【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 11（ SD）端為保護(hù)電路信號(hào)輸入端。當(dāng)該引腳為高電平時(shí)， IR2110 的輸出被封鎖，輸出端 HO（ 7 腳）、 LO（ 1腳）恒為低電平。而當(dāng)該腳為低電平時(shí)，輸出跟隨輸入變化。用于故障（過(guò)電壓、過(guò)電流）保護(hù)電路。 引腳 6（ BV ）及引腳 3（ ccV ）分別為上下通道互鎖輸出級(jí)電源輸入端。用于接輸出級(jí)電源正極，且通過(guò)一個(gè)較高品質(zhì)的電容接引腳 2。引腳 3 還通過(guò)一個(gè)高反壓快速恢復(fù)二極管與引腳 6 相連。 IR2110 的自舉電路 在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中， IR2110 的自舉電路可以有效的保護(hù) 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(fù)二極管， 2C 為 CCV 的濾波電容。當(dāng) 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(guò)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(guò)死區(qū)時(shí)間后， 2S 開通 CCV 經(jīng)過(guò) 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(guò)大 ,可能使 2S 關(guān)斷時(shí)電容兩端還沒(méi)有達(dá)到要求的電壓，而電容選擇較小則會(huì)導(dǎo)致電容存儲(chǔ)的能量不夠維持柵源電壓在 1S 導(dǎo)通時(shí)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(yīng)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(shí)間 ,選電容為其最小值的 15 倍左右。綜合考慮在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)采用 1uf 的電容為 IR2110 的自舉電容。 IGBT H 橋驅(qū)動(dòng)電路原理 H 橋驅(qū)動(dòng)電路是一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路，電路得名于“ H 橋驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜?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(shè)計(jì)同樣采用選用雙極式 H型 PWM 變換器。如圖 37 所示，四個(gè)電力晶體管 IGBT 和四個(gè)續(xù)流二級(jí)管 FR307 構(gòu)成了 H橋驅(qū)動(dòng)電路?；鶚O驅(qū)動(dòng)電壓分為兩組即 1VT 、 4VT 同時(shí)工作其驅(qū)動(dòng)電壓分別為 b1U 和 b4U ， 2VT 和 3VT 同時(shí)工作其驅(qū)動(dòng)電壓為 b 2 b3 b1U U U? ? ? 。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)， 0 ontt?? 時(shí) b1U 和 b4U 為正，晶體管 1VT 和 4VT 飽和導(dǎo)通；而 b2U 和 b3U 為負(fù)值， 2VT 和3VT 截止。這時(shí)， + sU 加在電樞 AB 兩端， AB SUU? ，電樞電流 di 沿回路 1流通；當(dāng) ont t T?? 18 時(shí)， b1U 和 b4U 變?yōu)樨?fù)值， 1VT 和 4VT 截止； b2U 和 b3U 變成正值，但是 2VT 和 3VT 并不能立即導(dǎo)通，因?yàn)樵陔姌须姼嗅尫艃?chǔ)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(shí) AB SUU?? ， 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。 圖 37 IGBT H 橋驅(qū)動(dòng)電路 ABU 在一個(gè)周期內(nèi)具有正負(fù)相間的脈沖波形。而電機(jī)的正反轉(zhuǎn)則體現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)電壓正、負(fù)脈沖的寬窄上。當(dāng)正脈沖較寬時(shí)， 2on Tt ? ，則電樞兩端的平均電壓為正，在電動(dòng)運(yùn)行時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng) 2on Tt ? ，平均電壓為負(fù)值，電機(jī)反轉(zhuǎn)。如果正負(fù)脈沖相等時(shí)電樞電壓為零，電機(jī)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(shí) ? 的可調(diào)范圍為 0~1，相應(yīng)的? = 1~1。當(dāng) 12?? 時(shí)， ? 為正，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng) 12?? 時(shí)， ? 為負(fù)，電動(dòng)機(jī)負(fù)轉(zhuǎn)；當(dāng) 12??時(shí)， ? =0，電動(dòng)機(jī)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(gè)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(jī)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(jī)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(shè)計(jì) TLP250 光耦隔離 隔離是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如果隔離沒(méi)有做好，將導(dǎo)致強(qiáng)弱電互相串?dāng)_，強(qiáng)電串到弱電的控制單元時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)控制單元燒毀。因?yàn)橄到y(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(dòng)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(dòng)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(dòng)能力達(dá) 。 TLP250 驅(qū)動(dòng)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(shí)間 tpLH/tpHL= s(max)。 選用 TLP250 光耦既保證了功率驅(qū)動(dòng)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(dòng) MOSFET 的能力，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。根據(jù) TPL250 的數(shù)據(jù)手冊(cè)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(fù)載需求。具體電路設(shè)計(jì)如圖 39： 21 圖 39 TLP250 光耦隔離電路 PC817 數(shù)據(jù)采集隔離 在進(jìn)行電流電壓采集和過(guò)壓保護(hù)時(shí)必須進(jìn)行隔離，防止強(qiáng)電流干擾控制模塊。