【正文】 后加載到以 IR2110 為驅(qū)動(dòng)核心， IGBT 構(gòu)成的 H橋主干電路上實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的控制和調(diào)速。為了避免這種現(xiàn)象在系統(tǒng)中出現(xiàn)，本設(shè)計(jì)采用了在 MC51 產(chǎn)生 PWM 信號(hào)后設(shè)置邏輯延時(shí)電路。并聯(lián)高頻小電容可吸收高頻毛刺干擾電壓。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(dòng)脈沖的上升速率，即增加?xùn)艠O串聯(lián)電阻的阻值，控制該電流的峰值。若在“理想的自舉”電路中， CCV 由一個(gè)零阻抗電源供電，并通過(guò)一個(gè)理想的二極管給 bV 供電。 16 圖 35 IR2110 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖 35中引腳 10（ INH ）及引腳 12 （ INL ）雙列直插式封裝，分別驅(qū)動(dòng)逆變橋中同橋臂上下兩個(gè)功率 MOS 器件的輸入驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端，當(dāng)輸入脈沖形成部分的兩路輸出，范圍為（ ssU ） ~（ ccU +），圖 6 中 ssU 和 ccU 分別為引腳 13（ ssV ）及引腳 9（ ccV ）的電壓值。 IR2110 的自舉電路 在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中， IR2110 的自舉電路可以有效的保護(hù) IGBT。在選擇自舉電容 1C 最好選擇非電解電容，電容應(yīng)盡可能的靠近芯片。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)， 0 ontt?? 時(shí) b1U 和 b4U 為正，晶體管 1VT 和 4VT 飽和導(dǎo)通；而 b2U 和 b3U 為負(fù)值， 2VT 和3VT 截止。調(diào) 速時(shí) ? 的可調(diào)范圍為 0~1，相應(yīng)的? = 1~1。 TLP250 驅(qū)動(dòng)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。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(hào)，隨著輸入信號(hào)的強(qiáng)弱變化會(huì)產(chǎn)生互相對(duì)應(yīng)的光信號(hào)，從而使光敏晶體管的導(dǎo)通程度發(fā)生不同的變化，輸出的電壓或電流也隨之產(chǎn)生不同變化。這樣的循環(huán)下去，從動(dòng)態(tài)平衡的角度來(lái)看，就迫使 UO趨于穩(wěn)定，從而達(dá)到了穩(wěn)定的目的，并且 REFU = refU 。 圖 314 穩(wěn)壓可調(diào)電源電路原理圖 25 4 軟件設(shè)計(jì) PWM 實(shí)現(xiàn)方式方案論證 方案一：軟件延時(shí) 基本思想：首先預(yù)設(shè)占空比值 D，再根據(jù)周期 T 分別給輸出端口置高電平 M 個(gè)單位時(shí)間0t ，即 10M=t /t 。按照任務(wù)的定義，每個(gè)功能模塊都能完成某一明確的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)具體的某個(gè)功能，如測(cè)量、計(jì)算、顯示、鍵盤(pán)掃描、輸出控制等。 TH0=Th0。 case 3:if(Pro_High=999) Pro_High++。 } } 5 調(diào)試結(jié)果描述 調(diào)試過(guò)程 ,接 5V 直流電機(jī)，在不同占空比負(fù)載電壓 U負(fù) 、 IGBT柵極和集電極電壓 GEU 輸 29 出情況和電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向如下表 51： 表 51 5V 直流電機(jī)的測(cè)試情況 占空比 GEU 0% 10% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 100% UGE1 0V UGE2 UGE3 UGE4 V 0V U負(fù) V V V 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)情況 反轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 停轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 從上表可知：當(dāng)占空比為 50%電機(jī)停轉(zhuǎn)，隨著占空比的增加或減少電機(jī)轉(zhuǎn)速也越來(lái)越快。 系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速由鍵盤(pán)輸入，并能實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高頻快速起動(dòng)，設(shè)置了電流采樣電路，與速度反饋電路組成雙閉環(huán)系統(tǒng)，要求利用硬件電路和軟件控制來(lái) 31 實(shí)現(xiàn)上述功能。 QA9wkxFyeQ^! djsXuyUP2kNXpRWXm Aamp。gTXRm 6X4NGpP$vSTTamp。 gTXRm 6X4NGpP$vSTTamp。 gTXRm6X4NGpP$vSTTamp。gTXRm 6X4NGpP$vSTTamp。 ks v*3t nGK8!z89Am YWpazadNuKNamp。 gTXRm 6X4NGpP$vSTTamp。 gTXRm 6X4NGpP$vSTTamp。 ksv*3t nGK8! z89Am YWpazadNuKNamp。 ksv*3t nGK8!z89Am YWpazadNuKNamp。ksv*3t nGK8!z89Am YWpazadNuKNamp。 UE9aQGn8xp$Ramp。 gTXRm 6X4NGpP$vSTTamp。 gTXRm6X4NGpP$vSTTamp。 UE9aQGn8xp$Ramp。 gTXRm6X4NGpP$vSTTamp。 gTXRm 6X4NGpP$vSTTamp。gTXRm 6X4NGpP$vSTTamp。 gTXRm 6X4NGpP$vSTTamp。