畢業(yè)設計（論文）-基于單片機的無刷直流調(diào)速系統(tǒng)

1、<p><b>　　景德鎮(zhèn)陶瓷學院</b></p><p>　　本科生畢業(yè)設計（論文）</p><p>　　中文題目：基于單片機的無刷直流調(diào)速系統(tǒng) </p><p>　　英文題目：Brushless DC Speed Control System Based On Single Chip

2、 </p><p>　　院 系：機械電子工程學院 </p><p>　　專 業(yè)： 自動化 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學 號： 200910320217

3、 </p><p>　　指導教師： 老師 </p><p>　　完成時間： 2013年5月29日 </p><p><b>　　摘 要 </b></p><p>　　本文介紹一種基于MC51單片機控制的PWM直流電機脈寬調(diào)速系統(tǒng)。從系統(tǒng)的角度出發(fā)，對

4、電路進行總體方案論證設計，確定電路各個的功能模塊之間的功能銜接和接口設置，詳細分析了各個模塊的方案論證和參數(shù)設置。整個系統(tǒng)利用51單片機的定時器產(chǎn)生10K左右的PWM脈沖，通過帶有功率驅(qū)動作用的TLP250光耦實現(xiàn)控制單元與驅(qū)動單元的強弱電隔離，采用2片IGBT和MOSFET等一類電壓型功率開關管專用驅(qū)動芯片IR2110，驅(qū)動IGBT—FGA25N120構(gòu)成的H橋電路實現(xiàn)對直流電機的調(diào)速，利用TL431、線性光耦PC817和AD0832

5、構(gòu)成的電壓采集單元實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，提高整個系統(tǒng)的智能化、自動化水平，為工業(yè)生產(chǎn)應用提供可能。</p><p>　　關鍵字 MC51，PWM，光耦隔離，IR2110，IGBT </p><p><b>　　Abstract </b></p><p>　　This paper describes a microprocessor control

6、led PWM based MC51 PWM DC motor speed control system.System cheap MC51 microcontroller core to DC motor as the control object。From a system point of view, the circuit design of the overall program feasibility studies to

7、determine the circuit between the various functional modules functional convergence and interface settings, a detailed analysis of each module demonstration program and parameter settings。The entire system using 51 singl

8、e-chip timer to</p><p>　　Key word MC51 PWM Optocoupler isolation IR2110，IGBT </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p><b>　　1前

9、言4</b></p><p>　　1.1數(shù)字直流調(diào)速的意義4</p><p>　　1.2研究現(xiàn)狀綜述4</p><p>　　1.3直流電動機調(diào)速概述6</p><p>　　2系統(tǒng)總體方案論證8</p><p>　　2.1系統(tǒng)方案比較與選擇8</p><p>　　2.2系統(tǒng)

10、方案描述9</p><p>　　3硬件電路的模塊設計11</p><p>　　3.1邏輯延時電路方案論證設計11</p><p>　　3.2驅(qū)動電路方案論證設計12</p><p>　　3.3隔離電路方案論證設計19</p><p>　　3.4數(shù)據(jù)采集、過壓反饋保護22</p><p&g

11、t;　　3.5穩(wěn)壓可調(diào)電源設計23</p><p><b>　　4軟件設計25</b></p><p>　　4.1 PWM實現(xiàn)方式方案論證25</p><p>　　4.2程序流圖27</p><p>　　4.3主要程序設計分析27</p><p>　　5調(diào)試結(jié)果描述錯誤!未定義書簽。&

12、lt;/p><p><b>　　6經(jīng)濟分析30</b></p><p><b>　　7結(jié)論30</b></p><p><b>　　參考文獻31</b></p><p>　　附錄1 整個系統(tǒng)電路原理圖</p><p>　　附錄2穩(wěn)壓電源原理圖</

13、p><p>　　附錄3元器件清單 </p><p><b>　　1前言</b></p><p>　　1.1數(shù)字直流調(diào)速的意義</p><p>　　現(xiàn)在電氣傳動的主要方向之一是電機調(diào)速系統(tǒng)采用微處理器實現(xiàn)數(shù)字化控制。從上世紀80年代中后期起，世界各大電氣公司如ABB、通用、西屋、西門子等都在競相開發(fā)數(shù)字式調(diào)速傳動裝置，經(jīng)過

14、二十幾年的發(fā)展，當前直流調(diào)速已發(fā)展到一個很高的技術(shù)水平：功率元件采用可控硅；控制板采用表面安裝技術(shù)；控制方式采用電源換相、相位控制。特別是采用了微處理器及其他先進電力電子技術(shù)，使數(shù)字式直流調(diào)速裝置在精度的準確性、控制性能的優(yōu)良性和抗干擾的性能有很大的提高和發(fā)展，在國內(nèi)外得到廣泛的應用。數(shù)字化直流調(diào)速裝置作為目前最新控制水平的傳動方式顯示了強大優(yōu)勢。全數(shù)字化直流調(diào)速系統(tǒng)不斷升級換代，為工程應用和工業(yè)生產(chǎn)提供了優(yōu)越的條件。</p>

