【文章內(nèi)容簡介】 11（ SD）端為保護電路信號輸入端。當該引腳為高電平時， IR2110 的輸出被封鎖，輸出端 HO（ 7 腳）、 LO（ 1腳）恒為低電平。而當該腳為低電平時，輸出跟隨輸入變化。用于故障（過電壓、過電流）保護電路。 引腳 6（ BV ）及引腳 3（ ccV ）分別為上下通道互鎖輸出級電源輸入端。用于接輸出級電源正極，且通過一個較高品質(zhì)的電容接引腳 2。引腳 3 還通過一個高反壓快速恢復二極管與引腳 6 相連。 IR2110 的自舉電路 在驅(qū)動電路設計中， IR2110 的自舉電路可以有效的保護 IGBT。 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二極管， 2C 為 CCV 的濾波電容。當 1S 在關(guān)斷期間， 1C 已經(jīng)充滿電，即 CCV = 1CV 。在 1MV 開通， 2MV 關(guān)斷期間， 1CV 通過電阻 g1R 與 1S 的柵射極間電容 g1C 放電。在 1MV 關(guān)斷， 2MV 開通期間， 1S 柵電荷經(jīng) g1R 和 2MV 快速釋放。在經(jīng)過死區(qū)時間后， 2S 開通 CCV 經(jīng)過 1DV 、 2S 給 1C 充電。這就是 IR2110 的自舉電路原理。 如果自舉電容 1C 選取的過大 ,可能使 2S 關(guān)斷時電容兩端還沒有達到要求的電壓，而電容選擇較小則會導致電容存儲的能量不夠維持柵源電壓在 1S 導通時間內(nèi)為一定值。在選擇自舉電容 1C 最好選擇非電解電容，電容應盡可能的靠近芯片。一般情況下為保證自舉電容將柵源電壓持續(xù)一段時間 ,選電容為其最小值的 15 倍左右。綜合考慮在設計驅(qū)動電路時采用 1uf 的電容為 IR2110 的自舉電容。 IGBT H 橋驅(qū)動電路原理 H 橋驅(qū)動電路是一個典型的直流電機控制電路，電路得名于“ H 橋驅(qū)動電路”是因為它的形狀酷似字母 H 。 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。本設計同樣采用選用雙極式 H型 PWM 變換器。如圖 37 所示，四個電力晶體管 IGBT 和四個續(xù)流二級管 FR307 構(gòu)成了 H橋驅(qū)動電路?；鶚O驅(qū)動電壓分為兩組即 1VT 、 4VT 同時工作其驅(qū)動電壓分別為 b1U 和 b4U ， 2VT 和 3VT 同時工作其驅(qū)動電壓為 b 2 b3 b1U U U? ? ? 。在一個開關(guān)周期內(nèi)， 0 ontt?? 時 b1U 和 b4U 為正，晶體管 1VT 和 4VT 飽和導通；而 b2U 和 b3U 為負值， 2VT 和3VT 截止。這時， + sU 加在電樞 AB 兩端， AB SUU? ，電樞電流 di 沿回路 1流通；當 ont t T?? 18 時， b1U 和 b4U 變?yōu)樨撝担?1VT 和 4VT 截止； b2U 和 b3U 變成正值，但是 2VT 和 3VT 并不能立即導通，因為在電樞電感釋放儲能的作用下， 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 AB SUU?? ， ABU 在一個周期內(nèi)正負相間，這是雙極式 PWM 變換器的特征。 圖 37 IGBT H 橋驅(qū)動電路 ABU 在一個周期內(nèi)具有正負相間的脈沖波形。而電機的正反轉(zhuǎn)則體現(xiàn)在驅(qū)動電壓正、負脈沖的寬窄上。當正脈沖較寬時， 2on Tt ? ，則電樞兩端的平均電壓為正，在電動運行時電機正轉(zhuǎn)。當 2on Tt ? ，平均電壓為負值，電機反轉(zhuǎn)。如果正負脈沖相等時電樞電壓為零，電機停轉(zhuǎn)。雙極型可逆 PWM 變換器電樞平均電壓為 [3]： 2( 1 )on on ond s s st T t tU U U UT T T?? ? ? ? 若定義占空比為 /dsUU?? 和電壓系數(shù) ? 的定義與不可逆變換器中相同，則在雙極式控制的可逆變換器中 ? =2? 1與不可逆變換器中的不同。調(diào) 速時 ? 的可調(diào)范圍為 0~1，相應的? = 1~1。當 12?? 時， ? 為正，電動機正轉(zhuǎn)；當 12?? 時， ? 為負，電動機負轉(zhuǎn)；當 12??時， ? =0，電動機停止。 19 雙極式控制的電壓平衡方程式： dSd diU Ri L Edt? ? ? （ 0ontt?? ） dSd diU Ri L Edt? ? ? ? （ont t T?? ） 電樞兩端在一個周期內(nèi)的平均電壓都是： dsUU?? 。其平均值方程都可寫成： S d dU R I E R I C en? ? ? ? ? 