基于单片机的直流调速系统的设计_毕业论文(编辑修改稿)

基于单片机的直流调速系统的设计_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

T的专用驱动集成电路 ,正是因为具有这种优势，他被广泛应用于 马达调速、电源变换等功率驱动领域。 这个电路芯片的特点是成本低，偏值电压高 ( 600V)，集成度高 (可驱动同一桥臂两路 ) ，体积小 (DIP14 )，响应快 ( ton/tof= 120/94 ns)，而且驱动能力强 , 内设欠压封锁，易于调试 ,除此之外，它还拥有外部保护封锁端口。 为了使得驱动电源路数目较其他 IC驱动大大减小，它的上管驱动采用外部自举电容上电。 只需一路 10一 20V电源， 2片 IR2110驱动 2个桥臂就能应对 4管构成的全桥电路，这样做的优点很多，提高了系统的可靠性，降低了产品成本，大大减小了控制变压器的体积和电源数目。 IR2110 的引脚图以及功能 HOUBUsNcV c cC O MNCV SSLINSDH INV DDNCLO 图 32 IR2110管脚图 IR2110 使用了两种工艺，分别是闩锁抗干扰 CMOS 工艺和 HVIC，不管是高端还是低端，他们的输出通道都是独立的；但是与标准的 CMOS 输出比较起来，它的逻辑输入是兼容的；并且自举电路用于浮置电源， 500V 是它工作电压可以达到的最大值，du/dt=177。 50V/ns，当条件为小于等于 15V 时，只有 是它的静态功耗； 10～ 20V的电压范围为输出的栅极驱动电压， 5～ 15V 的电压范围就是它的逻辑电源电压，存在电压偏移的是逻辑电源，－ 5V～＋ 5V 就是它的电压偏移范围。 CMOS 施密特触发被应用于 IR2110 输入，滞后欠压锁定存在于两路。 正是因为采用了推挽式驱动所以使得大于等于 2A成为它的输出峰值电流，如果 1000pF 就是它的负载时，那么 25ns 就是它的开关时间。 120ns 为两路匹配传输导通延时， 94ns 为关断延时。 可以承受反向电流的是 IR2110 的脚 10，它最大能够承受 2A 的反向电流。 P W M 1 P W M 2VbHOVsLOH INL INSDC O MVb HO Vs LOH IN L IN SDC O MIR 2 1 1 0R9 R 1 0R 1 1 R 1 2VD 10VD 11IR 2 1 1 0C4 C5P W M 1 P W M 2U g1U g2 U g3 U g4V s s V s s 图 33 IGBT驱动电路 元器件的选择比较、选型 本设计采用 IGBT， IGBT 作为大功率的电路驱动器件，具有以下优点： (1)IGBT 在正常工作时，导通电阻较低，增大了器件的电流容量。 (2)IGBT 的输出电流和跨导都大于相同尺寸的功率 MOSFET。 (3)较宽的低掺杂漂移区（ n区）能够承受很高的电压，因而可以实现高耐压的器件。 (4)IGBT 利用栅极可以关断很大的漏极电流。 (5)与 MOSFET 一样， IGBT 具有很大的输入电阻和较小的输入电容，则驱动功率低，开关速度高。 虽然当 IGBT 关断（栅极电压降为 0）时， IGBT 的漏极电流也就相应地不能马上关断，即漏极电流波形有一个较长时间的拖尾 —— 关断时间较长（ 10～50ms），所以 IGBT 的工作频率较低。 但这本设计中 IGBT 仍然是本设计驱动的最理想器件。 IGBT 型号选择：（ 1） IGBT 承受的正反向峰值电压： VVUU ir m 0 92 2 04 1  （ 31） 考虑到 ，可选 IGBT 的电压为 900V。 （ 2） IGBT 导通时承受的峰值电流 : AIIi r m 1  （ 32） 额定电电压按 220V 供电电压、额定功率 10kVA 容量算。 在计算出（或测出）最大电压后，再留有 20%~30%的裕量，选用的 IGBT 型号为三菱公司的 CT60AM18F，其耐压值为 900V，最大峰值电流 30A，完全满足设计要求。 H 桥双极性主电路 从上面的原理可以看出，产生高压侧门极驱动电压的前提是低压侧必须有开关的 动作，在高压侧截止期间低压侧必须导通，才能够给自举电容提供充电的通路。 