伺服电机控制与设计-职业学院毕业论文

山东 凯文 科技职 业学 院山东 凯文 科技职 业学 院（论（论文）文） 题目伺服电机控制器 专业电子信息工程技术 学生姓名孟国林 班级学号0903010128 指导教师李凤鸣 指导单位电子学院 日期：2012年3 月至 2012 年6 月 目录目录 目录. 第第 1 章章绪论绪论. 1.1 直流伺服电动机发展及现状. 第第 2 章章直流伺服电动机的工作过程直流伺服电动机的工作过程.- 2 - 2.1 直流伺服电动机基本组成.- 2 - 2.2 直流伺服电动机的工作原理.- 3 - 第第 3 章章基于单片机的调速系统硬件设计基于单片机的调速系统硬件设计. 3.1 供电电源设计. - 5 - 3.2 检测电路设计. - 7 - 3.2.1 位置检测. 3.2.2 整形电路. 3.2.3 正反转控制. 3.2.4 电流检测电路. 3.3 主功率和驱动电路.- 11 - 3.3.1 主功率电路. 3.3.2 功率驱动电路. 3.4 过流过压保护电路. - 16 - 3.4.2 过压、欠压保护电路. 3.5 键盘与显示电路. - 18 - 3.5.1 键盘电路.- 18 - 3.5.2 显示电路. 第第 4 章章基于单片机的调速系统软件设计基于单片机的调速系统软件设计. 4.1 程序设计思想. - 21 - 4.2 主程序.- 21 - 4.2.1 初始化程序. 4.2.2 键处理程序设计. 4.2.3 LED 动态显示子程序. 4.3 捕捉中断服务程序. - 27 - 4.4 采样中断服务程序. - 28 - 4.4.1 转速计算子程序. 4.4.2A/D 转换子程序.- 29 - 4.4.3 波形发生控制程序. 山东凯文科技职业学院 II 基于基于 80C196MC 单片机直流伺服电机调速系统单片机直流伺服电机调速系统 摘要摘要 本文主要论述三相直流伺服电机调速系统的设计方法。主控单元为伺服电机专用控制芯片 80C196MC，辅以键盘、显示器、检测电路、功率电路、驱动电路、保护电路等。直流伺服电机内置 3 个霍尔传感器，用于检测转子的位置，决定电机的换相，系统根据该信号计算电机的转速，用于 实现速度反馈控制。 系统给定转速由键盘输入，并能实时显示转速；功率芯片选用性能价格比较高的快速 MOSFET； 功率驱动选用带保护电路和过流输出的集成芯片 IR2130，可实现电机的高频快速起动；系统还设置 了电流采样电路，与速度反馈电路组成双闭环系统，可以实现电机的快速起动并获得良好的带负载 性能，达到了设计任务书的要求。 软件方面根据直流伺服电动机的组成、脉宽调制和工作原理，结合 80C196MC 的硬件部分和软件 编程的特点，设计了无刷直流调速系统的软件。系统软件分为主程序和中断程序两大主块，主程序 完成系统的初始化， LED 显示器扫描和键盘功能处理程序等部分。 关键字：直流伺服电动机；16 位单片机；位置传感器；闭环系统；MOSFET；功率驱动 山东凯文科技职业学院 III 第第 1 章章绪论绪论 1.1 直流伺服电动机发展及现状直流伺服电动机发展及现状 传统直流电机采用机械机构（电刷）进行换向，因而存在机械摩擦，并由此带来电磁噪声、换 向火花、以及寿命短等缺点，再加上制造成本高、维修困难，从而极大的限制了它的发展和应用范 围。针对传统直流电动机的弊病，早在 20 世纪 30 年代就有人开始研制以电子换向代替机械换向的 直流无刷电动机。经过几十年的努力，终于在 60 年代实现了这一愿望。 在此之后，又相继出现了新型永磁材料钐钴、钐铝、钦铁硼，它们具有高剩磁密度，高矫顽力 以及高磁能积等优异磁性能，使永磁电机有了较大发展。但是钐和钴的价格昂贵，限制了永磁无刷 电机的前进步伐。