【文章內(nèi)容簡介】 由三極管組成的H橋型PWM驅(qū)動電路。用單片機控制三極管使之工作在占空比可調(diào)的開關狀態(tài)，精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術。兼于方案三調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，因此本設計采用方案三。 PWM調(diào)速實現(xiàn)方式（1）PWM調(diào)速工作方式方案一：雙極性工作制。雙極性工作制是在一個脈沖周期內(nèi)，單片機兩控制口各輸出一個控制信號，兩信號高低電平相反，兩信號的高電平時差決定電動機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。方案二：單極性工作制。單極性工作制是單片機控制口一端置低電平，另一端輸出PWM信號，兩口的輸出切換和對PWM的占空比調(diào)節(jié)決定電動機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。由于單極性工作制電壓波開中的交流成分比雙極性工作制的小，其電流的最大波動也比雙極性工作制的小，所以我們采用了單極性工作制。（2）PWM調(diào)脈寬方式調(diào)脈寬的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因為采用這種方式，電動機在運轉(zhuǎn)時比較穩(wěn)定；并且在采用單片機產(chǎn)生PWM脈沖的軟件實現(xiàn)上比較方便。（3）PWM軟件實現(xiàn)方式方案一：采用定時器做為脈寬控制的定時方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個us。方案二：采用軟件延時方式，這一方式在精度上不及方案一，特別是在引入中斷后，將有一定的誤差。故采用方案一。 PLC實現(xiàn)電機控制可編程控制器PLC是通用的自動化控制裝置，是電機實現(xiàn)自動化、智能化控制的核心控制元件。它將傳統(tǒng)的繼電器控制技術、計算機技術和通訊技術融為一體，采用模塊式組合設計，具有控制功能強，可靠性高、使用靈活方便，易于擴展而且PLC系統(tǒng)開發(fā)簡單、編程容易、抗干擾能力強、適合在工業(yè)環(huán)境下工作，故而只要合理設計，降低成本，它將會受到現(xiàn)場技術人員的歡迎。在很多控制系統(tǒng)等重要設備上得到了廣泛應用。在本設計直流電機驅(qū)動控制系統(tǒng)設計中，采用PLC作為系統(tǒng)的主控器件。之所以選擇用PLC來實現(xiàn)系統(tǒng)的控制思想，是因為PLC有較高的易操作性，它具有編程簡單，操作方便，維修容易等特點。除上述優(yōu)點外，PLC具有超強的穩(wěn)定性和長時間連續(xù)工作的能力，因而，PLC是為工業(yè)生產(chǎn)過程控制化專業(yè)設計的控制裝置，具有比通用計算機控制更簡單的編程語言和更可靠的硬件。采用了精簡化的編程語言，編程出錯率大大降低。四川理工學院畢業(yè)設計（論文）第四章 直流電機驅(qū)動控制系統(tǒng)總體硬件電路設計系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖41所示。包括系統(tǒng)的基本組成電路和各部分之間的主要關系，箭頭表示信息的流向。從系統(tǒng)框圖可知，本系統(tǒng)基本由四部分組成，分別是PLC可編程控制器部分、PWM信號發(fā)生器部分、H橋電機驅(qū)動電路部分、光電隔離電路部分，下面分別加以說明?？删幊炭刂破鞴怆姼綦x保護電路路PWM信號發(fā)生器直流電機H橋驅(qū)動電路穩(wěn)壓電源電路控制按鈕圖41 驅(qū)動控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖穩(wěn)壓電源電路設計過程，首先根據(jù)控制要求進行參數(shù)計算、然后進行元器件選擇最后進行原理圖繪制。 穩(wěn)壓電源電路參數(shù)（1）整流電路參數(shù)輸出電壓平均值：Uo(AV)=2輸出電流平均值：Io(AV)=平均整流電流：ID(AV)=最大反向電壓：URM=整流二極管的選擇（考慮電網(wǎng)）：（2）濾波電路參數(shù)濾波電容選擇：RLC=(3～5)一般選幾十至幾千微法的電解電容，耐壓 元器件選擇（1）要使7812正常工作，必須保證輸入與輸出之間維持大于2V的壓降，因此7812輸入端直流電壓必須保證14V以上。