因此在这个电路中， VT VT4或者 VT VT3是不可能持续、不间断的导通的。 我们可以采取双 PWM信号来控制直流电机的正转以及它的速度。 将 IC1的 HIN端与 IC2的 LIN端相连，而把 IC1的 LIN端与 IC2的 HIN端相连，这样就使得两片芯片所输出的信号恰好相反。 在 HIN为高电平 期间， VT VT4导通，在直流电机上加正向的工作电压。 其具体的操作步骤如下： 电源经 VT1至电动机的正极经过整个直流电机后再通过 VT4到达零电位，完成整个的回路。 此时直流电机正转。 在 HIN为低电平期间， LIN端输入高电平， VT VT3导通，在直流电机上加反向工作电压。 其具体的操作步骤如下： 电源经 VT3至电动机的负极经过整个直流电机后再通过 VT2到达零电位，完成整个的回路。 此时，直流电机反转。 因此电枢上的工作电压不是单极性的矩形脉冲波形，而是双极性矩形脉冲波形，电动机的转速和转向是由矩形脉冲电压的平 均值来决定的，原因在于存在着机械惯性的缘故。 设 PWM波的周期为 T ， HIN为高电平的时间为 1t ，这里忽略死区时间，那么 LIN为高电平的时间就为 1tT。 HIN信号的占空比为 TtD /1。 设电源电压为 V， 那么电枢电压的平均值为： VVV )12(/)2(/)]([ 111  DTTtTtTtV out (33) 定义负载电压系数为 λ ， /VVλ out 那么 12  Dλ ；当 T为常数时，改变 HIN为高电平的时间 1t ，也就改变了占空比 D ，从而达到了改变 outV 的目的。 D 在 01之间变化，因此 λ 在177。 1之间变化。 如果我们联系改变 λ ，那么便可以实现电机正向的无级调速。 当  时， 0outV ,此时电机的转速为 0； 当 150 λ. 时， outV 为正，电机正转； 当 1λ 时， VVout  ,电机正转全速运行。 MGM O T O R D CV T 1V T 2VD1VD2V T 3V T 4VD3VD4U g1U g2U g3U g4Us 图 34 桥式可逆 PWM变换器电路 双极式控制可逆 PWM 变换器的四个驱动电压波形如图 35所示。 OOOOU g1 U g4U g2 U g3U ABUsU sidid1id2 ttttton Tton T 图 35 PWM变换器的驱动电压波形 他们的关系是： 3241 gggg UUUU 。 在一个开关周期内，当 ontt0时，晶体管 1VT 、 4VT 饱和导通而 3VT 、 2VT 截止，这时 sAB UU 。 当 Ttton  时，1VT 、 4VT 截止，但 3VT 、 2VT 不能立即导通，电枢电流 di 经 2VD 、 3VD 续流，这时 sAB UU 。 ABU 在一个周期内正负相间，这是双极式 PWM变换器的特征，其电压、电流波形如图 2 所示。 电动机的正反转体现在驱动电压正、负脉冲的宽窄上。 当 正脉冲较宽时， 2Tton，则 ABU 的平均值为正，电动机正转，当正脉冲较窄时，则反转；如果正负脉冲相等， 2Tton，平均输出电压为零，则电动机停止。 双极式控制可逆 PWM 变换器的输出平均电压为 sononsond )UTt(T tTUTtU 12  (34) 如果定义占空比 Ttρ on ，电压系数sdUUγ 则在双极式可逆变换器中 12  ργ 调速时， ρ 的可调范围为 0～ 1 相应的 11  ~γ。 当 21ρ 时， γ 为正，电动机正转；当 21ρ 时， γ 为负，电动机反转；当 21ρ 时， 0γ ，电动机停止。 但电动机停止时电枢电压是正负脉宽相等的交变脉冲电压，它并不等于零，从这里也可以看出电流也是交变的。 因为存在正负脉宽相等条件，对交变电流的平均值而言，它的值也等于零，因而平均转矩是不产生，双极式控制有个很大的缺点就是它会徒然增大电动机的损耗。 虽然这个缺点无法避免，但是它的好处还是很明显的，那就是高频微震电流存在于电动机停止时，正是因为这一点，正、反向时静摩擦死区被有效的消除了，“动力润滑”的作 用因此而得名。 