直到八十年代初期，价格较低的钦铁硼永磁材料研制成功，开创了稀土永磁电机 的新纪元，并为其在民品工业中的应用开辟了广阔前景，现已在医疗器械、仪器仪表、化工、纺织 及家用电器等领域日益普及 12。 进入 90 年代以来， 随着电力电子工业的飞速发展， 许多高性能半导体功率器件， 如 GTR、 MOSFET、 IGBT、MCT 等相继问世，以及微处理器、大规模集成电路技术的发展，逆变装置也发生了根本性的 变化。这些开关器件本身向着高频化、大容量、智能化方向发展，并出现集半导体开关、信号处理、 自我保护等功能为一体的智能功率模块（正 M）和大功率集成电路，使直流伺服电动机的关键部件 之一逆变器的成本降低，且向高频化、小型化发展。同时，永磁材料的性能不断提高和完善，特 别是钕、铁、硼永磁材体的热稳定性和耐腐蚀性的改善，加上永磁电机研究和开发经验的逐步成熟， 稀土永磁直流伺服电动机的应用和开发进入一个新阶段，目前正朝着超高速、高转矩，高功能化、 微型化方向发展 3。 山东凯文科技职业学院 - 2 - 第第 2 章章直流伺服电动机的工作过程直流伺服电动机的工作过程 直流伺服电动机是近几十年来随着电力电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型电动机，其 基本工作原理是借助反映转子位置的位置信号，通过驱动电路驱动逆变电路的功率开关元件，使电 枢绕组依一定顺序导通，从而在电机气隙中产生旋转磁场，拖动永磁转子旋转。随着转子的转动， 转子位置信号依一定规律变化，从而改变电枢绕组的通电状态，实现直流伺服电动机的机电能量转 换。 2.1 直流伺服电动机基本组成直流伺服电动机基本组成 直流伺服电动机的结构原理图如图 2.1 所示。它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线 路三部分组成。 图图 2.12.1 直流伺服电动机结构原理图直流伺服电动机结构原理图 D1 Q1 NPN D4 Q4 NPN D2 Q2 NPN D5 Q5 NPN D3 Q3 NPN D6 Q6 NPN M1 M4 M2 M5 M3 M6 U 31 30 29 R1 BLDCM 逆变器 驱动电路 主控单元 速度给定 位置传感器 A B C 山东凯文科技职业学院 - 3 - 2.2 直流伺服电动机的工作原理直流伺服电动机的工作原理 直流伺服电动机的工作原理有刷直流电机由于电刷的换向，使得由永久磁钢产主的磁场与电枢 绕组通电后产生的磁场在电机运行过程中始终保持垂直从而产生最大转矩，使电机运转。直流伺服 电动机的运行原理和有刷直流电机基本相同，即在一个具有恒定磁通密度分布的磁极下，保证电枢 绕组中通入的电流总量恒定，以产生恒定的转矩，且转矩只与电枢电流的大小有关。直流伺服电动 机的运行还需依靠转子位置传感器检测出转子的位置信号，通过换相驱动电路驱动与电枢绕组连接 的各功率开关管的导通与关断，从而控制定子绕组的通电，在定子上产生旋转磁场，拖动转子旋转。 随着转子的转动，位置传感器不断地送出信号，以改变电枢的通电状态，使得在同一磁极下的导体 中的电流方向不变。因此，就可产生恒定的转矩使直流伺服电动机运转起来。直流伺服电动机三相 绕组主回路基本类型有三相半控和三相全控两种。三相半控电路的特点是简单，一个功率开关控制 一相的通断，每个绕组只通电 1/3 的时间，另外 2/3 时间处于断开状态，没有得到充分的利用。所 以我们采用三相全控式电路，如图 2.3 所示。 图 2.3 三相全控桥两两导通电路 在图 2.2 中，电动机的绕组为星形联结。1Q、2Q6Q为六个功率器件，起绕组的开关和 驱动作用。