Ⅰ、基于晶閘管作為主電路的調(diào)速系統(tǒng)晶閘管的調(diào)速系統(tǒng)是采用分離元件設(shè)計的調(diào)速系統(tǒng)占用的空間大，控制角難于調(diào)整，且模擬器件的固有缺陷如：溫漂、零漂電壓等，導(dǎo)致電機(jī)的調(diào)速無法達(dá)到滿意的結(jié)果。PWM信號的產(chǎn)生通常有兩種方法:一種是軟件的方法；另一種是硬件的方法。基于單片機(jī)類由軟件來實(shí)現(xiàn)PWM：在PWM調(diào)速系統(tǒng)中占空比D是一個重要參數(shù)在電源電壓不變的情況下，電樞端電壓的平均值取決于占空比D的大小，改變D的值可以改變電樞端電壓的平均值從而達(dá)到調(diào)速的目的。（圖1）前兩種方法在調(diào)速時改變了控制脈沖的周期(或頻率)，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，將會引起振蕩，因此常采用定頻調(diào)寬法來改變占空比從而改變直流電動機(jī)電樞兩端電壓。這種專用PWM集成芯片可以減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，工作更可靠，但其價格相對較高，難于控制工業(yè)成本不宜采用。該方案總體上是具有可行性，但是L298的驅(qū)動電壓和電流較小，不利于工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用，無法滿足工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中大電壓、大電流的直流電機(jī)調(diào)速。MC51控制簡單，價格廉價，且利用MC51構(gòu)成單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，可縮小系統(tǒng)體積，提高系統(tǒng)可靠性，降低系統(tǒng)成本。同時利用MC51產(chǎn)生的PWM經(jīng)過邏輯延遲電路后加載到以IR2110為驅(qū)動核心，IGBT構(gòu)成的H橋主干電路上實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)的控制和調(diào)速。這就要求主電路上有兩路互為反向的控制信號。為了避免這種現(xiàn)象在系統(tǒng)中出現(xiàn)，本設(shè)計采用了在MC51產(chǎn)生PWM信號后設(shè)置邏輯延時電路。所要求的控制信號簡單，只需要加入PWM信號即可。并聯(lián)高頻小電容可吸收高頻毛刺干擾電壓。針對這中現(xiàn)象，本設(shè)計在輸出驅(qū)動電路中的功率管柵極限流電阻RR2R2R26上反向并聯(lián)了二極管DDD1D16。為了防止IGBT或二極管的損壞，就必須有目的地降低柵極驅(qū)動脈沖的上升速率，即增加?xùn)艠O串聯(lián)電阻的阻值[2]，控制該電流的峰值。IGBT的快速開通和關(guān)斷提高工作頻率，減小開關(guān)損耗，但由于開關(guān)過程中主回路電流的突變，其引線電感將產(chǎn)生很高的尖峰電壓，該電壓是IGBT過壓損壞的主要原因。若在“理想的自舉”電路中，由一個零阻抗電源供電，并通過一個理想的二極管給供電。實(shí)際上，該電壓是不能低于4V，超出該極限電壓就會引起高端通道工作的不穩(wěn)定。 圖35 IR2110內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖35中引腳10（）及引腳12 （）雙列直插式封裝，分別驅(qū)動逆變橋中同橋臂上下兩個功率MOS器件的輸入驅(qū)動信號輸入端，當(dāng)輸入脈沖形成部分的兩路輸出，范圍為（）~（+），圖6中和分別為引腳13（）及引腳9（）的電壓值。用于故障（過電壓、過電流）保護(hù)電路。 IR2110的自舉電路在驅(qū)動電路設(shè)計中，IR2110的自舉電路可以有效的保護(hù)IGBT。在關(guān)斷，開通期間，柵電荷經(jīng)和快速釋放。在選擇自舉電容最好選擇非電解電容，電容應(yīng)盡可能的靠近芯片。H型變換器在控制方式上分為雙極式、單極式和受限式三種[20]。在一個開關(guān)周期內(nèi)，時和為正，晶體管和飽和導(dǎo)通；而和為負(fù)值，和截止。當(dāng)正脈沖較寬時，則電樞兩端的平均電壓為正，在電動運(yùn)行時電機(jī)正轉(zhuǎn)。調(diào)速時的可調(diào)范圍為0~1，相應(yīng)的= 1~1。 ——理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比。TLP250驅(qū)動主要具備以下特征：輸入閾值電流IF=5mA(max)；電源電流ICC=11mA(max)；電源電壓(VCC)=10～35V；輸出電流IO=177。具體電路設(shè)計如圖39：圖39 TLP250光耦隔離電路 PC817數(shù)據(jù)采集隔離在進(jìn)行電流電壓采集和過壓保護(hù)時必須進(jìn)行隔離，防止強(qiáng)電流干擾控制模塊。而PC817是一種新型的光電隔離器件，能夠傳輸連續(xù)變化的模擬電壓或電流信號，隨著輸入信號的強(qiáng)弱變化會產(chǎn)生互