【文章內容簡介】 制動，可以提高電動機的減速能力，使電動機得到兩象限的控制，如圖4—2所示。圖4—3為一個帶動力制動的單極性放大器的原理圖?？刂菩盘柦?jīng)運算放大后，在推動得到正的輸出電壓和電流。的作用為限流。則構成動力制動回路。制動時，電動機的反電勢使流回電機，使電動機工作于發(fā)電機狀態(tài)，從而迅速制動。圖4—4顯示出動力制動效果。 圖4—3 帶動力制動的單極性放大器 圖4—4 單極性放大器制動情況（2）.雙極性功率放大器 雙極性功率放大器可以輸出正負兩個極性的電壓和電流，使電動機正反兩個方向運行，得到四象限控能力，如圖4—5所示。圖4—6是兩種典型雙極性放大器的原理圖。圖4—5 雙極性放大器的四 圖4—6 雙極性線性放大器 個象限的控制關系 （a）兩極式輸出；（b）線性橋式輸出極 其中，T型放大器線路簡單成熟，得到廣泛應用。它要求使用正、負電源供電，晶體管耐壓要求高，要能承受的電壓。而且當電機從高速制動時，晶體管上承受的功率非常大，容易產(chǎn)生二次擊穿，必須選用容量較大的晶體管。H橋型電路則較為復雜，功率元件多，一般在功率較大的系統(tǒng)中應用。H橋型電路中，晶體管的耐壓要求較低，只要求承受電壓。另外當電動機從高速制動時晶體管上承受的功率也較T型電路小一半。因而對于同容量的系統(tǒng)，H橋型電路的成本并不是一定比T型高。 脈寬調制（PWM）直流伺服放大器開關型放大器分脈沖寬度調制型（PWM）和脈沖頻率調制型兩類，也有兩種形式混合的，但應用最廣泛的還是脈寬調制。脈寬調制放大器的輸出電壓是圖4—7所示的幅度恒定、頻率恒定、脈寬可調的波形。圖4—7 PWM放大器的電壓波形 圖4—8單脈寬調制電路框圖脈沖調寬波的直流分量與占空比成比例系。當周期時間比電動機電磁時間常數(shù)小得多時，由于電樞電感的濾波作用和轉子慣量的平滑作用，其中的交流分量產(chǎn)生的作用很小，可以忽略。換而言之，通過控制加在電機上的方波電壓的脈寬（占空比）可以間接控制加在電機上的等效直流電壓，達到控制電機的目的。脈寬信號可由圖4—8中的電路實現(xiàn)。圖4—9時分別當、時產(chǎn)生的方波形圖。圖4—9 脈寬調制波形5 硬件電路元件的選型 選擇單片機 近幾年單片機技術迅猛發(fā)展，世界上許多單片機廠商競相推出各具特色的單片機芯片。分析單片機的發(fā)展行情及各芯片性能可以看出，單片機正向如下兩個方向發(fā)展：1)向功能不斷完善、性能不斷提高，可以完成各類復雜系統(tǒng)的設計和應用的方向發(fā)展。2)向超小型、低功耗、低成本、多品種的方向發(fā)展。Philips半導體公司的P87LPC76系列單片機，是一種80C51改進型MCU，其突出特點如下：運行速度是標準80C51的2倍。2個l6位定時／計數(shù)器，每個均可設置為超時溢出時對應端口輸出內置2個精確模擬比較器，可組成4路A／D轉換器或D／A轉換器。全雙工通用異步收、發(fā)器及通信接口。8個鍵盤中斷輸人，另加2路外部中斷輸人，4個中斷優(yōu)先級。內置振蕩看門狗，溢出時間有8級選擇。有上電復位和低電壓復位電路，可選擇片內振蕩及其頻率范圍和RC振蕩。所有口線均有2O mA的驅動能力，最多可達1 8個I／O口。有安全保密位，典型掉電電流1“A，芯片功耗較低?，F(xiàn)在MCS一51／96系列單片機及其兼容的單片機仍占主流地位，因為該系列單片機引進歷史較長，參考資料相對豐富，使用這種機型的人已積累了相當多的經(jīng)驗，無論是硬件的搭配，軟件的編制，以及語言的熟練程度，都使他們應用起來得心應手。對于這部分人來說，選擇新型的MCS．51兼容機型更適合他們，如AT89系列，GSM90／97系列．51LPC和89C系列等等。PIC系列單片機具有高速度、低功耗、大驅動能力，OTP型芯片的低價位、小體積、多品種、不同的外圍接口功能、不同的封裝形式、不同的工作電壓和溫度范圍等特性，為更好的選擇適合所設計系統(tǒng)的最佳芯片提供了保證。該系列單片機強調最優(yōu)化設計，適用于量太、檔次低、價格敏感的產(chǎn)品。AVR單片機采用RISC結構，使其具有高速處理能力，工作電壓為2．7～6．0 V，且可實現(xiàn)耗電優(yōu)化設計，屬低功耗、CMOS技術的8位單片機。支持高級語言編程，對于熟悉C編程高級語言的人來說開發(fā)起來會更高效，更容易。程序可下載可加密，功耗也較低 如選擇這種芯片，應注意該機型的參考資料較少，開發(fā)周期可能會加長，且型號不如PIC系列單片機的多。TI公司的MSP430系列單片機素有16位的品質、8位機的價格之稱。其快速的指令周期，低工作電壓，程序可加密，串行在系統(tǒng)可編程，強大的中斷能力及超低功耗等特性為業(yè)內人士所關注。