【文章內容簡介】 使脈動直流電變得較為平穩(wěn)，把其中的交流成分濾掉，叫做濾波。濾波有電容濾波、電感濾波等。本系統(tǒng)中對直流電采用電容濾波的方式，使得直流電壓變得更加平穩(wěn)，調速更加精確。電路圖如圖 215所 示： 圖 216 濾波電路 直流電機驅動電路 通往定時器 T2 端口 陜西理工學院畢業(yè)論文 第 16 頁 共 41 頁 功率放大芯片的要求及選取 設計要求 這部分是開關電源的靈魂，是連接控制單元與功率管的橋梁?？刂茊卧?來的電平一般無法直接驅動功率管，需要有一個電平的轉換及電流驅動；對于驅動電路而言，功率管的柵極即為負載，一般的功率管柵源之間有一個 寄生 電容 ， 故驅動電路的負載是一個容性負載，若驅動電流不夠，或提高頻率，方波會產生畸變，無法達到設計目的。因此功率電子的驅動是整個設計的重點，也是難點。 開關穩(wěn)壓電源中的功率開關管要求在關斷時能迅速關斷，并能維持關斷期間的漏電流近似等于零；在導通時要求能迅速導通，并且維持導通期間的 管壓降也近似等于零。開關管趨于關斷時的下降時間和趨于導通時的上升時間的快慢是降低開關晶體管損耗功率，提高開關穩(wěn)壓電源效率的主要因素。要縮短這兩個時間，除選擇高反壓、高速度、大功率開關管以外，主要還取決于加在開關管柵極的驅動信號。驅動波形的要求如下： a. 驅動波形的正向邊緣一定要陡，幅度要大，以便減小開關管趨于導通時的上升時間； ，要能保證開關管處在飽和導通狀態(tài)，以減小開關管的正向導通管壓降，從而降低導通期間開關管的集電極功率損耗； c. 當正向驅動結束時，驅動幅度要減小，以便使開關 管能很快地脫離飽和區(qū)，以減小關閉儲存時問； d. 驅動波形的下降邊緣也一定要陡，幅度要大，以便減小開關管趨于截止時的下降時間。理想的驅動波形如圖 1所示。其中圖 1(a)是漏極電壓和電流波形圖，圖 1(b)是柵極驅動信號波形圖。 陜西理工學院畢業(yè)論文 第 17 頁 共 41 頁 芯片選取 功率放大驅動芯片有多種，其中較常用的 芯片有 IR2110 和 EXB841，但由于 IR2110具有雙通道驅動特性，且電路簡單，使用方便，價格相對 EXB841 便宜，具有較高的性價比，且對于直流電機調速使用起來更加簡便，因此該驅動電路采用了 IR2110 集成芯片，使得該集成電路具有較強的驅動能力和保護功能。 芯片 IR2110 性能及特點 : ① 簡介 IR2110 是美國國際整流器公司利用自身獨有的高壓集成電路以及無閂鎖 CMOS 技術，于 1990 年前后開發(fā)并且投放市場的， IR2110 是一種雙通道高壓、高速的功率器 件柵極驅動的單片式集成驅動器。它把驅動高壓側和低壓側 MOSFET 或 IGBT 所需的絕大部分功能集成在一個高性能的封裝內，外接很少的分立元件就能提供極快的功耗，它的特點在于，將輸入邏輯信號轉換成同相低阻輸出驅動信號，可以驅動同一橋臂的兩路輸出，驅動能力強，響應速度快，工作電壓比較高，可以達到 600V，其內設欠壓封鎖，成本低、易于調試。高壓側驅動采用外部自舉電容上電，與其他驅動電路相比，它在設計上大大減少了驅動變壓器和電容的數目，使得 MOSFET 和 IGBT 的驅動電路設計大為簡化，而且它可以實現對 MOSFET 和 IGBT的最優(yōu)驅動，還具有快速完整的保護功能。與此同時， IR2110 的研制成功并且投入應用可以極大地提高控制系統(tǒng)的可靠性。降低了陜西理工學院畢業(yè)論文 第 18 頁 共 41 頁 產品成本和減少體積。 ② IR2110 是一種雙通道高壓、高速電壓型功率開關器件柵極驅動器，具有自居浮動電源，驅動電路十分簡單，只用一個電源可同時驅動上下橋臂。但是 IR2110 芯片 有他本身的缺陷，不能產生負壓，在抗干擾方面比較薄弱，以下詳細結合實驗介紹抗干擾技術。 ③ 芯片功能簡介 IR2110 包括：邏輯輸入、電平轉換、保護、上橋臂側輸出和下橋臂側輸出。邏輯輸入端采用施密特觸發(fā)電路，提高抗干擾能力。輸入 邏輯電路 與 TTL／ COMS 電平兼容，其輸入引腳閾值為電源電壓 Vdd 的 10％，各通道相對獨立。由于邏輯信號均通過電平耦合電路連接到各自的通道上，允許邏輯電路參考地 (VSS)與功率電路參考地 (COM)之間有－ 5 V～＋ 5 V 的偏移量，并且能屏 蔽小于 50 ns 脈沖，這樣便具有較理想的抗噪聲效果。兩個高壓 MOS 管推挽驅動器的最大灌入或輸出電流可達 2 A，上橋臂通道可以承受 500 V 的電壓。輸入與輸出信號之間的傳導延時較小，開通傳導延時為 120 ns，關斷傳導延時為 95 ns。電源 VCC 典型值為 15 V，邏輯電源和模擬電源共用一個 15 V 電源，邏輯地和模擬地接在一起。輸出端設有對功率電源 VCC 的欠壓保護，當小于 8． 2 V 時，封鎖驅動輸出。 ④ IR2110 具有很多優(yōu)點：自舉懸浮驅動電源可同時驅動同一橋臂的上、下兩個開關器件 ，驅動 500 V 主電路系統(tǒng)，工作頻率高，可以達到 500 kHz；具有電源欠壓保護相關斷邏輯；輸出用圖騰柱結構，驅動峰值電流為 2 A；兩通道設有低壓延時封鎖 (50 ns)。芯片還有一個封鎖兩路輸出的保護端 SD，在 SD 輸入高電平時，兩路輸出均被封鎖。IR2110 的優(yōu)點，給實際系統(tǒng)設計帶來了極大方便，特別是自舉懸浮驅動電源大大簡化了驅動電源設計，只用一路電源即可完成上下橋臂兩個功率開關器件的驅動。 ⑤ IR2110 的引腳圖以及功能 IR2110 將輸入邏輯信號轉換成同相低阻輸出驅動信號 ，可以驅動同一橋臂的兩路輸出，驅動能力強，響應速度快，工作電壓比較高，是目前功率放大驅動電路中使用最多的驅動芯片。其結構也比較簡單，芯片引腳圖如下所示： 陜西理工學院畢業(yè)論文 第 19 頁 共 41 頁 圖 212 IR2110 引腳圖 驅動電路設計圖 驅動過程分析 產生高壓側門極驅動電壓的前提是低壓側必須有開關的動作，在高壓側截止期間低壓側必須導通，才能夠給自舉電容提供充電的通路。因此在這個電路中， Q Q4 或者Q Q3 是不可能持續(xù)、不間斷的導通的。我們可以采取雙 PWM 信號來控制直流 電機的正轉以及它的速度。 將 IC1 的 HIN端與 IC2的 LIN 端相連，而把 IC1 的 LIN 端與 IC2 的 HIN 端相連，這樣就使得兩片芯片所輸出的信號恰好相反。 PWM 波由 端口引出 陜西理工學院畢業(yè)論文 第 20 頁 共 41 頁 在 HIN 為高電平期間， Q Q4 導通，在直流電機上加正向的工作電壓。其具體的操作步驟如下： 當 IC1 的 LO為低電平而 HO為高電平的時候， Q2 截止， C1 上的電壓經過 VB、 IC 內部電路和 HO端加在 Q1的柵極上，從而使得 Q1 導通。同理，此時 IC2 的 HO 為低電平而LO為高電平， Q3截止， C3上的電壓經過 VB、 IC 內部電路和 HO端加在 Q4的柵極上，從而使得 Q4 導通。 電源經 Q1 至電動機的正極經過整個直流電機后再通過 Q4 到達零電位，完成整個的回路。