15、;<p>　　采用微處理器控制，使整個調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)字化程度，智能化程度有很大改觀；采用微處理器控制，使調(diào)速系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上簡單化，可靠性提高，操作維護變得簡捷，電機穩(wěn)態(tài)運行時轉(zhuǎn)速精度等方面達到較高水平。由于微處理器具有較佳的性價比，所以微處理器在工業(yè)過程及設備控制中得到日益廣泛的應用。近年來，盡管交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，但是直流電機憑借其良好的啟動、制動性能，在金屬切削機床、軋鋼機、海洋鉆機、挖掘機、造紙機、礦井卷揚機、電鍍、高

16、層電梯等需要廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速的高性能可控電力拖動領域中仍得到了廣泛的應用。</p><p>　　現(xiàn)階段，我國還沒有自主的全數(shù)字化直流調(diào)速控制裝置生產(chǎn)商，而國外先進的控制器價格昂貴，且技術(shù)轉(zhuǎn)讓受限，為此研究及更好的使用國外先進的控制器，吸收國外先進的數(shù)字化直流電機調(diào)速裝置的優(yōu)點，具有重要的實際意義和重大的經(jīng)濟價值。</p><p><b>　　1.2研究現(xiàn)狀綜述</b>

17、;</p><p>　　1.2.1電氣傳動的發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　20世紀70年代以來，直流電機傳動經(jīng)歷了重大的技術(shù)、裝備變革。整流器的更新?lián)Q代，以晶閘管整流裝置取代了習用已久的直流發(fā)電機電動機組及水銀整流裝置使直流電氣傳動完成了一次大的躍進。同時，高集成化、小型化、高可靠性及低成本成為控制的電路的發(fā)展方向。使直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標大幅提高，應用范圍不斷擴大。直流調(diào)速技術(shù)不斷發(fā)展，

18、走向成熟化、完善化、系列化、標準化，在可逆脈寬調(diào)速、高精度的電氣傳動領域中仍然難以替代。</p><p>　　早期直流傳動的控制系統(tǒng)采用模擬分離器件構(gòu)成，由于模擬器件有其固有的缺點，如存在溫漂、零漂電壓，構(gòu)成系統(tǒng)的器件較多，使得模擬直流傳動系統(tǒng)的控制精度及可靠性較低。隨著計算機控制技術(shù)的發(fā)展，微處理器已經(jīng)廣泛使用于直流傳動系統(tǒng)，實現(xiàn)了全數(shù)字化控制。由于微處理器以數(shù)字信號工作，控制手段靈活方便，抗干擾能力強。所以，

19、全數(shù)字直流調(diào)速控制精度、可靠性和穩(wěn)定性比模擬直流調(diào)速系統(tǒng)大大提高。所以，直流傳動控制采用微處理器實現(xiàn)全數(shù)字化，使直流調(diào)速系統(tǒng)進入一個嶄新的階段。</p><p>　　1.2.2微處理器控制直流電機發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　微處理器誕生于上個世紀七十年代，隨著集成電路大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路制造工藝的迅速發(fā)展，微處理器的性價比越來越高。此外，由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，制作工藝的提升，使得大

20、功率電子器件的性能迅速提高。為微處理器普遍用于控制電機提供了可能，利用微處理器控制電機完成各種新穎的、高性能的控制策略，使電機的各種潛在能力得到充分的發(fā)揮，使電機的性能更符合工業(yè)生產(chǎn)使用要求，還促進了電機生產(chǎn)商研發(fā)出各種如步進電機、無刷直流電機、開關磁阻電動機等便于控制且實用的新型電機，使電機的發(fā)展出現(xiàn)了新的變化。</p><p>　　對于簡單的微處理器控制電機，只需利用用微處理器控制繼電器、電子開關元器件，使電

21、路開通或關斷就可實現(xiàn)對電機的控制?，F(xiàn)在帶微處理器的可編程控制器，已經(jīng)在各種的機床設備和各種的生產(chǎn)流水線中普遍得到應用，通過對可編程控制器進行編程就可以實現(xiàn)對電機的規(guī)律化控制。</p><p>　　對于復雜的微處理器控制電機,則要利用微處理器控制電機的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等，使電機按給定的指令準確工作。通過微處理器控制，可使電機的性能有很大的提高。目前相比直流電機和交流電機他們各有所長，如直流電機調(diào)速性能好

22、，但帶有機械換向器，有機械磨損及換向火花等問題；交流電機，不論是異步電機還是同步電機，結(jié)構(gòu)都比直流電機簡單，工作也比直流電機可靠，但在頻率恒定的電網(wǎng)上運行時，它們的速度不能方便而經(jīng)濟地調(diào)節(jié)。</p><p>　　高性能的微處理器如DSP (DIGITAL SIGNAL PROCESSOR即數(shù)字信號處理器)的出現(xiàn)，為采用新的控制理論和控制策略提供了良好的物質(zhì)基礎，使電機傳動的自動化程度大為提高。在先進的數(shù)控機床