特別適合于智能儀表、防盜系統(tǒng)、智能化家電、電池供電的便攜式設備等產(chǎn)品中應用，尤其對功耗比較敏感的產(chǎn)品更是首選。該芯片的缺點是口驅動能力差，國內相關資料少，開發(fā)經(jīng)驗少。在此，我選擇了AT89S52管角如圖5—1所示。AT89S系列是AT89系列中的高檔型，AT89S52又是AT89S系列中的增強型。AT89S52是一種低功耗、高性能且系統(tǒng)內帶有8KB可編程Flash存儲器的8位CMOS微處理器。它是一種高靈活性、花費有限資源就可產(chǎn)生許多嵌入式控制應用系統(tǒng)的高性能微處理器。圖5—1 AT89S52引腳圖引腳功能AT89S52機的主要特點如下：與MCS51系列微控制器產(chǎn)品兼容；片內有8KB可在線重復編程的快閃擦寫存儲器； 存儲器可循環(huán)寫入/擦除1000次；寬電壓工作范圍： 6V； 全靜態(tài)工作：可從0HZ33MHZ；程序存儲器具有三級加密保護；256KB內部RAM；4個I/O端口共32條可編程I/O線；3個16位定時器/計數(shù)器和一個看門狗定時器；中斷結構具有8個中斷源和2個中斷優(yōu)先級；可編程全雙工（UART）串行通道；空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保護存儲內容。VCC:主電源+5V 。GND:接地。XTAL1:接外部晶體的一端。XTAL2:接外部晶體的另一端。RST:復位輸入端。ALE/:地址鎖存允許/編程信號線。:外接程序存儲器選通信號。:訪問內部程序存儲器控制信號?！篜0是一個8位漏極開路雙向I/O端口?！篜1是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O端口?！篜2是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O端口。在訪問片外存儲器時，它輸出高8位地址，即A8～A15。～:P3是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O端口。 三極管的工作原理及選型 半導體三極管也稱雙極型晶體管，晶體三極管，簡稱三極管，是一種電流控制電流的半導體器件。其作用：把微弱信號放大成輻值較大的電信號，也用作無觸點開關。三極管的分類：：硅管、鍺管；：NPN、PNP；：開關管、功率管、達林頓管、光敏管等。目前，國內各種類型的晶體三極管有許多種，管腳的排列不盡相同，在使用中不確定管腳排列的三極管，必須進行測量確定各管腳正確的位置，或查找晶體管使用手冊，明確三極管的特性及相應的技術參數(shù)和資料。 晶體三極管具有電流放大作用，其實質是三極管能以基極電流微小的變化量來控制集電極電流較大的變化量。這是三極管最基本的和最重要的特性。我們將ΔIc/ΔIb的比值稱為晶體三極管的電流放大倍數(shù)，用符號“β”表示。電流放大倍數(shù)對于某一只三極管來說是一個定值，但隨著三極管工作時基極電流的變化也會有一定的改變。 直流電動機控制系統(tǒng)中，由于考慮到由于整個系統(tǒng)所處的環(huán)境和經(jīng)濟的原因，選擇9018型三極管。在直流電動機互鎖驅動電路中三極管在電路中起到功率放大作用，從反向器輸入的控制信號的電流非常小，因為它是從單片機傳送過來的電信號電壓只有5V電流只有零點幾毫安，驅動直流固體繼電器的電流比較大，在電動機控制電路中進行一次放大，電流放大的倍數(shù)很高，這樣就會使通過三極管的電流非常大，會使三極管因消耗的功率過大燒壞，為了降低三極管的放大電流，采用三極管的雙極放大。這樣用三極管的集電極驅動固體繼電器，從而降低控制電路的負載。在紅外線發(fā)射芯片的驅動中選擇9016型三極管，三極管的基極連接的是單片機輸出端口，因為單片機的輸出電壓只有5V，對芯片的驅動電壓不夠，通過三極管放大后才能有效的驅動發(fā)射芯片。電路正常工作時，三極管的發(fā)射極輸出電壓由于基極狀態(tài)改變而改變 電動機驅動元件,因為單片機I／O 口的驅動能力有限，所以LED顯示電路和繼電器輸出電路通過固體繼電器或驅動芯片等一些驅動裝置來驅動。 固體繼電器 固體繼電器（亦稱固態(tài)繼電器）英文名稱為Solid State Relay，單相SSR為四端有源器件，其中兩個輸入控制端，兩個輸出端，輸入輸出間為光隔離，輸入端加上直流或脈沖信號到一定電流值后，輸出端就能從斷態(tài)轉變成通態(tài)。 固體繼電器工作可靠，壽命長，無噪聲，無火花，無電磁干擾，開關速度快，抗干擾能力強，且體積小，耐沖擊，耐振蕩，防爆、防潮、防腐蝕、能與TTL、DTL、HTL等邏輯電路兼容，以微小的控制信號達到直接驅動大電流負載。