使用高性能的微機(jī)解決電機(jī)控制器不斷增加的計(jì)算量和速度要求，使其功能強(qiáng)大、維修方便、適用范圍廣又非常經(jīng)濟(jì)。 系統(tǒng)以 廉價(jià)的 MC51 單片機(jī)為控制核心，以直流電機(jī)為控制對(duì)象。 case 5:if(Pro_High=10) Pro_High=Pro_High10。 case 1: if(Pro_High=900) Pro_High=Pro_High+100。 Pro_Count++。 方案二：定時(shí)計(jì)數(shù) 基本思想：利用單片機(jī)定時(shí)器 0中斷方式產(chǎn)生 PWM 脈沖，當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)到設(shè)定時(shí)間后輸出端口實(shí)現(xiàn)高低電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn) PWM 輸出。穩(wěn)壓器內(nèi)部含有過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)電路，具有安全可靠，性能優(yōu)良、不易損壞、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。其工作原理：當(dāng)輸出電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，經(jīng)分壓電阻 R35得到的取樣電壓就與 TL431 中的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，在陰極上形成誤差電壓，使光耦電流發(fā)生 變化，這時(shí)候通過(guò) PC817 隔離后經(jīng) AD0832 模數(shù)轉(zhuǎn)換后給 MC51 處理，當(dāng)主電路的電壓過(guò)大時(shí)， MC51 就停止 PWM 輸出或改變 PWM 占空比從而達(dá)到過(guò)壓保護(hù)。具體電路設(shè)計(jì)如圖 39： 21 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(guò)壓保護(hù)時(shí)必須進(jìn)行隔離，防止強(qiáng)電流干擾控制模塊。 0n —— 理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成 ? 正比， 0 seUn C??。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)， 2on Tt ? ，則電樞兩端的平均電壓為正，在電動(dòng)運(yùn)行時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)。 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。在 1MV 關(guān)斷， 2MV 開(kāi)通期間， 1S 柵電荷經(jīng) g1R 和 2MV 快速釋放。用于故障（過(guò)電壓、過(guò)電流）保護(hù)電路。實(shí)際上，該電壓是不能低于 4V，超出該極限電壓就會(huì)引起高端通道工作的不穩(wěn)定。 IGBT 的快速開(kāi)通和關(guān)斷提高工作頻率，減小開(kāi)關(guān)損耗，但由于開(kāi)關(guān)過(guò)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(guò)壓損壞的主要原因。針對(duì)這種現(xiàn)象，本設(shè)計(jì)在輸出驅(qū)動(dòng)電路中的功率管柵極限流電阻R R2 R2 R26 上反向并聯(lián)了二極管 D D D1 D16。所要求的控制信號(hào)簡(jiǎn)單，只需要加入 PWM信號(hào)即可。這就要求主電路上有兩路互為反向的控制信號(hào)。 MC51 控制簡(jiǎn)單，價(jià)格廉價(jià)，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。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(jià)格相對(duì)較高，難于控制工業(yè) 9 成本不宜采用。 基于單片機(jī)類由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn) PWM：在 PWM 調(diào)速系統(tǒng)中占空比 D 是一個(gè)重要參數(shù)在電源電壓 dU 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。 直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式 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(jì)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(wú)法達(dá)到滿意的結(jié)果。 圖 11 直流電機(jī)的工作原理圖 電樞控制是在勵(lì)磁電壓不變的情況下，把控制電壓信號(hào)加到電機(jī)的電樞上，以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 高性能的微處理器如 DSP (DIGITAL SIGNAL PROCESSOR 即數(shù)字信號(hào)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(dòng)的自動(dòng)化程度大為提 6 c r cn RU TC C C???? 內(nèi)高。 微處理器控制直流電機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀 微處理器誕生于上個(gè)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(jià)比越來(lái)越高。同時(shí)，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。數(shù)字 化直流調(diào)速裝置作為目前最新控制水平的傳動(dòng)方式顯示了強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)。從系統(tǒng)的角度出發(fā)，對(duì)電路進(jìn)行總體方案論證設(shè)計(jì)，確定電路各個(gè)的功能模塊之間的功能銜接和接口設(shè)置，詳細(xì)分析了各個(gè)模塊的方案論證和參數(shù)設(shè)置。 