23、等數(shù)控位置伺服系統(tǒng)，已經(jīng)采用了如DSP等的高速微處理器，其執(zhí)行速度可達數(shù)百萬兆以上每秒，且具有適合的矩陣運算。</p><p>　　1.3直流電動機調(diào)速概述</p><p>　　1.3.1直流電機調(diào)速原理</p><p>　　直流電動機根據(jù)勵磁方式不同，直流電動機分為自勵和他勵兩種類型。不同勵磁方式的直流電動機機械特性曲線有所不同。但是對于直流電動機的轉(zhuǎn)速有以下公式

24、： </p><p>　　其中：U—電壓；—勵磁繞組本身的電阻；—每極磁通(Wb)；Cc—電勢常數(shù)；Cr—轉(zhuǎn)矩常量。由上式可知，直流電機的速度控制既可采用電樞控制法，也可采用磁場控制法。磁場控制法控制磁通，其控制功率雖然較小，但低速時受到磁極飽和的限制，高速時受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強度的限制，而且由于勵磁線圈電感較大，動態(tài)響應較差。所以在工業(yè)生產(chǎn)過程中常用的方法是電樞控制法。</p><p&

25、gt;　　圖1-1 直流電機的工作原理圖</p><p>　　電樞控制是在勵磁電壓不變的情況下，把控制電壓信號加到電機的電樞上，以控制電機的轉(zhuǎn)速。傳統(tǒng)的改變電壓方法是在電樞回路中串聯(lián)一個電阻，通過調(diào)節(jié)電阻改變電樞電壓，達到調(diào)速的目的，這種方法效率低、平滑度差，由于串聯(lián)電阻上要消耗電功率，因而經(jīng)濟效益低，而且轉(zhuǎn)速越慢，能耗越大。隨著電力電子的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的電樞電壓控制方法。如：由交流電源供電，使用晶閘管整流器

26、進行相控調(diào)壓；脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)壓等等。調(diào)壓調(diào)速法具有平滑度高，能耗少，精度高等優(yōu)點。在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用其中脈寬調(diào)制(PWM)應用更為廣泛。脈寬調(diào)速利用一個固定的頻率來控制電源的接通或斷開，并通過改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短，即改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉(zhuǎn)速，因此，PWM又被稱為“開關驅(qū)動裝置”。 </p><p>　　圖1-2電樞電壓占空比和平均電

27、壓的關系圖</p><p>　　根據(jù)圖1，如果電機始終接通電源時，電機轉(zhuǎn)速最大為，占空比為D=/T，則電機的平均速度為：，可見只要改變占空比D，就可以得到不同的電機速度，從而達到調(diào)速的目的。</p><p>　　1.3.2直流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)方式</p><p>　　1、基于晶閘管作為主電路的調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　晶閘管的調(diào)速系統(tǒng)是采用分

28、離元件設計的調(diào)速系統(tǒng)占用的空間大，控制角難于調(diào)整，且模擬器件的固有缺陷如：溫漂、零漂電壓等，導致電機的調(diào)速無法達到滿意的結(jié)果。晶閘管的單向?qū)щ娦裕辉试S電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難，性能較差，自動化控制程度差，調(diào)速過程較為復雜，不利于工業(yè)生產(chǎn)和小功率電路中采用。另一問題是當晶閘管導通角很小時，系統(tǒng)的功率因素很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流，從而引起電網(wǎng)電壓波動殃及同電網(wǎng)中的用電設備，造成“電力公害”。 </p>

29、<p>　　Ⅱ、基于PWM為主控電路的調(diào)速系統(tǒng)</p><p>　　與傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術(shù)相比較，PWM(脈寬調(diào)制技術(shù))直流調(diào)速系統(tǒng)具有較大的優(yōu)越性：主電路線路簡單，需要的功率元件少；開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗和發(fā)熱都較?。坏退傩阅芎?，穩(wěn)速精度高，因而調(diào)速范圍寬；系統(tǒng)頻帶寬，快速響應性能好，動態(tài)抗干擾能力強；主電路元件工作在開關狀態(tài)，導通損耗小，裝置效率高。</p><

30、p>　　PWM信號的產(chǎn)生通常有兩種方法:一種是軟件的方法；另一種是硬件的方法。基于NE555，SG3525等一系列的脈寬調(diào)速系統(tǒng)：此種方式采用NE555作為控制電路的核心，用于產(chǎn)生控制信號。NE555產(chǎn)生的信號要通過功率放大才能驅(qū)動后級電路。NE555、SG3525構(gòu)成的控制電路較為復雜，且智能化、自動化水平較低，在工業(yè)生產(chǎn)中不利于推廣和應用。</p><p>　　基于單片機類由軟件來實現(xiàn)PWM：在PWM調(diào)