同时我们采用两两导通方式，所谓两两导通方式是指每一个瞬间有两个功率管导通，每 隔 1/6 周期（60电角度）换相一次，每次换相一个功率管，每一功率管导通 120电角度。各功 率管的导通顺序51QQ61QQ62QQ42QQ43QQ53QQ51QQ。当功率管51QQ导 通时，电流从1Q管流入 A 相绕组，再从 C 相绕组流出，经5Q管回到电源。二相导通的星形三相六 D1D2D3 M1 M6 M2 M4 M3 M5 U Q3 Q2Q1 D4D5D6 Q6 Q5Q4 L1 L2L3 A BC 山东凯文科技职业学院 - 4 - 状态的导通顺序表如表 2.1 所示。 表表 2.1 两两导通的导通顺序表两两导通的导通顺序表 时间（电角度） （C ） 060120180240300360 导通顺序UVW VWUV BG1导通导通 BG2导通导通 BG3导通导通 BG4导通 BG5导通导通导通 BG6导通导通 山东凯文科技职业学院 - 5 - 第第 3 章章基于单片机的调速系统硬件设计基于单片机的调速系统硬件设计 传统的直流伺服电动机控制系统一般由模拟器件以硬接线方式构成。模拟控制系统价格便宜， 使用方便，在很长一段时间里，它们是构成各类电机控制系统的主要手段。然而模拟元件的物理特 性决定了它们具有一些本质上的缺陷，例如元件老化，特征参数受温度影响等，使它很难满足现代 电子系统的设计要求。因此，数字控制系统应运而生。数字控制系统一般以可编程微处理器为硬件 核心，通过控制软件来实现系统的功能。 3.1 供电电源设计供电电源设计 供电电路分别为单片机、运算放大器、功率驱动芯片和无刷电机提供电源。如图 4.1 所示 图图 3 3.1.1 供电电源电路供电电源电路 供电电路中，使用两组变压器、使主电路和控制电路分开供电，提高电路的可靠性。其中控制 电路组经整流桥整流后，再用F2200电容滤波，pF 4 10电容过滤高频；然后使用两块稳压块。 稳压块的作用是将电压进行降压处理并稳定为某一固定的值后输出，如三端稳压块 7805、7812 BRIDGE1 Vin 1 GND 2 Vout 3 U2 7805 C1 2200F C3 104 Vin 1 GND 2 Vout 3 U1 7812 C4 103 AC220V1 TRANS4 AC12V BRIDGE1 L1 C2 2200F AC24V +5V +12V Q1 NPN +24V R1 2K Z1 24V C5 103 C6 100F 山东凯文科技职业学院 - 6 - 可将小于V35的电压分别降成稳定的V5、V12。为了改善稳压器的瞬态响应须在输出端加接一 只并联电容，其值约为F1 . 0。稳压块比只使用一只稳压二极管进行稳压的电路要好得多，成本也 不是很高，所以得到了广泛的应用。 7812 输出V12用于运算放大器、功率驱动器、高共模抑制比隔离运算放大器；另一块输出 V5用于单片机、光电隔离器、或门、LED 驱动、施密特触发器等。 主电路组变压器输出经滤波电容后再经过平波电抗器，使输出的直流电流更平滑，也可以有效 抑制电路中的瞬时过流。由于主电流电流较大，不适合使用三端稳压块稳压。所以输出使用由齐纳 稳压管和达林顿管构成的简单串联稳压电路，具有电路简单、输出电流大、稳压效果好，特别是体 积小等特点 17。 达林顿管选用 MAXIUM(美信)公司的 2N6038，基WPCM40，AICM4，VVCEO60， 2500 FE H， 稳压管使用 IN6009， 最大耗散功率为W5 . 0， 稳压值为V24， 最大工作电流为mA18。 该电路稳压过程如下： 1当输入电压不变，而负载电压变化时，其稳压过程如下： 2当负载不变，输入电压 U 增加时，其稳压过程如下： 3当 I U增加时，输出电压 O U有升高趋势，由于三极管基极电位被稳压管固定，故 O U 的增加将使三极管发射结上正向偏置电压降低，基极电流减小，从而使三极管的集射极间的电阻增 大， CE U增加，于是，抵消了 O U的增加，使 O U基本保持不变。 