主要不足是存在通態(tài)壓降（需相應散措施），有斷態(tài)漏電流，交直流不能通用，觸點組數(shù)少，另外過電流、過電壓及電壓上升率、電流上升率等指標差。 固體繼電器目前已廣泛應用于計算機外圍接口裝置，電爐加熱恒溫系統(tǒng)，數(shù)控機械，遙控系統(tǒng)、工業(yè)自動化裝置；信號燈、閃爍器、照明舞臺燈光控制系統(tǒng)；儀器儀表、醫(yī)療器械、復印機、自動洗衣機；自動消防，保安系統(tǒng)，以及作為電網(wǎng)功率因素補償?shù)碾娏﹄娙莸那袚Q開關等等，另外在化工、煤礦等需防爆、防潮、防腐蝕場合中都有大量使用。 交流固體繼電器按開關方式分有電壓過零導通型（簡稱過零型）和隨機導通型（簡稱隨機型）；按輸出開關元件分有雙向可控硅輸出型（普通型）和單向可控硅反并聯(lián)型（增強型）；按安裝方式分有印刷線路板上用的針插式（自然冷卻，不必帶散熱器）和固定在金屬底板上的裝置式（靠散熱器冷卻）；另外輸入端又有寬范圍輸入（DC3－32V）的恒流源型和串電阻限流型等。 當輸入端施加有效的控制信號時，隨機型SSR輸出端立即導通（速度為微秒級），而過零型SSR則要等到負載電壓過零區(qū)域(約177。15V)時才開啟導通。當輸入端撤消控制信號后，過零型和隨機型SSR均在小于維持電流時關斷。雖然過零型SSR有可能造成最大半個周期的延時，但卻減少了對負載的沖擊和產(chǎn)生的射頻干擾，成為理想的開關器件, 在“單刀單擲”的開關場合中應用最廣泛。 隨機型SSR的特點是反應速度快，它可以控制移相觸發(fā)脈沖達到方便地改變交流電網(wǎng)電壓，從而應用于精確地調溫、調光等阻性負載及部分感性 TD62003型驅動芯片TD62003型驅動芯片是7通道吸人型達林頓管，其負載電壓最高為50V，每個通道的最大驅動能力為500 mA，足以驅動繼電器的控制端和LED的顯示。其芯片的引角如圖5—2所示。該芯片的運用使單片機僅通過兩根控制線(即兩個I／O 口)控制繼電器的同時也控制了LED的顯示，減少了I／O口的使用，提高了集成度。圖中TD62003的9腳作為兩個繼電器的共同端，l6腳和l4腳分別控制兩個繼電器的觸發(fā)端，通過兩個引腳信號的交替變化，控制電機的正反轉，實現(xiàn)門的移動。圖5—2 TD62003 驅動芯片 LG9110和L298N芯片LG9110 是為控制和驅動電機設計的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件其引角如圖5—3所示，將分立電路集成在單片IC之中，使外圍器件成本降低，整機可靠性提高。該芯片有兩個TTL/CMOS 兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性；兩個輸出端能直接驅動電機的正反向運動，它具有較大的電流驅動能力，每通道能通過750 ～800mA 的持續(xù)電流， ～ ；同時它具有較低的輸出飽和壓降；內置的鉗位二極管能釋放感性負載的反向沖擊電流，使它在驅動繼電器、直流電機、步進電機或開關功率管的使用上安全可靠。圖5—3 LG9110引角接線 恒壓恒流橋式2A驅動芯片L298N也是SGS公司的產(chǎn)品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內部同樣包含4通道邏輯驅動電路，其額定工作電流為1A，最大可達4，最大可達46V；Vs電壓最大值也是36V。圖5—4 引角的電路連接圖下表是其使能、輸入引腳和輸出引腳的邏輯關系（電路按圖5—4連接）：表51 輸入引腳和輸出引腳的邏輯關系表EN A（B）IN1（IN3）IN2（IN4）電機運行情況HHL正轉HLH反轉H同IN2（IN4）同IN1（IN3）快速停止LXX停止 綜上所述各種元件都有它的優(yōu)缺點，通過分析比較，在此直流電動機驅動電路中，選擇了與整個電路系統(tǒng)相配套的既經(jīng)濟又適合礦井提升的惡劣環(huán)境的固體繼電器。現(xiàn)在將固體繼電器的參數(shù)敘述如表52：表52 固體繼電器的參數(shù)表主要特征雙極型晶體管輸出光電隔離線路板安裝方式工程塑料外客雙極型晶體管輸出光電隔離線路板安裝方式金屬外殼高散熱性能雙極型晶體管輸出光電隔離螺栓固定安裝方式工程塑料外殼金屬底板產(chǎn)品型號D204LD205WD210K輸入?yún)?shù)輸入電壓3~10VDC3~10VDC3~32VDC輸入電流大于4mA可靠關斷電壓工作狀態(tài)指示無無LED顯示輸出參數(shù)輸出電壓5~180VDC額定工作電流4A5