31、速系統(tǒng)中占空比D是一個重要參數(shù)在電源電壓不變的情況下，電樞端電壓的平均值取決于占空比D的大小，改變D的值可以改變電樞端電壓的平均值從而達到調(diào)速的目的。改變占空比D的值有三種方法：</p><p>　　A、定寬調(diào)頻法：保持不變，只改變t，這樣使周期(或頻率)也隨之改變。（圖1）</p><p>　　B、調(diào)寬調(diào)頻法：保持t不變，只改變，這樣使周期(或頻率)也隨之改變。（圖1）</p>

32、;<p>　　C、定頻調(diào)寬法：保持周期T(或頻率)不變，同時改變和t。（圖1）</p><p>　　前兩種方法在調(diào)速時改變了控制脈沖的周期(或頻率)，當控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時，將會引起振蕩，因此常采用定頻調(diào)寬法來改變占空比從而改變直流電動機電樞兩端電壓。利用單片機的定時計數(shù)器外加軟件延時等方式來實現(xiàn)脈寬的自由調(diào)整，此種方式可簡化硬件電路，操作性強等優(yōu)點。

33、 </p><p><b>　　2系統(tǒng)總體方案論證</b></p><p>　　2.1系統(tǒng)方案比較與選擇</p><p>　　方案一：采用專用PWM集成芯片、IR

34、2110 功率驅(qū)動芯片構(gòu)成整個系統(tǒng)的核心，現(xiàn)在市場上已經(jīng)有很多種型號，如Tl公司的TL494芯片，東芝公司的ZSK313I芯片等。這些芯片除了有PWM信號發(fā)生功能外，還有“死區(qū)”調(diào)節(jié)功能、過流過壓保護功能等。這種專用PWM集成芯片可以減輕單片機的負擔，工作更可靠，但其價格相對較高，難于控制工業(yè)成本不宜采用。</p><p>　　方案二：采用MC51單片機、功率集成電路芯片L298構(gòu)成直流調(diào)速裝置。L298是雙H高

35、電壓大電流功率集成電路，直接采用TTL邏輯電平控制，可用來驅(qū)動繼電器、線圈、直流電動機、步進電動機等電感性負載。其驅(qū)動電壓為46V，直流電流總和為4A。該方案總體上是具有可行性，但是L298的驅(qū)動電壓和電流較小，不利于工業(yè)生產(chǎn)應用，無法滿足工業(yè)生產(chǎn)實踐中大電壓、大電流的直流電機調(diào)速。</p><p>　　方案三：采用MC51單片機、IR2110功率驅(qū)動芯片構(gòu)成整個系統(tǒng)的核心實現(xiàn)對直流電機的調(diào)速。MC51具有兩個定

36、時器T0和T1。通過控制定時器初值T0和T1，從而可以實現(xiàn)從任意端口輸出不同占空比的脈沖波形。MC51控制簡單，價格廉價，且利用MC51構(gòu)成單片機最小應用系統(tǒng)，可縮小系統(tǒng)體積，提高系統(tǒng)可靠性，降低系統(tǒng)成本。IR2110是專門的MOSFET管和IGBT的驅(qū)動芯片，帶有自舉電路和隔離作用，有利于和單片機聯(lián)機工作，且IGBT的工作電流可達50A，電壓可達1200V，適合工業(yè)生產(chǎn)應用。</p><p>　　綜合上述三種方

37、案，本設計采用方案三作為整個系統(tǒng)的設計思路。</p><p><b>　　2.2系統(tǒng)方案描述</b></p><p>　　本系統(tǒng)采用MC51為控制核心，配以2*3鍵盤和四位數(shù)碼管顯示，通過ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器對主干驅(qū)動電路進行電壓采集和速度采集實現(xiàn)過壓保護、速度顯示。同時利用MC51產(chǎn)生的PWM經(jīng)過邏輯延遲電路后加載到以IR2110為驅(qū)動核心，IGBT構(gòu)成的H橋主

38、干電路上實現(xiàn)對直流電機的控制和調(diào)速。本系統(tǒng)的控制部分為5V的弱電而驅(qū)動電路和負載電路為110V以上的直流電壓因此在強弱電之間、數(shù)據(jù)采集之間分別利用了帶有驅(qū)動功能的光耦TLP250和線性光耦PC817實現(xiàn)強弱電隔離，信號串擾。具體電路框圖如下圖2-1</p><p>　　圖2-1系統(tǒng)整體框圖</p><p>　　3硬件電路的模塊設計</p><p>　　3.1邏輯延時

39、電路方案論證設計</p><p>　　邏輯延時電路是主電路IGBT開關管的控制所需。</p><p>　　一、因為控制IGBT所需的控制信號要求對角上的兩個IGBT管的控制信號要相同，而同一個橋臂上的控制信號要相反。這就要求主電路上有兩路互為反向的控制信號。然而MC51產(chǎn)生的PWM只有一路，這時候就必須把PWM信號利用邏輯延時電路變成兩路互為反向的控制信號。</p><