6 經(jīng)濟(jì)分析 ................................................................ 30 7 結(jié)論 .................................................................... 30 參考文獻(xiàn) .................................................................. 31 附錄 1 整個(gè)系統(tǒng)電路原理圖 附錄 2穩(wěn)壓電源原理圖 附錄 3元器件清單 4 1 前言 現(xiàn)在電氣傳動(dòng)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。 現(xiàn)階段，我國(guó)還沒(méi)有自主的全數(shù)字化直流調(diào)速控制裝置生產(chǎn)商，而國(guó)外先進(jìn)的控制器價(jià)格昂貴，且技術(shù)轉(zhuǎn)讓受限，為此研究及更好的使用國(guó)外先進(jìn)的控制器，吸收國(guó)外先進(jìn)的數(shù)字化直流電機(jī)調(diào)速裝置的優(yōu)點(diǎn)，具有重要的實(shí)際意義和重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。由于微處理器以數(shù)字信號(hào)工作，控制手段靈活方便，抗干擾能力強(qiáng)。 對(duì)于復(fù)雜的微處理器控制 電機(jī) ,則要利用微處理器控制電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等，使電機(jī)按給定的指令準(zhǔn)確工作。由上式可知，直流電機(jī)的速度控制既可采用電樞控制法，也可采用磁場(chǎng)控制法。在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用其中脈寬調(diào)制 (PWM)應(yīng)用更為廣泛?；贜E555， SG3525 等一系列的脈寬調(diào)速系統(tǒng)：此種方式采用 NE555 作為控制電路的核心，用于產(chǎn)生控制信號(hào)。利用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器外加軟件延時(shí)等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)脈寬的自由調(diào)整，此種方式可簡(jiǎn)化硬件電路，操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 方案三：采用 MC51 單片機(jī)、 IR2110 功率驅(qū)動(dòng)芯片構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的核心實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速。本系統(tǒng)的控制部分為 5V的弱電而驅(qū)動(dòng)電路和負(fù)載電路為 110V 以上的直流電壓因此 在強(qiáng)弱電之間、數(shù)據(jù)采集之間分別利用了帶有驅(qū)動(dòng)功能的光耦 TLP250 和線性光耦 PC817 實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電隔離，信號(hào)串?dāng)_。 圖 31中二極管 23D 、 24D 能使低電平或者可以說(shuō)是 PWM 負(fù)信號(hào)通過(guò)，電阻 16R 、 17R 和電容 3C 、 4C 延遲了高電平信號(hào)向后傳送的時(shí)間，這樣就可以保證功率開(kāi)關(guān)管可靠關(guān)斷后再給與其同一橋臂上的功率開(kāi)關(guān)管加高電平信號(hào)，可以避免其同時(shí)導(dǎo)通。電路中為了防止 Q Q3 導(dǎo)通時(shí)高電壓串入 CCV 端損壞芯片， 13 在設(shè)計(jì)采用快恢復(fù)二極管 FR107，其快速恢復(fù)時(shí)間為 500ns 可有效地隔斷高壓信號(hào)串入IR2110。雖然柵極串聯(lián)電阻小，有利于加快關(guān)斷速度和減小關(guān)斷損耗，也有利于避免關(guān)斷時(shí)集射極間電壓的 vtd/d 過(guò)小造成IGBT 誤開(kāi)通。負(fù)過(guò)沖電壓將引起自舉電容過(guò)充電。 引腳 11（ SD）端為保護(hù)電路信號(hào)輸入端。 IR2110 自舉電路的結(jié)果原理圖如圖 36 所示： 17 圖 36 IR2110 自舉電路原理圖 圖 36中 1C 及 1DV 分別為自舉電容和快速恢復(fù)二極管， 2C 為 CCV 的濾波電容。一般情況下為保證自舉電容將柵源電壓持續(xù)一段時(shí)間 ,選電容為其最小值的 15 倍左右。這時(shí)， + sU 加在電樞 AB 兩端， AB SUU? ，電樞電流 di 沿回路 1流通；當(dāng) ont t T?? 18 時(shí)， b1U 和 b4U 變?yōu)樨?fù)值， 1VT 和 4VT 截止； b2U 和 b3U 變成正值，但是 2VT 和 3VT 并不能立即導(dǎo)通，因?yàn)樵陔姌须姼嗅尫艃?chǔ)能的作用下， di 沿回路 2經(jīng)二極管 2VD 、 3VD 續(xù)流，在 2VD 和3VD 上的壓降使 2VT 、 3VT 集電極和發(fā)射極承受反壓，這時(shí) AB SUU?? ， ABU 在一個(gè)周期內(nèi)正負(fù)相間，這是雙極式 PWM 變換器的特征。當(dāng) 12?? 時(shí)， ? 為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng) 12?? 時(shí)， ? 為負(fù)，電動(dòng)機(jī)負(fù)轉(zhuǎn)；當(dāng) 12??時(shí)， ? =0，電動(dòng)機(jī)停止。 (min)； 開(kāi)關(guān)時(shí)間 tpLH/tpHL= s(max)。 PC817 光電耦合器在電路中不但可以起到反饋?zhàn)饔眠€可以起到強(qiáng)弱電隔離作用。 因?yàn)橄到y(tǒng)需要的不同電壓值較多，且由于電機(jī)在正常工作時(shí)對(duì)電源的干擾很大，如 24 果只用一組電源難以防止干擾，為此