变压器功率计算：功率驱动电路W3015；V5供电电路WAV515；V12供电电路 WAV12112；电路损耗（约 5W） 0 I BE U B I C I CE UO U O U I U O U BE U B IIc CB U O U 山东凯文科技职业学院 - 7 - 总功率为WWWW)5237(5125)3015( 选 45W 双输出变压器，共有两路输出，一路为 12V，另一路为 24V。 3.2 检测电路设计检测电路设计 3.2.1 位置检测位置检测 样机的永磁转子结构如图 4.2 (a)所示。由于电机绕组为三相四极，电机内部的霍尔元件数和 永磁块数均为三个，三个传感元件在空间上互差 60机械角度分布，且每个传感元件与其对应的相 绕组轴线之间的机械夹角为 15，它们通过固定件固定在电机机座上，为了以后讨论方便，将三个 传感元件分别编号为 a H、 b H、 c H。位置传感器整体安装图见图 4.2(b)。 图图 3 3.2.2（a a）无刷电机转子结构图）无刷电机转子结构图图图 3 3.2.2（b b）霍尔传感器安装正视图）霍尔传感器安装正视图 当电机转轴逆时针移动时，遮挡盘的齿部进入霍尔传感器定子内，此时由于永磁块的磁力块的 磁力线被齿部所短路，磁力线不穿越霍尔元件，霍尔元件输出为“1”(高电平);当齿部离开时，磁 力线穿越霍尔元件，霍尔元件输出为“0”(低电平)。这样，根据这三个霍尔元件的输出状态，就可 以准确地确定转子的磁极位置。例如，齿部准备进入 a H时，则 a H、 b H、 c H的输出为 001，随 电机旋转，齿部进入 a H，则 a H、 b H、 c H的输出为 101，再转动， a H、 b H、 c H的输出变为 100，如此反复，位置编码如下所示： Sa Sb Sc S NS N 001101100011 110 010 山东凯文科技职业学院 - 8 - a H、 b H、 c H的波形如图的波形如图 4.3 所示。所示。 图图 3 3.3.3 传感器位置信号波形传感器位置信号波形 从图 3.3 可以看出： 1 a H、 b H、 c H的输出波形为三个脉宽为 180电角度的矩形波； 2在空间 360(机械角度)范围内，都有一个状态编码与转子位置对应； 3每一个编码都持续 30机械角度，即 60电角度。 3.2.2 整形电路整形电路 光电位置传感器电路输出的位置信号波形其实并不规整，需加入施密特整形电路。施密特整形 电路如图 4.4 所示。 图图 3 3.4.4 施密特整形电路施密特整形电路 a S b S c S 89 U1D 74HC14 1213 U1F 74HC14 1011 U1E 74HC14 34 U1B 74HC14 56 U1C 74HC14 12 U1A 74HC14 U2 6N136 U3 6N136 U4 6N136 R4 1K R5 1K R6 1K Ha Hb Hc R2 1K R1 1K R3 1K VCC 15V C1 103 C2 103 103 P2.4 P2.5 P2.6 P0.0 单片机 山东凯文科技职业学院 - 9 - 霍尔位置传感器输出信号Ha、Hb、Hc，经高速光电隔离器 6N136 隔离后，再经过施密特触 发器整形。光隔的输入或输出一般须串电阻，防止光隔内部电流过大而老化，一般选用WK4/1/1。 74HC14 是施密特输入反相器芯片，输入电平从低到高的翻转电平高于从高到低的翻转电平，使 输入缓慢变化或不太规则变化的边沿整形成陡峭的边沿。