此時直流電機正轉。 在 HIN 為低電平期間， LIN 端輸入高電平， Q Q3導通，在直流電機上加反向工作電壓。其具體的操作步驟如下： 當 IC1 的 LO為高電平而 HO為低電平的時候， Q2 導通且 Q1截止。此時 Q2的漏極近乎于零電平， Vcc 通過 D1 向 C1充電，為 Q1 的又一次導通作準備。同理可知， IC2 的 HO為高電平而 LO 為低電平， Q3 導通且 Q4 截止， Q3的漏極近乎于零電平，此時 Vcc 通過D2向 C3 充電，為 Q4 的又一次導通作準備。 電源經 Q3 至電動機的負極經過整個直流電機后再通過 Q2 到達零電位，完成整個的回路。此時，直流電機反轉。 因此電樞上的工作電壓是雙極性矩形脈沖波形，由于存在著機械慣性的緣故，電動機轉向和轉速是由矩形脈沖電壓的平均值來決定的。 設 PWM 波的周期為 T， HIN 為高電平的時間為 t1，這里忽略死區(qū)時間，那么 LIN 為高電平的時間就為 Tt1。 HIN 信號的占空比為 D=t1/T。設電源電壓為 V，那么電樞電壓的平均值為： Vout= [ t1 ( T t1 ) ] V / T = ( 2 t1 – T ) V / T = ( 2D – 1 )V 定義負載電壓系數為 λ ， λ= Vout / V ， 那么 λ= 2D – 1 ；當 T為常數時，改變 HIN為高電平的時間 t1，也就改變了占空比 D，從而達到了改變 Vout的目的。 D 在 0— 1之間變化，因此 λ 在 177。1 之間變化。如果我們聯(lián)系改變 λ ，那么便可以實現電機正向的無級調速。 當 λ= 時， Vout=0，此時電機的轉速為 0； 當 λ1 時， Vout 為正，電機正轉； 陜西理工學院畢業(yè)論文 第 21 頁 共 41 頁 當 λ=1 時， Vout=V，電機正轉全速運行。 系統(tǒng)電路經過單片機控制的 PWM 信號產生電路送來的 PWM 信號， 經過功率放大電路，形成輸出電壓的波形圖如下圖如示： 陜西理工學院畢業(yè)論文 第 22 頁 共 41 頁 鍵盤電路 獨立式鍵盤電路原理 獨立式鍵盤雖然占用的端口比較多，但程序簡單，又由于 此次設計屬于小系統(tǒng)，故可以在編程簡單的情況下，將硬件稍微做的復雜一些。 , 是四個編碼開關，當按鍵按下時，端口電壓被拉到 0，當按鍵彈起時，端口電壓為 形成如下編碼： 0101， 0100， 0011， 0010， 0001， 1111， 1001， 1010， 1011， 1100， 1101 ，對應 – v, . , , ,0v , 0,4v, , , v.( v 為正向最大速度， v 為反向最大速度 )。 口為中斷口，當編碼開關按照需求合下后，即速度設定好后，將中斷開關按下，形成外部中斷， CPU 讀取 口的值，對應開啟一種 PWM波，對應一種電樞電壓，對應一種速度。 這種設計 將鍵盤的操作，分成兩大部分：選取速度和確定速度。因為這種鍵盤電路，在選取速度時，需要撥動好幾個開關，如果不將中斷獨立出來，每撥一次，都會形成一次中斷，也就是說選取了 一種速度。那么在選取一個速度時，出現多種速度，由于慣性，某些編碼形成的特殊 組合 速度 ，可能會對電機造成威脅。 連接圖 圖 214 輸出電壓波形 陜西理工學院畢業(yè)論文 第 23 頁 共 41 頁 計數器電路 測量頻率法 測量頻率法的最簡單的接口電路，就是直接運用 52 單片機的兩個定時 /計數器，一個作為定時，一個作為計數，這樣就能得出電機轉動的速率。此次畢設采用 T/C2