7812輸入端的電流是對變壓器副邊輸出電壓U（t）整流、濾波后得到的。假設整流電路內(nèi)阻為0，負載電流為0，7812輸入端有最大電壓U=，Uef是U（t）有效值。由于濾波電容不可能無限大，所以U＜，根據(jù)經(jīng)驗可知U=，可知Uef=，得變壓器可取15V。（3）變壓器選擇：變壓器選擇220V/15V變壓，考慮到電流不需要太大，最大電流為2A，實際選擇變壓器輸出功率為10W，可以很好的滿足要求。（4）整流橋：考慮到電路中會出現(xiàn)沖擊電流，整流橋的額定電流是工作電流的2~3倍。選取IN4007搭接整流橋符合設計要求。（5）濾波電容：考慮到對紋波電壓要求比較高，故選擇1000μF耐壓值的電解電容去除低頻干擾穩(wěn)定電壓。（6）去耦電容：去耦電容的選擇是7812及7805芯片要求的， 、用來濾除高頻分量防止產(chǎn)生自激。至此，所有元件的參數(shù)都已經(jīng)確定。 繪制穩(wěn)壓電路原理圖原理圖繪制采用EDA設計軟件Protel99SE，該軟件采用設計庫管理模式，可以進行聯(lián)網(wǎng)設計，具有很強的數(shù)據(jù)交換能力和開放性及3D模擬功能，是一個32位的設計軟件，可以完成電路原理圖設計，印制電路板設計和可編程邏輯器件設計等工作。圖42 12V、5V穩(wěn)壓電路原理圖 H橋驅(qū)動電路設計 H橋驅(qū)動芯片的選擇常用的直流電機H橋驅(qū)動方案有：三極管H橋、MOS管H橋、集成電路H橋等，具體選擇哪一種方案還要看實際需要。下面就分析一下幾種電路的性能差異。三極管H橋：驅(qū)動效率高，驅(qū)動電路消耗能量少，橋臂導通壓降小，電路簡單便宜。MOS管H橋：MOS管效率高但比較脆弱，使用時候需要非常注意，例如導通切換的時候要仔細研究時序，否則容易造成橋直通，燒毀MOS管；大功率的MOS管門極需要比較高的驅(qū)動電壓，否則不能正常導通。集成電路H橋：芯片簡單便宜，而且很容易買到，如常用的L298N，一個芯片里面就集成了2路的H橋電路，還帶PWM控制和電流采集。但是它也有嚴重的缺點。綜合考慮本次設計采用三極管H橋電路，四個晶體三極管B77D882以對角組合分為兩組：根據(jù)兩個輸入端的高低電平?jīng)Q定晶體管的導通和截止。4個二極管4148在電路中起防止晶體管產(chǎn)生反向電壓的保護作用。由于PWM控制信號發(fā)生器信號電壓為5V，H橋驅(qū)動電壓為12V，為了使二者電壓得到匹配，在PWM控制信號發(fā)生器與H橋驅(qū)動電路之間采用光電耦合器，即實現(xiàn)了電壓匹配又將控制部分與電動機的驅(qū)動部分隔離開來，有效得防止了干擾和保護了電路。其中光電隔離電路采用光電耦合器TLP5211，其引腳定義如圖43所示。圖43 TLP5211光電耦合器引腳定義H橋驅(qū)動電路原理圖如圖44所示。圖中兩個光電耦合器TLP5211第1引腳接RR7限流電阻保護光耦發(fā)光二極管端不被燒壞，、3腳接下拉電阻R1R12，4腳接上拉電阻RR9提供光耦三極管端導通電壓。RR14為初級放大三極管8050提供基極電流，R1R15為8050提供導通電壓的同時為H橋B77D882提供基極電流。圖44 H橋驅(qū)動電路原理圖 PLC可編程控制器電路設計目前，PLC的類型很多，功能和指令系統(tǒng)也都各不相同，但是都以微處理器為核心用作工業(yè)控制的專用計算機，所以其結(jié)構(gòu)和工作原理多大致相同，硬件結(jié)構(gòu)和微機相似。可編程序控制器的特點：通用性強、功能強、可靠性高、體積小、耗電少、價格便宜、編程和接線可同步進行、擴展靈活、維修方便。PLC是一種通用的工業(yè)控制裝置，其組成與微型計算機基本相同，由中央處理單元、存儲器、輸入輸出接口電路和其他一些電路組成。按結(jié)構(gòu)形式的不同，PLC可分為整體式和組合式。 PLC中央處理器CPUCPU一般是控制電路、運算器和寄存器組成。它是整個PLC的核心部分，起著總指揮的作用，是PLC的運算和控制中心。PLC的基本結(jié)構(gòu)圖如圖45所示。它主要完成以下功能：（1）診斷電源、PLC內(nèi)部電路的故障及編制過程中程序的錯誤。