双极式控制的桥式可逆 PWM 变换器有以下优点： 1）可使电动机在四象限运行。 2）低速平稳性好，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。 3）电流一定连续。 4）电动机停止时有微震电流，能消除静摩擦死区。 检测回路 检测回路利用光电编码器将转速直接转换成数字信号送入单片机进行处理。 光电编码器 编码器是一种转换装置，它能把直线位移或角位移转换成电信号。 前者成为码尺，后者称码盘。 编码器如果按照读出方式来分的话可以分为非接触式和 接触式两种。 非接触式的接受敏感元件是磁敏元件或光敏元件，光敏元件时常常使用以不透光区和透光区来表示代码的状态是“ 0”还是“ 1”；接触式采用电刷输出，一电刷接触绝缘区或导电区来表示代码的状态是“ 0”还是“ 1”。 同理，编码器如果按照工作原理来分的话可分为绝对式 和 增量式两种。 绝对式编码器的特点为一个确定的数字码对应每一个位置，因此它的示值与测量的中间过程无关，而只与测量的起始和终止位置有关。 增量式编码器与绝对式编码器原理一点也不相同，它的原理是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，然后用脉 冲的个数来表示位移的大小。 通过比较 增量式和绝对式的特点及优缺点，我们可以确定 本设计可以采用增量式光电编码器来采样转速信号，如图 36所示。 增量式编码器最大的优势是专门用来测量转动角位移的累计量。 下面我们这里以三相编码器为例来介绍增量式编码器的结构及其工作原理。 图 36 编码器原理图 圆盘上有规则地刻有不透光和透光的线条是增量式光电编码器非常显著地特点，在圆盘两侧分别安放光敏元件和发光元件。 一旦 当圆盘随电机旋转时，光敏元件输出的脉冲是这样形成的，光敏元件接受的光增量会随透光线条同步变化，它输出的波形经过整形后便形成了脉冲。 码盘上有向标志，每转一圈 z相输出一个脉冲。 码盘提供相位相差 90176。 的两路脉冲信号 ,并以此来 判断旋转方向。 复位计数器采用编码盘输出的 z相脉冲，每转一圈复位一次计数器。 将 A、 B两相脉冲中任何一相输入计数器中，均可使计数器进行计数。 用 D触发器的输出信号 Q来判断编码盘的旋转方向。 D触发器的时钟端和 D输入端分别接整形后的 A、 B两相输出信号，采用 A相脉冲的上升沿来触发 D触发器的 CLK端。 电机的转动方向是这样确定的，由于 A、 B两相的脉冲相位相差 90176。 ，当电机反转时， A 相脉冲超前 B相脉冲 90176。 ，则 D触发器总是在 B脉冲为低电平时触发，这时 Q输出端输出为低电平。 当电机正转时， B相脉冲超前 A相脉冲 90176。 ，触发器总是在 B脉冲为高电平时触发，这时 D触发器的输出端 Q输出为高电平。 为了在较宽的速度范围内获得快速和高精度的数字测速，选用转速传感器时本设计采用每转 1024线的光电编码器，它产生的测速脉冲频率与电机转速有固定的比列关系，微机对该频率信号采用 M/T法测速处理。 之所以要保证转速检测的快速性和精度，是因为转速检测的快速性和精度对电机调速系统的静、动态性能影响极大。 M/T 法测速原理 M/T法测速原理是在对时钟脉冲的个数 2m 进行计数的同时对光电编码器输出的测速脉冲数 1m 也 进行计数。 原理如图 37： 图 37 M/T法测速原理 测速时间 dT 由测速脉冲来同步，即由图 37电路实现 dT 等于整 1m 个脉冲周期。 设从图 37上 a点开始，计数器分别对 1m 和 2m 计数，到达 b点，预计的测速时间 cT 到，微机发出停机指令，但因为 cT 不一定恰好等于整数个编码输出脉冲周期，所以计数器仍对时钟脉冲计数，直到 c点时，可以利用下一个转速脉冲上升沿（即 c点）触发数字测速硬件电路使计数器停止计数。 这样， 2m 代表了 1m 个测速脉冲周期的时间。 设时钟脉冲频率为 0f ，光电编码器每转发出 p个 脉冲，则电机转速的计算公式为： 20160 mz fmn   (35) 由于 M/T 法的计数值 1m 和 2m 都随着转速的变化而变化，高速时，相当于 M法测速，最低速时， 11。