40、p>　　二、雖然從目前的制作工藝水平可以使電力電子半導體開關器件的頻率做得很高，但是器件的導通和關斷的時候仍然會占用一段極短的時間，PWM控制信號消失的瞬間并不意味著功率開關管就真正會關斷。如果一個的功率開關管的控制信號剛消失的同時給同一橋臂的另一功率開關管加控制信號很可能造成同一橋臂的兩管子同時導通形成對電源短路。為了避免這種現(xiàn)象在系統(tǒng)中出現(xiàn)，本設計采用了在MC51產(chǎn)生PWM信號后設置邏輯延時電路。</p><

41、;p>　　圖3-1中二極管、能使低電平或者可以說是PWM負信號通過，電阻、和電容、延遲了高電平信號向后傳送的時間，這樣就可以保證功率開關管可靠關斷后再給與其同一橋臂上的功率開關管加高電平信號，可以避免其同時導通。</p><p>　　圖3-1邏輯延時電路原理圖</p><p>　　3.2驅(qū)動電路方案論證設計</p><p>　　3.2.1驅(qū)動電路方案、參數(shù)描述

42、</p><p>　　整個系統(tǒng)的驅(qū)動電路采用兩片的IR2110驅(qū)動四片的IGBT管（FGA25N120）構(gòu)成的H橋電路。如下圖3-2：</p><p>　　圖3-2 驅(qū)動主電路原理圖</p><p>　　IR2110驅(qū)動IGBT構(gòu)成的H橋電路的特點顯著，具有調(diào)速性能好，調(diào)速頻帶寬，可以工作在1~100 kHz范圍內(nèi)工作。所要求的控制信號簡單，只需要加入PWM信號即可

43、。IR2110設計保護電路性能良好，安全性高，無控制信號時，電機處于剎車狀態(tài)，可用于很多工業(yè)領域。</p><p>　　在本設計中（圖3-2），IR2110的自舉電容采用了兩個不同大小的電容并聯(lián)使用。在頻率為20 kHz左右的工作狀態(tài)下，可選用1.0μF和0.1μF電容并聯(lián)。并聯(lián)高頻小電容可吸收高頻毛刺干擾電壓。電路中為了防止Q1、Q3導通時高電壓串入端損壞芯片，在設計采用快恢復二極管FR107，其快速恢復時間為

44、500ns 可有效地隔斷高壓信號串入IR2110。由于VB高于VS電壓的最大值為20 V，為了避免VB過電壓，電路中增加了10V穩(wěn)壓二極管D9、D17控制VB端電壓在10V左右防止VB過壓。</p><p>　　由于密勒效應的作用，在開通與關斷時，集電極與柵極間電容上的充放電電流很容易在柵極上產(chǎn)生干擾。針對這種現(xiàn)象，本設計在輸出驅(qū)動電路中的功率管柵極限流電阻R20、R21、R25、R26上反向并聯(lián)了二極管D7、D

45、8、D15、D16。</p><p>　　為改善PWM控制脈沖的前后沿陡度并防止振蕩，減小IGBT集電極的電壓尖脈沖，一般應在柵極串聯(lián)十幾歐到幾百歐的限流電阻。在正常狀態(tài)下，IGBT開通的時間越短，開通損耗也越小。但在開通過程中，因存在續(xù)流二極管D7、D8、D15、D16的反向恢復電流和吸收電容的放電電流，當IGBT的開通的時間越短，IGBT所承受的峰值電流也就越大，導致IGBT或續(xù)流二極管損耗。為了防止IGBT

46、或二極管的損壞，就必須有目的地降低柵極驅(qū)動脈沖的上升速率，即增加柵極串聯(lián)電阻的阻值，控制該電流的峰值。雖然柵極串聯(lián)電阻小，有利于加快關斷速度和減小關斷損耗，也有利于避免關斷時集射極間電壓的過小造成IGBT誤開通。但是如果柵極串聯(lián)電阻過小，會由于集電極電流下降的過大，產(chǎn)生較大的集電極電壓峰值。綜合上述因素在設計柵極串聯(lián)電阻R20、R21、R25、R26時選取1K電阻為柵極串聯(lián)電阻。</p><p>　　IGBT的快

47、速開通和關斷提高工作頻率，減小開關損耗，但由于開關過程中主回路電流的突變，其引線電感將產(chǎn)生很高的尖峰電壓，該電壓是IGBT過壓損壞的主要原因。由于IGBT的柵-集極間存在的分布電容和柵-射極間存在的分布電容會產(chǎn)生過大的，故其開關轉(zhuǎn)換過程中易使突然升高而造成C-E間誤導通，從而損壞IGBT。為了防止造成的誤觸發(fā)，本設計在柵-射極間加旁路保護電阻10k的R23、R24、R27、R28，有效的防止IGBT的損壞。</p><

