基于单片机的直流电动机闭环调速控制系统设计

基于单片机的直流电动机闭环调速控制系统设计内容摘要：

，工作电压比较高，可以达到 600V，其内设欠压封锁，成本低、易于调试。 高压侧驱动采用外部自举电容上电，与其他驱动电路相比，它在设计上大大减少了驱动变压器和电容的数目，使得 MOSFET 和 IGBT 的驱动电路设计大为简化，而且它可以实现对MOSFET 和 IGBT 的最优驱动，还 具有快速完整的保护功能。 与此同时， IR2110 的研制成功并且投入应用可以极大地提高控制系统的可靠性。 降低了产品成本和减广州大学毕业论文（设计）用纸 少体积。 IR2110 的引脚图以及功能 引脚 1（ LO）与引脚 7（ HO）：对应引脚 12 以及引脚 10 的两路驱动信号输出端，使用中，分别通过一电阻接主电路中下上通道 MOSFET 的栅极，为了防止干扰，通常分别在引脚 1与引脚 2以及引脚 7与引脚 5 之间并接一个 10KΩ的电阻。 引脚 2（ COM）：下通道 MOSFET 驱动输出参考地端，使用中，与引脚 13（ Vss）直接相连，同时接主电路桥臂下通道 MOSFET 的源极。 引脚 3（ Vcc）：直接接用户提供的输出极电源正极，并且通过一个较高品质的电容接引脚 2。 引脚 5（ Vs）：上通道 MOSFET 驱动信号输出参考地端，使用中，与主电路中上下通道被驱动 MOSFET 的源极相通。 与引脚 6（ VB）：通过一阴极连接到该端阳极连接到引脚 3的高反压快恢复二极管，与用户提供的输出极电源相连，对 Vcc 的参数要求为大于或等于 — ，而小于或等于 +20V。 引脚 9（ VDD）：芯片输入级工作电源端，使用中，接用户为该芯片工作提供的高性能电源，为抗干扰，该端应通过一高性能去 耦网络接地，该端可与引脚 3（ Vcc）使用同一电源，也可以分开使用两个独立的电源。 引脚 10（ HIN）与引脚 12（ LIN）：驱动逆变桥中同桥臂上下两个功率 MOS器件的驱动脉冲信号输入端。 应用中，接用户脉冲形成部分的对应两路输出，对此两个信号的限制为 至 Vcc+，这里 Vss 与 Vcc分别为连接到 IR2110 的引脚 13（ Vss）与引脚 9（ VDD）端的电压值。 引脚 11（ SD）：保护信号输入端，当该引脚为高电平时， IR2110 的输出信号全部被封锁，其对应的输出端恒为低电平，而当该端接低电平时， 则 IR2110 的输出跟随引脚 10与 12 而变化。 引脚 13（ Vss）：芯片工作参考地端，使用中，直接与供电电源地端相连，所图 16 IR2110引脚图 广州大学毕业论文（设计）用纸 有去耦电容的一端应接该端，同时与引脚 2直接相连。 引脚 引脚 1引脚 4：为空引脚。 芯片参数： 1． IR2110 的极限参数和限制： 最大高端工作电源电压 VB： 至 525V 门极驱动输出最大（脉冲）电流 IOMAX： 2A 最高工作频率 fmax： 1MHz 工作电源电压 Vcc： 至 25V 贮存温度 Tstg： 55 至 150176。 C 工作温度范围 TA： 40至 125176。 C 允许最高结温 Tjmax： 150176。 C 逻辑电源电压 VDD： 至 VSS+25V 允许参考电压 Vs临界上升率 dVs/dt： 50000V/μ s 高端悬浮电源参考电压 Vs： VB25V 至 VB+ 高端悬浮输出电压 VHO： 至 VB+ 逻辑输入电压 VIN： 至 VDD+ 逻辑输入参考电压 Vss： Vcc25V 至 Vcc+ 低端输出电压 VLO： 至 Vcc+ 功耗 PD： DIP14封装为 2． IR2110 的推荐工作条件： 高端悬浮电源绝对值电压 VB： Vs+10V 至 Vs+20V 低端输出电压 VLO： 0至 Vcc 低端工作电源电压 Vcc： 10V 至 20V 逻辑电源电压 VDD： Vss+5V 至 Vss+20V 逻辑电源参考电压 Vss： 5V 至 +5V 广州大学毕业论文（设计）用纸 IR2110 工作原理 图 17 IR2110外围接线 IR2110 典型接线如图 所示 ,其中 V DD采用 5～ 20V 电源 ,适应 TTL 或 CMOS 逻辑信号输入 ,V CC为 10～ 20V 功率管门极驱动电源 ,由于 V SS可与 COM 连接 ,则 V CC与 V DD可共用同一个典型值为 + 15V的电源。 图中 ,C2为自举电容 , Vcc经 VDC负载、 VT2 给 C2充电 ,以确保 VT2 关闭、 VT1开通时 ,VT1管的栅极靠 C2 上足够的储能来驱动 ,从而实现自举式驱动。 若负载阻抗较大 ,C2经负载降压充电较慢 ,使得 VT2 关断、 VT1 开通 ,C2上的电压仍充电不到自举电压 以上时 ,输出驱动信号会因欠压被片内逻辑封锁 ,VT1 就无法正常工作。 为此 ,要么选用小容量电容 ,以提高充电电压。 要么为 C2 提供快速充电通路。 