为了使输入的信号同相，使用两级反相器， 使整形作用更好，而且不改变输入信号的相位。整形后的信号1H、2H、3H分两路送入单片机。 一路用于测速，另一路用于确定相顺序。 3.2.3 正反转控制正反转控制 表表 4.14.1 检测信号与逆变桥的控制关系表检测信号与逆变桥的控制关系表 只要改变开关管的通电顺序就可以实现直流伺服电动机的正反转控制。检测信号与逆变桥的控 制关系如表 4.1 所示。通过表中的导通关系，在软件中设置一个列表，进行正反转控制时，只要查 询该表调用相应的控制字即可实现正反转控制。 3.2.4 电流检测电路电流检测电路 在该电机转速控制系统中，为了得到较好的动态性能，以及对主电路电流进行监控，需要对主 电路电流信号进行采样反馈。相电流检测环节的目的是对主电路电流信号进行检测。采样电流信号 一般情况下有两种方式：采样电阻和电流传感器。采样电阻可以直接将主电路电流信号转化为电压 信号送给控制电路，简单、方便、而且频响好、输出电压直接正比于主电路流过的电流 1617。 捕获单元状态正向电动正向制动反向电动反向制动 101Q6Q1Q3Q4Q3Q4Q6Q1 001Q1Q2Q4Q5Q4Q5Q1Q2 011Q2Q3Q5Q6Q5Q6Q2Q3 010Q3Q4Q6Q1Q6Q1Q3Q4 110Q4Q5Q1Q2Q1Q2Q4Q5 100Q5Q6Q2Q3Q2Q3Q5Q6 000禁止 111禁止 山东凯文科技职业学院 - 10 - 因此在本设计方案中采用一个旁路采样电阻来检测系统的相电流，电阻位于三相全控功率变换 电路的下端功率桥臂和地之间，阻值根据实际选W1/1 . 0 。为了对功率控制电路电流进行采样，又 与主控电路隔离，可选用安捷伦公司生产的线性光藕 HCPL7800，该芯片的电流采样典型应用电路如 图 4.5 所示。 图图 3 3.5.5 HCPLHCPL 的电流采样放大典型应用电路的电流采样放大典型应用电路 控制系统实时检测主功率电路的母线电流，即相电流，利用采样电阻和运放将小电流信号转换 为在VV5 . 01 . 0之间变化的模拟电压信号，再通过 HCPL7800 高精度隔离放大器实现单片机控制 器的 ADC 模块与采样电路之间的隔离，最后将其输入单片机控制器的 A/D 转换单元，变换为数字的 电流信号。 本系统利用功率驱动采样电阻上的电压信号经过放大处理以后，送到单片机某一路 A/D 转换通 道，经 A/D 转换以后，所得到的结果即可用于电流调节器和系统的过流保护装置。电流检测电路如 图 4.6 所示。 VDD1 1 VIN+ 2 VIN- 3 GND 4 GND2 5 VOUT- 6 VOUT+ 7 VDD2 8 U1 HCPL7800 VCCVCC C3 0.1F C2 0.1F C1 103 7 6 1 U2B LM339 R1 R2 10K2 R4 10K R6 200 R5 100 C4 0.1F C5 0.1F DW1 +5V P0.9 R3 10K VCC R7 0.1/1W Ia 山东凯文科技职业学院 - 11 - 图图 3 3. . 6 6 电流检测电路电流检测电路 3.3 主功率和驱动电路主功率和驱动电路 3.3.1 主功率电路主功率电路 经过前面的探讨，系统采用脉宽调制法来控制电机的端电压。构成直流斩波器的开关器件过去 用的较多的是普通晶闸管，它们本身没有自关断能力，因而限制了斩波器的性能;目前斩波器大都采 用既能控制其导通又能控制其关断的全控型器件，如功率晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、场效 应管(MOSFET )、绝缘栅双极晶体管(IGBT )等。 电力晶体管的优点是饱和压降低、载流密度大，但是驱动电流较大。