則機械特性方程： 0S ddU RRn I n IC e C e C e?? ? ? ? 用轉(zhuǎn)矩表示： 0eeU s R Rn T n TC e C e C m C e C m?? ? ? ? 式中， mC —— 電機在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)， m m NCK???。 0n —— 理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成 ? 正比， 0 seUn C??。 隔離電 路方案論證設計 TLP250 光耦隔離 隔離是整個設計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如果隔離沒有做好，將導致強弱電互相串擾，強電串到弱電的控制單元時會導致整個控制單元燒毀。因為系統(tǒng)的主電路電壓均為高電壓、大電流，而控制單元為弱電壓，弱電流，所以它們之間必須采取光電隔離措施，以提高系統(tǒng)抗干擾措施，綜合考慮決定采用帶光電隔離的 MOSFET 驅(qū)動芯片 TLP 20 圖 38 TLP 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 光耦 TLP250 是一種可直接驅(qū)動小功率 MOSFET 和 IGBT 的功率型光耦，由日本東芝公司生產(chǎn)，其最大驅(qū)動能力達 。 TLP250 驅(qū)動主要具備以下特征： 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。 (min)； 開關(guān)時間 tpLH/tpHL= s(max)。 選用 TLP250 光耦既保證了功率驅(qū)動電路與 PWM 脈寬調(diào)制電路的可靠隔離，又具備了直接驅(qū)動 MOSFET 的能力，驅(qū)動電路簡單。根據(jù) TPL250 的數(shù)據(jù)手冊要求在 3 腳的電壓輸入必須為 ， 8腳之間必修接 104 旁路電容使輸出均勻化，降低負載需求。具體電路設計如圖 39： 21 圖 39 TLP250 光耦隔離電路 PC817 數(shù)據(jù)采集隔離 在進行電流電壓采集和過壓保護時必須進行隔離，防止強電流干擾控制模塊。因為AD 采集必須是模擬信號而不能使數(shù)字信號，所以在光耦選擇時本設計采用了線性光耦PC817。 圖 310 PC817 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 當輸入端加電信號時，半導體二極管發(fā)出光線，照射在半導體光敏晶體管上，光敏晶體管接受光線后導通，產(chǎn)生光電流從輸出端輸出，從而實現(xiàn)了“電 光 電”的轉(zhuǎn)換。普通光電耦合器只能傳輸數(shù)字信號，不適合傳輸模擬信號。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，隨著輸入信號的強弱變化會產(chǎn)生互相對應的光信號，從而使光敏晶體管的導通程度發(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。 PC817 光電耦合器在電路中不但可以起到反饋作用還可以起到強弱電隔離作用。 22 圖 311 PC817 集電極發(fā)射極電壓 V 與發(fā)光二極管正向電流 If 關(guān)系圖 、過壓反饋保護 數(shù)據(jù)采集、過壓反饋方案設計 為了實現(xiàn)系統(tǒng)的的過壓保護，本設計采用三端穩(wěn)壓 TL431 和 PC817 線性光耦構(gòu)成的過壓保護裝置。首先，對主電路的中 IGBT 的 1CU 、 3CU 與 2EU 、 4EU 之間的電壓采集，然后通過 TL431 限壓，再通過線性光耦 PC817 把電壓反饋到 AD0832 實現(xiàn)電壓采集，采集完成后把采集到的數(shù)據(jù)送給 MC51 處理。其工作原理：當輸出電壓發(fā)生波動時，經(jīng)分壓電阻 R35得到的取樣電壓就與 TL431 中的基準電壓進行比較，在陰極上形成誤差電壓，使光耦電流發(fā)生 變化，這時候通過 PC817 隔離后經(jīng) AD0832 模數(shù)轉(zhuǎn)換后給 MC51 處理，當主電路的電壓過大時， MC51 就停止 PWM 輸出或改變 PWM 占空比從而達到過壓保護。 具體設計電路圖如圖 312： 23 圖 312 數(shù)據(jù)采集、閉環(huán)反饋電路設計圖 TL431 介紹 TL431 的電路圖形符號和基本接線如圖 313 所示： 圖 313 TL431 基本符號圖 TL431 相當于一只可調(diào)式齊納穩(wěn)壓管，輸出電壓由外部精密分壓電阻來設定。