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正文內(nèi)容

基于單片機(jī)的直流電動機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(編輯修改稿)

2024-12-16 02:43 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 ,工作電壓比較高,可以達(dá)到 600V,其內(nèi)設(shè)欠壓封鎖,成本低、易于調(diào)試。高壓側(cè)驅(qū)動采用外部自舉電容上電,與其他驅(qū)動電路相比,它在設(shè)計上大大減少了驅(qū)動變壓器和電容的數(shù)目,使得 MOSFET 和 IGBT 的驅(qū)動電路設(shè)計大為簡化,而且它可以實(shí)現(xiàn)對MOSFET 和 IGBT 的最優(yōu)驅(qū)動,還 具有快速完整的保護(hù)功能。與此同時, IR2110 的研制成功并且投入應(yīng)用可以極大地提高控制系統(tǒng)的可靠性。降低了產(chǎn)品成本和減廣州大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計)用紙 少體積。 IR2110 的引腳圖以及功能 引腳 1( LO)與引腳 7( HO):對應(yīng)引腳 12 以及引腳 10 的兩路驅(qū)動信號輸出端,使用中,分別通過一電阻接主電路中下上通道 MOSFET 的柵極,為了防止干擾,通常分別在引腳 1與引腳 2以及引腳 7與引腳 5 之間并接一個 10KΩ的電阻。 引腳 2( COM):下通道 MOSFET 驅(qū)動輸出參考地端,使用中,與引腳 13( Vss)直接相連,同時接主電路橋臂下通道 MOSFET 的源極。 引腳 3( Vcc):直接接用戶提供的輸出極電源正極,并且通過一個較高品質(zhì)的電容接引腳 2。 引腳 5( Vs):上通道 MOSFET 驅(qū)動信號輸出參考地端,使用中,與主電路中上下通道被驅(qū)動 MOSFET 的源極相通。 與引腳 6( VB):通過一陰極連接到該端陽極連接到引腳 3的高反壓快恢復(fù)二極管,與用戶提供的輸出極電源相連,對 Vcc 的參數(shù)要求為大于或等于 — ,而小于或等于 +20V。 引腳 9( VDD):芯片輸入級工作電源端,使用中,接用戶為該芯片工作提供的高性能電源,為抗干擾,該端應(yīng)通過一高性能去 耦網(wǎng)絡(luò)接地,該端可與引腳 3( Vcc)使用同一電源,也可以分開使用兩個獨(dú)立的電源。 引腳 10( HIN)與引腳 12( LIN):驅(qū)動逆變橋中同橋臂上下兩個功率 MOS器件的驅(qū)動脈沖信號輸入端。應(yīng)用中,接用戶脈沖形成部分的對應(yīng)兩路輸出,對此兩個信號的限制為 至 Vcc+,這里 Vss 與 Vcc分別為連接到 IR2110 的引腳 13( Vss)與引腳 9( VDD)端的電壓值。 引腳 11( SD):保護(hù)信號輸入端,當(dāng)該引腳為高電平時, IR2110 的輸出信號全部被封鎖,其對應(yīng)的輸出端恒為低電平,而當(dāng)該端接低電平時, 則 IR2110 的輸出跟隨引腳 10與 12 而變化。 引腳 13( Vss):芯片工作參考地端,使用中,直接與供電電源地端相連,所圖 16 IR2110引腳圖 廣州大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計)用紙 有去耦電容的一端應(yīng)接該端,同時與引腳 2直接相連。 引腳 引腳 1引腳 4:為空引腳。 芯片參數(shù): 1. IR2110 的極限參數(shù)和限制: 最大高端工作電源電壓 VB: 至 525V 門極驅(qū)動輸出最大(脈沖)電流 IOMAX: 2A 最高工作頻率 fmax: 1MHz 工作電源電壓 Vcc: 至 25V 貯存溫度 Tstg: 55 至 150176。 C 工作溫度范圍 TA: 40至 125176。 C 允許最高結(jié)溫 Tjmax: 150176。 