48、;p>　　3.2.2 IR2110驅(qū)動電路中IGBT抗干擾設計</p><p>　　對于任何CMOS器件，使這些二極管正向?qū)ɑ蚍聪驌舸┒紩鸺纳目煽鼐чl管(SCR)鎖定，鎖定的最終后果難以預料，有可能暫時錯誤地工作到完全損壞器件。若在“理想的自舉”電路中，由一個零阻抗電源供電，并通過一個理想的二極管給供電。負過沖電壓將引起自舉電容過充電。</p><p>　　圖3-3 IR21

49、10部分寄生二極管示意圖</p><p>　　IGBT（Insulated GateBipolar Transistor）是電壓驅(qū)動型器件，由于是容性輸入阻抗，故要求驅(qū)動電路提供一條小阻抗通路，將柵極電壓限制在一定安全數(shù)字內(nèi)。如果電路的負載為感性負載，則在功率管開關瞬間、電源短路以及過電流關斷時，將比較大，功率管就會產(chǎn)生過沖電壓，從而使VS端電壓低于COM端。實際上，該電壓是不能低于-4V，超出該極限電壓就會引起

50、高端通道工作的不穩(wěn)定。故在設計PCB時，應采取下列方法以減小VS負過沖電壓：</p><p>　　a、將功率管緊密放置，并在焊接功率器件時應盡量使引腳最短，以減少PCB布線長度和引腳間寄生電感的影響，引線應采用絞線或同軸電纜屏蔽線；</p><p>　　b、IR2110盡可能靠近功率IGBT模塊放置；</p><p>　　c、在電源線與功率管之間應增加去耦電容，一般

51、應選0.1μF或1.0μF的電容。</p><p>　　圖3-4IR2110與IGBT布局圖</p><p>　　3.2.2 IR2110功率驅(qū)動介紹</p><p>　　3.2.2.1 IR2100內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖及管腳說明</p><p>　　IR2110是IR公司生產(chǎn)的高壓,高速的功率MOSFET， IGBT專用驅(qū)動芯片，具有獨立的高、低

52、端輸出雙通道。門電壓需求在10~20 V范圍，懸浮通道用于驅(qū)動MOSFET的高壓端電壓可以達到500 V。</p><p>　　圖3-5 IR2110內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖3-5中引腳10（）及引腳12 （）雙列直插式封裝，分別驅(qū)動逆變橋中同橋臂上下兩個功率MOS器件的輸入驅(qū)動信號輸入端，當輸入脈沖形成部分的兩路輸出，范圍為（-0.5V）~（+0.5），圖6中和分別為引腳13（

53、）及引腳9（）的電壓值。</p><p>　　引腳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。</p><p>　　引腳6（）及引腳3（）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

54、還通過一個高反壓快速恢復二極管與引腳6相連。</p><p>　　3.2.2.2 IR2110的自舉電路</p><p>　　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3-6所示：</p><p>　　圖3-6 IR2110自舉電路原理圖</p><p>　　圖3-6中及分別為自舉電容

55、和快速恢復二極管，為的濾波電容。當在關斷期間，已經(jīng)充滿電，即=。在開通，關斷期間，通過電阻與 的柵射極間電容放電。在關斷，開通期間，柵電荷經(jīng)和快速釋放。在經(jīng)過死區(qū)時間后，開通經(jīng)過、給充電。這就是IR2110的自舉電路原理。</p><p>　　如果自舉電容選取的過大,可能使關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導通時間內(nèi)為一定值。在選擇自舉電容最好選擇非電解

56、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。</p><p>　　3.2.2.3 IGBT H橋驅(qū)動電路原理</p><p>　　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

57、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3-7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、同時工作其驅(qū)動電壓分別為和，和同時工作其驅(qū)動電壓為。在一個開關周期內(nèi)，時和為正，晶體管和飽和導通；而和為負值，和截止。這時，+加在電樞AB兩端，，電樞電流沿回路1流通；當時，和變?yōu)樨撝?，和截止；和變成正值，但是和并不能立即導通，因為在電樞電感釋放儲能的作用下，沿回?經(jīng)二

58、極管、續(xù)流，在和上的壓降使、集電極和發(fā)射極承受反壓，這時，在一個周期內(nèi)正負相間，這是雙極式PWM變換器的特征。</p><p>　　圖3-7 IGBT H橋驅(qū)動電路</p><p>　　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，，則電樞兩端的平均電壓為正，在電動運行時電機正轉(zhuǎn)。當，平均電壓為負值，電機反轉(zhuǎn)。如果正負脈沖相等時電樞電

59、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]：</p><p>　　若定義占空比為和電壓系數(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。當時，為正，電動機正轉(zhuǎn)；當時，為負，電動機負轉(zhuǎn)；當時，=0，電動機停止。</p><p>　　雙極式控制的電壓平衡方程式：</p>&

60、lt;p><b>　?。ǎ?lt;/b></p><p><b>　?。ǎ?lt;/b></p><p>　　電樞兩端在一個周期內(nèi)的平均電壓都是：。其平均值方程都可寫成： </p><p><b>　　則機械特性方程：</b></p><p><b>　　用轉(zhuǎn)矩表示：<