其穩(wěn)壓原理為：當 UO 上升時，取樣電壓 REFU 也隨之升高，使 REFU refU ，比較器輸出高電平，使 VT 導通， UO 開始下降。反之， UO 下降會導致 REFU 下降，從而 REFU refU ，使比較器再次翻轉(zhuǎn)，輸出變成低電平， VT 截止 UO 上升。這樣的循環(huán)下去，從動態(tài)平衡的角度來看，就迫使 UO趨于穩(wěn)定，從而達到了穩(wěn)定的目的，并且 REFU = refU 。 因為系統(tǒng)需要的不同電壓值較多，且由于電機在正常工作時對電源的干擾很大，如 24 果只用一組電源難以防止干擾，為此在設計時采用了兩組可調(diào)的穩(wěn)壓電源為系統(tǒng)控制單元和驅(qū)動單元單獨供電。 在設計時首先考慮到使用三端可調(diào)穩(wěn)壓集成芯片 LM31和 LM337。 LM317 系列穩(wěn)壓器輸出連續(xù)可調(diào)的正電壓， LM337 系列穩(wěn)壓器輸出連續(xù)可調(diào)的負電壓，可調(diào)范圍為~37V，最大輸出電流為 。穩(wěn)壓器內(nèi)部含有過流、過熱保護電路，具有安全可靠，性能優(yōu)良、不易損壞、使用方便等優(yōu)點。其電壓調(diào)整率和電流調(diào)整率均優(yōu)于固定式集成穩(wěn)壓構(gòu)成的可調(diào)電壓穩(wěn)壓電源。再利用 LM780 LM7905 三端穩(wěn)壓芯片即可形成一個 ~18V可調(diào)和 5V固定輸出的穩(wěn)壓電源。具體設計電路圖如下（圖 313）當 220V 交流電壓經(jīng)過變壓器轉(zhuǎn)換成雙 18V 的交流電壓，利用 B2 整流橋?qū)崿F(xiàn)整流后，利用了 3300uf 大電容 C C2整流，因為大容量電解電容有一定的繞制電感分布電感，易引起自激振蕩，形成高頻干擾，所以穩(wěn)壓器的輸入、輸出端常 并入 103 瓷介質(zhì)小容量電容 C C4 用來抵消電感效應，抑制高頻干擾，利用 LM31 LM337 穩(wěn)壓器實現(xiàn) 18V 和 18V 可調(diào)，最后在經(jīng)過 470uf 電解電容 C C8濾波后給 LM780 LM7905 穩(wěn)壓后再通過 C C10 濾波后輸出 5V直流固定電壓。 圖 314 穩(wěn)壓可調(diào)電源電路原理圖 25 4 軟件設計 PWM 實現(xiàn)方式方案論證 方案一：軟件延時 基本思想：首先預設占空比值 D，再根據(jù)周期 T 分別給輸出端口置高電平 M 個單位時間0t ，即 10M=t /t 。然后，在給輸出端口置低電平 M— 個單位時間，即 20t /tM?— 。通過改變 M和 M— 的值，就可實現(xiàn)改變占空比，從而實現(xiàn)對單片機調(diào)速。軟件延時雖然理論上實現(xiàn)起來較容易，但占用系統(tǒng)資源過多，使用不方便。 方案二：定時計數(shù) 基本思想：利用單片機定時器 0中斷方式產(chǎn)生 PWM 脈沖，當定時器計數(shù)到設定時間后輸出端口實現(xiàn)高低電平轉(zhuǎn)換，實現(xiàn) PWM 輸出。此方 案占用單片機資源比較少，使用較為簡單。 綜合兩個方案，本設計采用方案二。 程序流程圖 系統(tǒng)程序為一個主程序（包括若干功能模塊），中斷子程序，以及若干個子程序，共計三大部分構(gòu)成。按照任務的定義，每個功能模塊都能完成某一明確的任務，實現(xiàn)具體的某個功能，如測量、計算、顯示、鍵盤掃描、輸出控制等。本設計的總程序設計流程圖及其部分主要子程序流程圖。如圖 41 系統(tǒng)總體流程圖，如圖 42 PWM 輸出子程序流程圖，圖 43 A/D0832 數(shù)據(jù)采集流程。 26 圖 41 系統(tǒng)總體程序流程圖 圖 42 PWM 輸出流程圖 27 圖 43 A/D0832 數(shù)據(jù)采集流程圖 定時器 0中斷服務函數(shù) void timer0(void) interrupt 1 using 2 { TR0=0。 Pro_Count++。 輪轉(zhuǎn)次數(shù)加 1 if (Pro_CountCycle) Pro_Count=1。 if (Pro_Count=Pro_High) 輸出高電平 Pwm_Out=0。 else Pwm_Out=1。 TH0=Th0。 重載定時器初始值 TL0=Tl0。 TR0=1。 } 28 占空比調(diào)節(jié)函數(shù) void Pwm_Set(uchar x) {switch(x) { case 0:break。 case 1: if(Pro_High=900) Pro_High=Pro_High+100。 占空比加 100 break。 case 2: if(Pro_High=990) Pro_High=Pro_High+10。