C 邏輯電源電壓 VDD: 至 VSS+25V 允許參考電壓 Vs臨界上升率 dVs/dt: 50000V/μ s 高端懸浮電源參考電壓 Vs: VB25V 至 VB+ 高端懸浮輸出電壓 VHO: 至 VB+ 邏輯輸入電壓 VIN: 至 VDD+ 邏輯輸入?yún)⒖茧妷?Vss: Vcc25V 至 Vcc+ 低端輸出電壓 VLO: 至 Vcc+ 功耗 PD: DIP14封裝為 2. IR2110 的推薦工作條件: 高端懸浮電源絕對值電壓 VB: Vs+10V 至 Vs+20V 低端輸出電壓 VLO: 0至 Vcc 低端工作電源電壓 Vcc: 10V 至 20V 邏輯電源電壓 VDD: Vss+5V 至 Vss+20V 邏輯電源參考電壓 Vss: 5V 至 +5V 廣州大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計)用紙 IR2110 工作原理 圖 17 IR2110外圍接線 IR2110 典型接線如圖 所示 ,其中 V DD采用 5~ 20V 電源 ,適應(yīng) TTL 或 CMOS 邏輯信號輸入 ,V CC為 10~ 20V 功率管門極驅(qū)動電源 ,由于 V SS可與 COM 連接 ,則 V CC與 V DD可共用同一個典型值為 + 15V的電源。圖中 ,C2為自舉電容 , Vcc經(jīng) VDC負(fù)載、 VT2 給 C2充電 ,以確保 VT2 關(guān)閉、 VT1開通時 ,VT1管的柵極靠 C2 上足夠的儲能來驅(qū)動 ,從而實(shí)現(xiàn)自舉式驅(qū)動。若負(fù)載阻抗較大 ,C2經(jīng)負(fù)載降壓充電較慢 ,使得 VT2 關(guān)斷、 VT1 開通 ,C2上的電壓仍充電不到自舉電壓 以上時 ,輸出驅(qū)動信號會因欠壓被片內(nèi)邏輯封鎖 ,VT1 就無法正常工作。為此 ,要么選用小容量電容 ,以提高充電電壓 。要么為 C2 提供快速充電通路 。要么取掉 VD1,直接給 V B、 V S加另一個 10~ 20V 隔離電源。對于全橋型逆變器 ,由于 A、 B兩 端連在一起。無需經(jīng)過負(fù)載充電 ,這種形式自舉工作僅是 C2 選擇問題 ,易于處理。 顯然每個周期 VT1 開關(guān)一次 ,C2 就通過 VT2開關(guān)充電一次 ,因此自舉電容 C2 的充電還與輸入信號 HIN 、 LIN的 PWM脈沖頻率和脈沖寬度有關(guān) ,當(dāng) PWM工作頻率過低時 ,若 VT1 導(dǎo)通脈寬較窄 ,自舉電壓 8. 3V 容易滿足 。反之無法實(shí)現(xiàn)自舉。因此 ,要合理設(shè)置 PWM 開關(guān)頻率和占空比調(diào)節(jié)范圍 ,C2 的容量選擇考慮如下幾點(diǎn) : (1) PWM開關(guān)頻率高 , C2 應(yīng)選小。 (2) 盡量使自舉上電回路不經(jīng)大阻抗負(fù)載 ,否則應(yīng)為 C2 充電提供快 速充電通路。 (3) 對于占空比調(diào)節(jié)較大的場合 ,特別是在高占空比時 ,VT2 開通時間較短 ,C2 應(yīng)選小 ,否則 ,在有限時間內(nèi)無法達(dá)到自舉電壓。 (4) C2 的選擇應(yīng)綜合考慮 PWM 變化的各種情況 ,監(jiān)測 H0 、 V S 腳波形進(jìn)行廣州大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計)用紙 調(diào)試是最好的方法。 這里選有 C2為膽電容 1uF,C3為瓷片電容,在 C3并上 1uF的膽電容,由示波器可以看出波形平穩(wěn),正常。膽電容響應(yīng)速度快,也不像電解電容有漏電流,所以這里選用膽電容。 本設(shè)計的 PWM頻率為 100hz左右,相對 IR2110所支持的頻率為低頻率,所以選用 C2為 1uF,通過 示波器,可以看到實(shí)驗波形正常。 光耦隔離設(shè)計 光耦合器一般由三部分組成:光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管( LED),使之發(fā)出一定波長的光,被光探測器接收而產(chǎn)生光電流,再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電 — 光 —電的轉(zhuǎn)換,從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離,電信號傳輸具有單向性等特點(diǎn),因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件,因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。 