61、;/b></p><p><b>　　式中，</b></p><p>　　——電機在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，。 </p><p>　　——理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比，。</p><p>　　3.3隔離電路方案論證設計</p><p>　　3.3.1 TLP250光耦隔離</p&g

62、t;<p>　　隔離是整個設計的關鍵環(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TLP250。</p><p>　　圖3-8 TLP內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p&g

63、t;　　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1.5A。TLP250驅(qū)動主要具備以下特征：</p><p>　　輸入閾值電流IF=5mA(max)；</p><p>　　電源電流ICC=11mA(max)；</p><p>　　電源電壓(VCC)=10～35V；</p><p

64、>　　輸出電流IO=±0.5A(min)；</p><p>　　開關時間tpLH/tpHL=0.5μs(max)。</p><p>　　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2、3腳的電壓輸入必須為1.6v，5、8腳之間必修接104旁路電容使輸出均勻化，降低負

65、載需求。具體電路設計如圖3-9：</p><p>　　圖3-9 TLP250光耦隔離電路</p><p>　　3.3.2 PC817數(shù)據(jù)采集隔離</p><p>　　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。</p><p>

66、　　圖3-10 PC817內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　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

67、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。</p><p>　　圖3-11 PC817集電極發(fā)射極電壓V 與發(fā)光二極管正向電流If關系圖</p><p>　　3.4數(shù)據(jù)采集、過壓反饋保護</p><p>　　3.4.1數(shù)據(jù)采集、過壓反饋方案設計</p><p>　　為

68、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、與、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)

69、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。</p><p>　　具體設計電路圖如圖3-12：</p><p>　　圖3-12 數(shù)據(jù)采集、閉環(huán)反饋電路設計圖</p><p>　　3.4.2 TL431介紹</p><p>　　TL431的電路圖形符號和基本接線如圖3-

70、13所示：</p><p>　　圖3-13 TL431基本符號圖</p><p>　　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，取樣電壓也隨之升高，使> ，比較器輸出高電平，使VT導通，UO開始下降。反之，UO下降會導致下降，從而< ，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

71、看，就迫使UO趨于穩(wěn)定，從而達到了穩(wěn)定的目的，并且 = 。</p><p>　　3.5穩(wěn)壓可調(diào)電源設計</p><p>　　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。</p><p>　　在設計時首先考慮到使用三端可調(diào)穩(wěn)壓集成芯片LM317

72、、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1.2V~37V，最大輸出電流為1.5A。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LM7805、LM7905三端穩(wěn)壓芯片即可形成一個1.2V~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3-13）當

73、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C1、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C3、C4用來抵消電感效應，抑制高頻干擾，利用LM317、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C7、C8濾波后給LM7805、LM7905穩(wěn)壓后再通過C9、C10

74、濾波后輸出5V直流固定電壓。</p><p>　　圖3-14 穩(wěn)壓可調(diào)電源電路原理圖</p><p><b>　　4軟件設計</b></p><p>　　4.1 PWM實現(xiàn)方式方案論證</p><p><b>　　方案一：軟件延時 </b></p><p>　　基本思想：首先

75、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，即。然后，在給輸出端口置低電平個單位時間，即。通過改變M和的值，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。</p><p><b>　　方案二：定時計數(shù)</b></p><p>　　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

76、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。</p><p>　　綜合兩個方案，本設計采用方案二。</p><p><b>　　4.2程序流程圖</b></p><p>　　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

77、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4-1 系統(tǒng)總體流程圖，如圖4-2 PWM輸出子程序流程圖，圖4-3 A/D0832數(shù)據(jù)采集流程。</p><p>　　圖4-1系統(tǒng)總體程序流程圖</p><p>　　圖4-2 PWM輸出流程圖</p><p>　　圖4-3

78、 A/D0832數(shù)據(jù)采集流程圖</p><p>　　4.3主要程序設計分析</p><p>　　4.3.1定時器0中斷服務函數(shù)</p><p>　　void timer0(void) interrupt 1 using 2</p><p>　　{ TR0=0;</p><p>　　Pro_Count++;

79、 輪轉(zhuǎn)次數(shù)加1</p><p>　　if (Pro_Count>Cycle) </p><p>　　Pro_Count=1;</p><p>　　if (Pro_Count<=Pro_High) 輸出高電平</p><p>　　Pwm_Out=0;</p><p>

80、;<b>　　else</b></p><p>　　Pwm_Out=1;</p><p>　　TH0=Th0; 重載定時器初始值</p><p><b>　　TL0=Tl0;</b></p><p><b>　　TR0=1;</b>&l

81、t;/p><p><b>　　}</b></p><p>　　4.3.2占空比調(diào)節(jié)函數(shù)</p><p>　　void Pwm_Set(uchar x)</p><p>　　{switch(x)</p><p>　　{ case 0:break;</p><p>　　case