（2）采集現(xiàn)場的狀態(tài)或數(shù)據(jù)，并送入PLC的存儲器中存儲起來。（3）按存放的先后順序逐條讀取用戶指令，進行編譯解釋后，按指令規(guī)定的任務成各種運算和操作，將處理結(jié)果送至輸出端。（4）相應各種外圍設備的工作要求。圖45 PLC的基本結(jié)構(gòu)圖 PLC的存儲器存儲器是具有記憶功能的半導體電路，用來存放系統(tǒng)程序、用戶程序、邏輯變量和其他一些信息。系統(tǒng)程序是用來控制和完成PLC各種功能的程序，這些程序是由PLC制造商用相應CPU的指令系統(tǒng)編寫的，并固化到ROM中。用戶程序存儲器用來存放由編程器輸入的用戶程序。用戶程序是指使用者根據(jù)工程現(xiàn)場的生產(chǎn)過程和工藝要求編寫的控制程序，可通過編程序修改或增刪。系統(tǒng)存儲器：存放系統(tǒng)管理程序，用只讀存儲器（ROM）實現(xiàn)。用戶存儲器：存放用戶編制的控制程序，一般用RAM實現(xiàn)或固化到只讀存儲器中。 PLC的I/O接口模塊I/O接口是PLC與外圍設備傳遞信息的窗口。如圖46所示，PLC通過輸入接口電路將各種主令電器、檢測元件輸出的開關量或模擬量通過濾波、光電隔離以及電平轉(zhuǎn)換等處理轉(zhuǎn)換成CPU能接收和處理的信號。輸出接口電路是將CPU送出的弱電控制信號通過光電隔離、功率放大等處理轉(zhuǎn)換成現(xiàn)場需要的強電信號輸出，以驅(qū)動被控設備。PLC對I/O接口的要求主要有兩點:一是要有較強的抗干擾能力，二是能夠滿足現(xiàn)場各種信號的匹配要求。圖46 PLC的I/O接口模塊圖 PLC的電源與編程工具PLC電源指將外部的交流電經(jīng)過整流、濾波及穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換成滿足PLC中CPU、存儲器、輸入與輸出接口等內(nèi)部電路工作所需要的直流電源或電源模塊。許多PLC的直流電源采用直流開關穩(wěn)壓電源，它不僅可以提供多路獨立的電壓供電路內(nèi)部使用，而且還可以為輸入設備提供標準電源。編程工具是PLC最重要的外圍設備，它實現(xiàn)了人與PLC的聯(lián)系對話。用戶利用編程工具不但可以輸入、檢查、修改和調(diào)試用戶程序，還可以監(jiān)視PLC的工作狀態(tài)、修改內(nèi)部系統(tǒng)寄存器的設置參數(shù)以及顯示錯誤代碼等。編程工具有兩種，我們經(jīng)常使用的是帶有PLC專用工具軟件的計算機，它通過RS232C通信口與PLC連接。 PLC設計步驟（1）根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，首先應確定系統(tǒng)用PLC單機控制，還是用PLC形成網(wǎng)絡。（2）根據(jù)PLC輸出端所帶的負載是直流型還是交流型，是大電流還是小電流，以及PLC輸出點動作的頻率等，從而確定輸出端采用繼電器輸出，還是晶體管輸出，或晶閘管輸出。不同的負載應選用不同的輸出方式，這對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是很重要的。（3）確定PLC輸入、輸出的點數(shù)。并且在選購PLC時要在實際需要點數(shù)的基礎上留有一定余量（10%）。（4）根據(jù)確定的PLC輸入、輸出點數(shù)及系統(tǒng)控制要求，選擇可編程控制器的型號。（5）根據(jù)確定PLC機型的輸入、輸出點數(shù)，制定出PLC I/O分配表。（6）根據(jù)PLC I/O分配表，繪制出PLC外部輸入、輸出接線圖。（7）根據(jù)PLC I/O分配表及系統(tǒng)控制要求，編寫PLC程序。（8）檢驗、調(diào)試PLC程序。（9）根據(jù)系統(tǒng)控制要求，編寫操作使用說明書。 PLC I/O分配表和外部接線圖鑒于電機控制比較簡單所以采用PLC單機控制；PLC輸出負載為繼電器動作頻率要求不高；根據(jù)系統(tǒng)要求負載類型和實際因素，本次設計采用現(xiàn)成的PLC型號為西門子S7200CPU226，直流電機H橋驅(qū)動控制裝置PLC I/O分配表如表41所示。表41 PLC I/O分配表輸入端口輸出端口外部電器輸入點作用外部電器輸出點作用SB1正轉(zhuǎn)K1正轉(zhuǎn)繼電器SB2反轉(zhuǎn)K2反轉(zhuǎn)繼電器SB3