因?yàn)锳D 采集必須是模擬信號(hào)而不能使數(shù)字信號(hào)，所以在光耦選擇時(shí)本設(shè)計(jì)采用了線性光耦PC817。 圖 310 PC817 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)輸入端加電信號(hào)時(shí)，半導(dǎo)體二極管發(fā)出光線，照射在半導(dǎo)體光敏晶體管上，光敏晶體管接受光線后導(dǎo)通，產(chǎn)生光電流從輸出端輸出，從而實(shí)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(hào)，不適合傳輸模擬信號(hào)。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(hào)，隨著輸入信號(hào)的強(qiáng)弱變化會(huì)產(chǎn)生互相對(duì)應(yīng)的光信號(hào)，從而使光敏晶體管的導(dǎo)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?zhàn)饔眠€可以起到強(qiáng)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(guò)壓反饋保護(hù) 數(shù)據(jù)采集、過(guò)壓反饋方案設(shè)計(jì) 為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的的過(guò)壓保護(hù)，本設(shè)計(jì)采用三端穩(wěn)壓 TL431 和 PC817 線性光耦構(gòu)成的過(guò)壓保護(hù)裝置。首先，對(duì)主電路的中 IGBT 的 1CU 、 3CU 與 2EU 、 4EU 之間的電壓采集，然后通過(guò) TL431 限壓，再通過(guò)線性光耦 PC817 把電壓反饋到 AD0832 實(shí)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(dāng)輸出電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，經(jīng)分壓電阻 R35得到的取樣電壓就與 TL431 中的基準(zhǔn)電壓進(jìn)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(shí)候通過(guò) PC817 隔離后經(jīng) AD0832 模數(shù)轉(zhuǎn)換后給 MC51 處理，當(dāng)主電路的電壓過(guò)大時(shí)， MC51 就停止 PWM 輸出或改變 PWM 占空比從而達(dá)到過(guò)壓保護(hù)。 具體設(shè)計(jì)電路圖如圖 312： 23 圖 312 數(shù)據(jù)采集、閉環(huán)反饋電路設(shè)計(jì)圖 TL431 介紹 TL431 的電路圖形符號(hào)和基本接線如圖 313 所示： 圖 313 TL431 基本符號(hào)圖 TL431 相當(dāng)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(lái)設(shè)定。其穩(wěn)壓原理為：當(dāng) UO 上升時(shí)，取樣電壓 REFU 也隨之升高，使 REFU refU ，比較器輸出高電平，使 VT 導(dǎo)通， UO 開始下降。反之， UO 下降會(huì)導(dǎo)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(dòng)態(tài)平衡的角度來(lái)看，就迫使 UO趨于穩(wěn)定，從而達(dá)到了穩(wěn)定的目的，并且 REFU = refU 。 因?yàn)橄到y(tǒng)需要的不同電壓值較多，且由于電機(jī)在正常工作時(shí)對(duì)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(shè)計(jì)時(shí)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(dòng)單元單獨(dú)供電。 在設(shè)計(jì)時(shí)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(fù)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(guò)流、過(guò)熱保護(hù)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(diǎn)。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(gè) ~18V可調(diào)和 5V固定輸出的穩(wěn)壓電源。具體設(shè)計(jì)電路圖如下（圖 313）當(dāng) 220V 交流電壓經(jīng)過(guò)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?yàn)榇笕萘侩娊怆娙萦幸欢ǖ睦@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(lái)抵消電感效應(yīng)，抑制高頻干擾，利用 LM31 LM337 穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn) 18V 和 18V 可調(diào)，最后在經(jīng)過(guò) 470uf 電解電容 C C8濾波后給 LM780 LM7905 穩(wěn)壓后再通過(guò) 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(shè)計(jì) PWM 實(shí)現(xiàn)方式方案論證 方案一：軟件延時(shí) 基本思想：首先預(yù)設(shè)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(gè)單位時(shí)間0t ，即 10M=t /t 。然后，在給輸出端口置低電平 M— 個(gè)單位時(shí)間，即 20t /tM?— 。通過(guò)改變 M和 M— 的值，就可實(shí)現(xiàn)改變占空比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)調(diào)速。軟件延時(shí)雖然理論上實(shí)現(xiàn)起來(lái)較容易，但占用系統(tǒng)資源過(guò)多，使用不方便。 方案二：定時(shí)計(jì)數(shù) 基本思想：利用單片機(jī)定時(shí)器 0中斷方式產(chǎn)生 PWM 脈沖，當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)到設(shè)定時(shí)間后輸出端口實(shí)現(xiàn)高低電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn) PWM 輸出。此方 案占用單片機(jī)資源比較少，使用較為簡(jiǎn)單。 綜合兩個(gè)方案，本設(shè)計(jì)采用方案二。 程序流程圖 系統(tǒng)程序?yàn)橐粋€(gè)主程序（包括若干功能模塊），中斷子程序，以及若干個(gè)子程序，共計(jì)三大部分構(gòu)成。按照任務(wù)的定義，每個(gè)功能模塊都能完成某一明確的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)具體的某個(gè)功能，如測(cè)量、計(jì)算、顯示、鍵盤掃描、輸出控制等。本設(shè)計(jì)的總程序設(shè)計(jì)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(shí)器 0中斷服務(wù)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(shí)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。