82、 1: if(Pro_High<=900) Pro_High=Pro_High+100; 占空比加100</p><p><b>　　break;</b></p><p>　　case 2: </p><p>　　if(Pro_High<=990) Pro_High=Pro_High+10; 占空比

83、加10</p><p><b>　　break;</b></p><p>　　case 3:if(Pro_High<=999) Pro_High++; 占空比加1</p><p><b>　　break;</b></p><p>　　case 4:if(Pro_Hi

84、gh>=100) Pro_High=Pro_High-100; 占空比減100</p><p><b>　　break;</b></p><p>　　case 5:if(Pro_High>=10) Pro_High=Pro_High-10; 占空比減10 </p><p><b>　　break;&

85、lt;/b></p><p>　　case 6:if(Pro_High>0) Pro_High--; 占空比減1</p><p><b>　　break; </b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}&l

86、t;/b></p><p><b>　　5調(diào)試結(jié)果描述</b></p><p>　　調(diào)試過程,接5V直流電機，在不同占空比負載電壓、IGBT柵極和集電極電壓輸出情況和電機的轉(zhuǎn)動方向如下表5-1：</p><p>　　表5-1 5V直流電機的測試情況</p><p>　　從上表可知：當占空比為50%電機停轉(zhuǎn)，隨著占空

87、比的增加或減少電機轉(zhuǎn)速也越來越快。通過改變占空比即可實現(xiàn)對直流電機的調(diào)速。</p><p><b>　　6經(jīng)濟分析</b></p><p>　　無刷直流調(diào)速系統(tǒng)廣泛應用于社會生活的各個領域，如家電、汽車、材料、電力。直流電機憑借其良好的啟動、制動性能，在金屬切削機床、軋鋼機、海洋鉆機、挖掘機、造紙機、礦井卷揚機、電鍍、高層電梯等需要廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速的高性能可控電力拖

88、動領域中仍得到了廣泛的應用。</p><p>　　系統(tǒng)以廉價的MC51單片機為控制核心，以直流電機為控制對象。從系統(tǒng)的角度出發(fā)，對電路進行總體方案論證設計，確定電路各個的功能模塊之間的功能銜接和接口設置，詳細分析了各個模塊的方案論證和參數(shù)設置。整個系統(tǒng)利用51單片機的定時器產(chǎn)生10K左右的PWM脈沖，通過帶有功率驅(qū)動作用的TLP250光耦實現(xiàn)控制單元與驅(qū)動單元的強弱電隔離，采用2片IGBT和MOSFET等一類電壓

89、型功率開關管專用驅(qū)動芯片IR2110，驅(qū)動IGBT—FGA25N120構(gòu)成的H橋電路實現(xiàn)對直流電機的調(diào)速，利用TL431、線性光耦PC817和AD0832構(gòu)成的電壓采集單元實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，提高整個系統(tǒng)的智能化、自動化水平，為工業(yè)生產(chǎn)應用提供可能。</p><p><b>　　7結(jié)論</b></p><p>　　本次論文要求直流無刷調(diào)速系統(tǒng)以單片機為核心以永磁無刷直

90、流電機為控制對象的調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)給定轉(zhuǎn)速由鍵盤輸入，并能實時顯示轉(zhuǎn)速，可實現(xiàn)電機的高頻快速起動，設置了電流采樣電路，與速度反饋電路組成雙閉環(huán)系統(tǒng)，要求利用硬件電路和軟件控制來實現(xiàn)上述功能。</p><p>　　本設計在指導老師和身邊同學的共同努力下，經(jīng)過13周畢業(yè)設計完成了MC51控制單位、光耦隔離、IR2110驅(qū)動電路、IGBT H橋電路、A/D數(shù)據(jù)采集單元的電路方案設計、參數(shù)計算、軟件編寫、整體調(diào)試，但是離真

91、正的工程推廣和工業(yè)生產(chǎn)應用還有很多的工作要完成。</p><p>　　現(xiàn)代電機控制的發(fā)展，一方面要求提高性能、降低損耗、減少成本，另一方面又不斷地有技術(shù)指標及其苛刻特殊應用系統(tǒng)要求。隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)和計算機技術(shù)，集成電路制作工藝的飛速發(fā)展，以及控制理論地完善、仿真工具地日漸成熟，給電機控制行業(yè)帶來了很多機遇和反展契機。使用高性能的微機解決電機控制器不斷增加的計算量和速度要求，使其功能強大、維修方便、適

92、用范圍廣又非常經(jīng)濟。而想要達到這樣的要求就必須不斷創(chuàng)新不斷改進。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 姚洪江.基于全數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)地研究.http：</p><p>　　//59.77.139.83/kns50/detail.aspx?QueryID=3&CurRec=21，2000-06/200

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99、 /IR2113 Data Sheet. http: //www.21ic. com.</p><p>　　[21] International Rectifier TLP250 Data Sheet. http: //www.21ic. cm..</p><p>　　[22] International Rectifier PC817 Data Sheet. http: //www.21