本設(shè)計使用的是 TLP5212 芯片,該芯 片由兩個光耦期間組成,如圖。 通過 TLP521 光耦合器 隔離了單片機(jī)與驅(qū)動模塊的聯(lián)系,保護(hù)了單片機(jī),又使到5V的信號轉(zhuǎn)變成 15V 驅(qū)動 IR2110 芯片工作。 H 橋驅(qū)動設(shè)計 1.電機(jī)的正反轉(zhuǎn)驅(qū)動原理 圖 18 光耦隔離 廣州大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計)用紙 如圖,當(dāng)開關(guān) S S2 接通, S S4 同時關(guān)斷時,電流從電機(jī)的左邊流向右邊,電機(jī)正轉(zhuǎn);反之,但開關(guān) S S2關(guān)斷, S S4同時接通時,電流從電機(jī)的右邊流向左邊,電機(jī)反轉(zhuǎn);當(dāng)開關(guān) S S2 接通, S S4同時關(guān)斷,則電機(jī)瞬時停下。 2 功 率管的選擇 ※根據(jù)電機(jī)功率(負(fù)載)對主電路器件、功率管的選擇等進(jìn)行分析計算 在直流電機(jī)控制中常用 H 橋電路作為驅(qū)動器的功率驅(qū)動電路。由于功率MOSFET 是壓控元件,具有輸入阻抗大、開關(guān)速度快、無二次擊穿現(xiàn)象等特點(diǎn),滿足高速開關(guān)動作需求,因此常用功率 MOSFET 構(gòu)成 H橋電路的橋臂。 H橋電路中的 4 個功率 MOSFET 分別采用 N 溝道型和 P 溝道型,而 P 溝道功率MOSFET 一般不用于下橋臂驅(qū)動電機(jī),這樣就有兩種可行方案:一種是上下橋臂分別用 2 個 P溝道功率 MOSFET 和 2 個 N溝道功率 MOSFET;另一種是上下橋臂均用 N 溝道功率 MOSFET。 相對來說,利用 2 個 N溝道功率 MOSFET 和 2個 P溝道功率 MOSFET 驅(qū)動電機(jī)的方案,控制電路簡單、成本低。但由于加工工藝的原因, P 溝道功率 MOSFET的性能要比 N 溝道功率 MOSFET 的差,且驅(qū)動電流小,多用于功率較小的驅(qū)動電路中。而 N 溝道功率 MOSFET,一方面載流子的遷移率較高、頻率響應(yīng)較好、跨導(dǎo)較大;另一方面能增大導(dǎo)通電流、減小導(dǎo)通電阻、降低成本,減小面積。綜合考慮系統(tǒng)功率、可靠性要求,以及 N 溝道功率 MOSFET 的優(yōu)點(diǎn),本設(shè)計采用 4個圖 19 H 橋驅(qū)動原理 廣州大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計)用紙 相同的 N 溝道功率 MOSFET 的 H橋電路,具備較 好的性能和較高的可靠性,并具有較大的驅(qū)動電流。 IRF740 是 N 溝道增強(qiáng)模式硅柵功率場效應(yīng)晶體管 ,它 是一種先進(jìn)的功率MOSFET 的設(shè)計,并保證能夠承受的水平能源在雪崩擊穿的運(yùn)作模式。 可以 應(yīng)用在 開關(guān)穩(wěn)壓器,開關(guān)轉(zhuǎn)換器,電機(jī)驅(qū)動器,繼電器驅(qū)動器和驅(qū)動器的高功率雙極晶體管開關(guān)需要高速和低柵極驅(qū)動電源??梢灾苯訌?應(yīng)用于 集成電路 。 IRF740 的參數(shù) 1) 工作最大電流電壓: 10A, 400V; 2)導(dǎo)通時 rDS( on)= ?; 3) 單脈沖雪崩能量額定 4) 高輸入阻抗 利用 IRF740 的高耐壓性可以驅(qū)動 大功率電機(jī),讓MOSFE
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