【文章內(nèi)容簡介】 T的專用驅(qū)動集成電路 ,正是因?yàn)榫哂羞@種優(yōu)勢，他被廣泛應(yīng)用于 馬達(dá)調(diào)速、電源變換等功率驅(qū)動領(lǐng)域。這個(gè)電路芯片的特點(diǎn)是成本低，偏值電壓高 ( 600V)，集成度高 (可驅(qū)動同一橋臂兩路 ) ，體積小 (DIP14 )，響應(yīng)快 ( ton/tof= 120/94 ns)，而且驅(qū)動能力強(qiáng) , 內(nèi)設(shè)欠壓封鎖，易于調(diào)試 ,除此之外，它還擁有外部保護(hù)封鎖端口。為了使得驅(qū)動電源路數(shù)目較其他 IC驅(qū)動大大減小，它的上管驅(qū)動采用外部自舉電容上電。只需一路 10一 20V電源， 2片 IR2110驅(qū)動 2個(gè)橋臂就能應(yīng)對 4管構(gòu)成的全橋電路，這樣做的優(yōu)點(diǎn)很多，提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了產(chǎn)品成本，大大減小了控制變壓器的體積和電源數(shù)目。 IR2110 的引腳圖以及功能 HOUBUsNcV c cC O MNCV SSLINSDH INV DDNCLO 圖 32 IR2110管腳圖 IR2110 使用了兩種工藝，分別是閂鎖抗干擾 CMOS 工藝和 HVIC，不管是高端還是低端，他們的輸出通道都是獨(dú)立的；但是與標(biāo)準(zhǔn)的 CMOS 輸出比較起來，它的邏輯輸入是兼容的；并且自舉電路用于浮置電源， 500V 是它工作電壓可以達(dá)到的最大值，du/dt=177。 50V/ns，當(dāng)條件為小于等于 15V 時(shí)，只有 是它的靜態(tài)功耗； 10～ 20V的電壓范圍為輸出的柵極驅(qū)動電壓， 5～ 15V 的電壓范圍就是它的邏輯電源電壓，存在電壓偏移的是邏輯電源，－ 5V～＋ 5V 就是它的電壓偏移范圍。 CMOS 施密特觸發(fā)被應(yīng)用于 IR2110 輸入，滯后欠壓鎖定存在于兩路。正是因?yàn)椴捎昧送仆焓津?qū)動所以使得大于等于 2A成為它的輸出峰值電流，如果 1000pF 就是它的負(fù)載時(shí)，那么 25ns 就是它的開關(guān)時(shí)間。 120ns 為兩路匹配傳輸導(dǎo)通延時(shí)， 94ns 為關(guān)斷延時(shí)。可以承受反向電流的是 IR2110 的腳 10，它最大能夠承受 2A 的反向電流。 P W M 1 P W M 2VbHOVsLOH INL INSDC O MVb HO Vs LOH IN L IN SDC O MIR 2 1 1 0R9 R 1 0R 1 1 R 1 2VD 10VD 11IR 2 1 1 0C4 C5P W M 1 P W M 2U g1U g2 U g3 U g4V s s V s s 圖 33 IGBT驅(qū)動電路 元器件的選擇比較、選型 本設(shè)計(jì)采用 IGBT， IGBT 作為大功率的電路驅(qū)動器件，具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)IGBT 在正常工作時(shí)，導(dǎo)通電阻較低，增大了器件的電流容量。 (2)IGBT 的輸出電流和跨導(dǎo)都大于相同尺寸的功率 MOSFET。 (3)較寬的低摻雜漂移區(qū)（ n區(qū)）能夠承受很高的電壓，因而可以實(shí)現(xiàn)高耐壓的器件。 (4)IGBT 利用柵極可以關(guān)斷很大的漏極電流。 (5)與 MOSFET 一樣， IGBT 具有很大的輸入電阻和較小的輸入電容，則驅(qū)動功率低，開關(guān)速度高。雖然當(dāng) IGBT 關(guān)斷（柵極電壓降為 0）時(shí)， IGBT 的漏極電流也就相應(yīng)地不能馬上關(guān)斷，即漏極電流波形有一個(gè)較長時(shí)間的拖尾 —— 關(guān)斷時(shí)間較長（ 10～50ms），所以 IGBT 的工作頻率較低。但這本設(shè)計(jì)中 IGBT 仍然是本設(shè)計(jì)驅(qū)動的最理想器件。 IGBT 型號選擇：（ 1） IGBT 承受的正反向峰值電壓： VVUU ir m 0 92 2 04 1 ???? （ 31） 考慮到 ，可選 IGBT 的電壓為 900V。 （ 2） IGBT 導(dǎo)通時(shí)承受的峰值電流 : AIIi r m 1 ???? （ 32） 額定電電壓按 220V 供電電壓、額定功率 10kVA 容量算。在計(jì)算出（或測出）最大電壓后，再留有 20%~30%的裕量，選用的 IGBT 型號為三菱公司的 CT60AM18F，其耐壓值為 900V，最大峰值電流 30A，完全滿足設(shè)計(jì)要求。 