要么取掉 VD1,直接给 V B、 V S加另一个 10～ 20V 隔离电源。 对于全桥型逆变器 ,由于 A、 B两 端连在一起。 无需经过负载充电 ,这种形式自举工作仅是 C2 选择问题 ,易于处理。 显然每个周期 VT1 开关一次 ,C2 就通过 VT2开关充电一次 ,因此自举电容 C2 的充电还与输入信号 HIN 、 LIN的 PWM脉冲频率和脉冲宽度有关 ,当 PWM工作频率过低时 ,若 VT1 导通脉宽较窄 ,自举电压 8. 3V 容易满足。 反之无法实现自举。 因此 ,要合理设置 PWM 开关频率和占空比调节范围 ,C2 的容量选择考虑如下几点 : (1) PWM开关频率高 , C2 应选小。 (2) 尽量使自举上电回路不经大阻抗负载 ,否则应为 C2 充电提供快 速充电通路。 (3) 对于占空比调节较大的场合 ,特别是在高占空比时 ,VT2 开通时间较短 ,C2 应选小 ,否则 ,在有限时间内无法达到自举电压。 (4) C2 的选择应综合考虑 PWM 变化的各种情况 ,监测 H0 、 V S 脚波形进行广州大学毕业论文（设计）用纸 调试是最好的方法。 这里选有 C2为胆电容 1uF,C3为瓷片电容，在 C3并上 1uF的胆电容，由示波器可以看出波形平稳，正常。 胆电容响应速度快，也不像电解电容有漏电流，所以这里选用胆电容。 本设计的 PWM频率为 100hz左右，相对 IR2110所支持的频率为低频率，所以选用 C2为 1uF，通过 示波器，可以看到实验波形正常。 光耦隔离设计 光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。 输入的电信号驱动发光二极管（ LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。 这就完成了电 — 光 —电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。 由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。 又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。 本设计使用的是 TLP5212 芯片，该芯 片由两个光耦期间组成，如图。 通过 TLP521 光耦合器 隔离了单片机与驱动模块的联系，保护了单片机，又使到5V的信号转变成 15V 驱动 IR2110 芯片工作。 H 桥驱动设计 1．电机的正反转驱动原理 图 18 光耦隔离 广州大学毕业论文（设计）用纸 如图，当开关 S S2 接通， S S4 同时关断时，电流从电机的左边流向右边，电机正转；反之，但开关 S S2关断， S S4同时接通时，电流从电机的右边流向左边，电机反转；当开关 S S2 接通， S S4同时关断，则电机瞬时停下。 2 功 率管的选择 ※根据电机功率（负载）对主电路器件、功率管的选择等进行分析计算 在直流电机控制中常用 H 桥电路作为驱动器的功率驱动电路。 由于功率MOSFET 是压控元件，具有输入阻抗大、开关速度快、无二次击穿现象等特点，满足高速开关动作需求，因此常用功率 MOSFET 构成 H桥电路的桥臂。 H桥电路中的 4 个功率 MOSFET 分别采用 N 沟道型和 P 沟道型，而 P 沟道功率MOSFET 一般不用于下桥臂驱动电机，这样就有两种可行方案：一种是上下桥臂分别用 2 个 P沟道功率 MOSFET 和 2 个 N沟道功率 MOSFET；另一种是上下桥臂均用 N 沟道功率 MOSFET。 相对来说，利用 2 个 N沟道功率 MOSFET 和 2个 P沟道功率 MOSFET 驱动电机的方案，控制电路简单、成本低。 但由于加工工艺的原因， P 沟道功率 MOSFET的性能要比 N 沟道功率 MOSFET 的差，且驱动电流小，多用于功率较小的驱动电路中。 而 N 沟道功率 MOSFET，一方面载流子的迁移率较高、频率响应较好、跨导较大；另一方面能增大导通电流、减小导通电阻、降低成本，减小面积。 综合考虑系统功率、可靠性要求，以及 N 沟道功率 MOSFET 的优点，本设计采用 4个图 19 H 桥驱动原理 广州大学毕业论文（设计）用纸 相同的 N 沟道功率 MOSFET 的 H桥电路，具备较 好的性能和较高的可靠性，并具有较大的驱动电流。 IRF740 是 N 沟道增强模式硅栅功率场效应晶体管 ，它 是一种先进的功率MOSFET 的设计，并保证能够承受的水平能源在雪崩击穿的运作模式。 可以 应用在 开关稳压器，开关转换器，电机驱动器，继电器驱动器和驱动器的高功率双极晶体管开关需要高速和低栅极驱动电源。 可以直接从 应用于 集成电路。 IRF740 的参数 1） 工作最大电流电压： 10A， 400V； 2）导通时 rDS（ on）＝ ； 3） 单脉冲雪崩能量额定 4） 高输入阻抗 利用 IRF740 的高耐压性可以驱动 大功率电机，让MOSFE。