H 橋雙極性主電路 從上面的原理可以看出，產(chǎn)生高壓側(cè)門極驅(qū)動電壓的前提是低壓側(cè)必須有開關(guān)的 動作，在高壓側(cè)截止期間低壓側(cè)必須導(dǎo)通，才能夠給自舉電容提供充電的通路。因此在這個(gè)電路中， VT VT4或者 VT VT3是不可能持續(xù)、不間斷的導(dǎo)通的。我們可以采取雙 PWM信號來控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)以及它的速度。 將 IC1的 HIN端與 IC2的 LIN端相連，而把 IC1的 LIN端與 IC2的 HIN端相連，這樣就使得兩片芯片所輸出的信號恰好相反。 在 HIN為高電平 期間， VT VT4導(dǎo)通，在直流電機(jī)上加正向的工作電壓。其具體的操作步驟如下： 電源經(jīng) VT1至電動機(jī)的正極經(jīng)過整個(gè)直流電機(jī)后再通過 VT4到達(dá)零電位，完成整個(gè)的回路。此時(shí)直流電機(jī)正轉(zhuǎn)。 在 HIN為低電平期間， LIN端輸入高電平， VT VT3導(dǎo)通，在直流電機(jī)上加反向工作電壓。其具體的操作步驟如下： 電源經(jīng) VT3至電動機(jī)的負(fù)極經(jīng)過整個(gè)直流電機(jī)后再通過 VT2到達(dá)零電位，完成整個(gè)的回路。此時(shí)，直流電機(jī)反轉(zhuǎn)。 因此電樞上的工作電壓不是單極性的矩形脈沖波形，而是雙極性矩形脈沖波形，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向是由矩形脈沖電壓的平 均值來決定的，原因在于存在著機(jī)械慣性的緣故。 設(shè) PWM波的周期為 T ， HIN為高電平的時(shí)間為 1t ，這里忽略死區(qū)時(shí)間，那么 LIN為高電平的時(shí)間就為 1tT? 。 HIN信號的占空比為 TtD /1? 。設(shè)電源電壓為 V， 那么電樞電壓的平均值為： VVV )12(/)2(/)]([ 111 ??????? DTTtTtTtV out (33) 定義負(fù)載電壓系數(shù)為 λ ， /VVλ out? 那么 12 ?? Dλ ；當(dāng) T為常數(shù)時(shí)，改變 HIN為高電平的時(shí)間 1t ，也就改變了占空比 D ，從而達(dá)到了改變 outV 的目的。 D 在 01之間變化，因此 λ 在177。 1之間變化。如果我們聯(lián)系改變 λ ，那么便可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正向的無級調(diào)速。 當(dāng) ? 時(shí)， 0?outV ,此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 0； 當(dāng) 150 ??λ. 時(shí)， outV 為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)； 當(dāng) 1?λ 時(shí)， VVout ? ,電機(jī)正轉(zhuǎn)全速運(yùn)行。 MGM O T O R D CV T 1V T 2VD1VD2V T 3V T 4VD3VD4U g1U g2U g3U g4Us 圖 34 橋式可逆 PWM變換器電路 雙極式控制可逆 PWM 變換器的四個(gè)驅(qū)動電壓波形如圖 35所示。 OOOOU g1 U g4U g2 U g3U ABUsU sidid1id2 ttttton Tton T 圖 35 PWM變換器的驅(qū)動電壓波形 他們的關(guān)系是： 3241 gggg UUUU ????? 。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，當(dāng) ontt??0時(shí)，晶體管 1VT 、 4VT 飽和導(dǎo)通而 3VT 、 2VT 截止，這時(shí) sAB UU ? 。 當(dāng) Ttton ?? 時(shí)，1VT 、 4VT 截止，但 3VT 、 2VT 不能立即導(dǎo)通，電樞電流 di 經(jīng) 2VD 、 3VD 續(xù)流，這時(shí) sAB UU ?? 。 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，其電壓、電流波形如圖 2 所示。電動機(jī)的正反轉(zhuǎn)體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正、負(fù)脈沖的寬窄上。 當(dāng) 正脈沖較寬時(shí)， 2Tton?，則 ABU 的平均值為正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)正脈沖較窄時(shí)，則反轉(zhuǎn)；如果正負(fù)脈沖相等， 2Tton?，平均輸出電壓為零，則電動機(jī)停止。 雙極式控制可逆 PWM 變換器的輸出平均電壓為 sononsond )UTt(T tTUTtU 12 ????? (34) 如果定義占空比 Ttρ on? ，電壓系數(shù)sdUUγ? 則在雙極式可逆變換器中 12 ?? ργ 調(diào)速時(shí)， ρ 的可調(diào)范圍為 0～ 1 相應(yīng)的 11 ??? ~γ 。當(dāng) 21?ρ 時(shí)， γ 為正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng) 21?ρ 時(shí)， γ 為負(fù)，電動機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng) 21?ρ 時(shí)， 0?γ ，電動機(jī)停止。但電動機(jī)停止時(shí)電樞電壓是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，它并不等于零，從這里也可以看出電流也是交變的。因?yàn)榇嬖谡?fù)脈寬相等條件，對交變電流的平均值而言，它的值也等于零，因而平均轉(zhuǎn)矩是不產(chǎn)生，雙極式控制有個(gè)很大的缺點(diǎn)就是它會徒然增大電動機(jī)的損耗。雖然這個(gè)缺點(diǎn)無法避免，但是它的好處還是很明顯的，那就是高頻微震電流存在于電動機(jī)停止時(shí)，正是因?yàn)檫@一點(diǎn)，正、反向時(shí)靜摩擦死區(qū)被有效的消除了，“動力潤滑”的作 用因此而得名。 雙極式控制的橋式可逆 PWM 變換器有以下優(yōu)點(diǎn)： 1）可使電動機(jī)在四象限運(yùn)行。 2）低速平穩(wěn)性好，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。 3）電流一定連續(xù)。 4）電動機(jī)停止時(shí)有微震電流，能消除靜摩擦死區(qū)。 檢測回路 檢測回路利用光電編碼器將轉(zhuǎn)速直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入單片機(jī)進(jìn)行處理。 光電編碼器 編碼器是一種轉(zhuǎn)換裝置，它能把直線位移或角位移轉(zhuǎn)換成電信號。前者成為碼尺，后者稱碼盤。編碼器如果按照讀出方式來分的話可以分為非接觸式和 接觸式兩種。非接觸式的接受敏感元件是磁敏元件或光敏元件，光敏元件時(shí)常常使用以不透光區(qū)和透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“ 0”還是“ 1”；接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸絕緣區(qū)或?qū)щ妳^(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“ 0”還是“ 1”。 同理，編碼器如果按照工作原理來分的話可分為絕對式 和 增量式兩種。絕對式編碼器的特點(diǎn)為一個(gè)確定的數(shù)字碼對應(yīng)每一個(gè)位置，因此它的示值與測量的中間過程無關(guān)，而只與測量的起始和終止位置有關(guān)。增量式編碼器與絕對式編碼器原理一點(diǎn)也不相同，它的原理是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個(gè)電信號轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，然后用脈 沖的個(gè)數(shù)來表示位移的大小。 通過比較 增量式和絕對式的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)，我們可以確定 本設(shè)計(jì)可以采用增量式光電編碼器來采樣轉(zhuǎn)速信號，如圖 36所示。增量式編碼器最大的優(yōu)勢是專門用來測量轉(zhuǎn)動角位移的累計(jì)量。下面我們這里以三相編碼器為例來介紹增量式編碼器的結(jié)構(gòu)及其工作原理。 圖 36 編碼器原理圖 圓盤上有規(guī)則地刻有不透光和透光的線條是增量式光電編碼器非常顯著地特點(diǎn)，在圓盤兩側(cè)分別安放光敏元件和發(fā)光元件。 一旦 當(dāng)圓盤隨電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光敏元件輸出的脈沖是這樣形成的，光敏元件接受的光增量會隨透光線條同步變化，它輸出的波形經(jīng)過整形后便形成了脈沖。碼盤上有向標(biāo)志，每轉(zhuǎn)一圈 z相輸出一個(gè)脈沖。碼盤提供相位相差 90176。的兩路脈沖信號 ,并以此來 判斷旋轉(zhuǎn)方向。復(fù)位計(jì)數(shù)器采用編碼盤輸出的 z相脈沖，每轉(zhuǎn)一圈復(fù)位一次計(jì)數(shù)器。將 A、 B兩相脈沖中任何一相輸入計(jì)數(shù)器中，均可使計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。 用 D觸發(fā)器的輸出信號 Q來判斷編碼盤的旋轉(zhuǎn)方向。 D觸發(fā)器的時(shí)鐘端和 D輸入端分別接整形后的 A、 B兩相輸出信號，采用 A相脈沖的上升沿來觸發(fā) D觸發(fā)器的 CLK端。電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向是這樣確定的，由于 A、 B兩相的脈沖相位相差 90176。，當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)， A 相脈沖超前 B相脈沖 90176。，則 D觸發(fā)器總是在 B脈沖為低電平時(shí)觸發(fā)，這時(shí) Q輸出端輸出為低電平。當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)， B相脈沖超前 A相脈沖 90176。，觸發(fā)器總是在 B脈沖為高電平時(shí)觸發(fā)，這時(shí) D觸發(fā)器的輸出端 Q輸出為高電平。 為了在較寬的速度范圍內(nèi)獲得快速和高精度的數(shù)字測速，選用轉(zhuǎn)速傳感器時(shí)本設(shè)計(jì)采用每轉(zhuǎn) 1024線的光電編碼器，它產(chǎn)生的測速脈沖頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速有固定的比列關(guān)系，微機(jī)對該頻率信號采用 M/T法測速處理。之所以要保證轉(zhuǎn)速檢測的快速性和精度，是因?yàn)檗D(zhuǎn)速檢測的快速性和精度對電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能影響極大。 M/T 法測速原理 M/T法測速原理是在對時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù) 2m 進(jìn)行計(jì)數(shù)的同時(shí)對光電編碼器輸出的測速脈沖數(shù) 1m 也 進(jìn)行計(jì)數(shù)。原理如圖 37： 圖 37 M/T法測速原理 測速時(shí)間 dT 由測速脈沖來同步，即由圖 37電路實(shí)現(xiàn) dT 等于整 1m 個(gè)脈沖周期。設(shè)從圖 37上 a點(diǎn)開始，計(jì)數(shù)器分別對 1m 和 2m 計(jì)數(shù)，到達(dá) b點(diǎn)，預(yù)計(jì)的測速時(shí)間 cT 到，微機(jī)發(fā)出停機(jī)指令，但因?yàn)?cT 不一定恰好等于整數(shù)個(gè)編碼輸出脈沖周期，所以計(jì)數(shù)器仍對時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，直到 c點(diǎn)時(shí)，可以利用下一個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖上升沿（即 c點(diǎn)）觸發(fā)數(shù)字測速硬件電路使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。這樣， 2m 代表了 1m 個(gè)測速脈沖周期的時(shí)間。設(shè)時(shí)鐘脈沖頻率為 0f ，光電編碼器每轉(zhuǎn)發(fā)出 p個(gè) 脈沖，則電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式為： 20160 mz fmn ? ??? (35) 由于 M/T 法的計(jì)數(shù)值 1m 和 2m 都隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化，高速時(shí)，相當(dāng)于 M法測速，最低速時(shí)， 11?