电力场效应管是用栅极电 压来控制漏极电流的，因此它的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快、工作频 率高，但是电力 MOSFET 的电流容量小、耐压低、导通压降大，适用于小功率电力电子装置。由于功 率场效应晶体管(Power MOSFET)是一种单极型电压控制器件，具有开关速度快、高频特性好、输入 阻抗高、驱动功率小、热稳定性优良、无二次击穿问题、安全工作区宽和跨导线性度高等显著特点， 因而在各类中小功率开关电路中得到了广泛的应用 17。 因此本控制系统使用功率 MOSFET 作为功率开关器件。功率开关器件的选取非常关键，如果选择 的功率管容量、耐压过大，则将大幅增加控制系统的成本;如果功率管的耐压及电流容量偏小，则在 工作过程中经常无端出现管子烧毁的现象。纯硬件原理样机的主功率及其驱动电路根据系统总体设 计方案采用 DC-AC 三相桥式逆变电路，V24主功率电路如图 4.7 所示。 因为电机24V N U，1.8A N I，所以主功率开关器件61QQ采用 IR 公司生产的快速 MOSFET 管 IRF121，参数如表 4.1 所示。 型号额定电压 （V） 额定电流 （A） 最高耐温 () 内阻（导通） （） 电容（pF）最大电流 （A） 最大功率 （W） 山东凯文科技职业学院 - 12 - 表表 3 3.2.2IRF121IRF121 参数表参数表 图图 3 3.7.7 主功率电路主功率电路 续流二极管 选用快速恢复二极管 ，额定电流为A3，额定电压为V40，恢复时间为nS10。 对输入端和输出端接有感性元件时，如控制接触器的线圈等，则在它们两端并联续流二极管（直流 电路）和阻容吸收电路，以抑制电路断开时产生的电弧对功率电路的影响。 RC 吸收回路的 R 值越大，线圈两端的电压越高，要考虑线圈的绝缘水平是否工作在安全区；R 的值越小，线圈（内电阻）要承担部分的磁能损耗，且回路总电阻值小，能量损耗就慢，电机去磁 就较慢（因为回路电流在断开电源时的大小是一样的） ，当然，电容器的取值也致关重要，电容器能 否吸收线圈中的磁能。这样分析，电容只是在线圈工作过程中，起隔离直流（能减去吸收回路中 R 的损耗）作用，不会减轻线圈的损耗，使用二极管，能隔离 R 在线圈工作时的损耗。电阻和电容参 数计算如下： f IC 8 10)55 . 2(（4.1） df II367. 0 d I直流电流值。 由电机电流为1.8A N I，24V N U，15W N P 可以计算 FC09. 0045. 08 . 110)55 . 2( 8 （4.2） IRF12160850.360032400 D1 IN5822 Q1 IRF121 D4 IN5822 Q4 IRF121 D2 IN5822 Q2 IRF121 D5 IN5822 Q5 IRF121 D3 IN5822 Q3 IRF121 D6 IN5822 Q6 IRF121 M1 M4 M2 M5 M3 M6 DC24V 3 2 1 M1 BLDCM R1 1K/1W D7 IN4004 C1 50V/0.1F 山东凯文科技职业学院 - 13 - 选用VF 50/1 . 0电容。 电阻的选择： 8 .11884 .594/535)42( f IR 选用K1电阻。 电阻功率选择： 2/ )10)2(5 . 1 ( 122 RfPP cfvR （4.3） )0 . 25 . 1 (2UPfv， c f为晶闸管或 MOSFET 频率。U 为电压的有效值。则 WPR12/ )10001014. 3)25 . 1 (2425 . 1 ( 122 选用WK 1/1的电阻。 3.3.2 功率驱动电路功率驱动电路 根据系统总体设计方案选用美国国际整流器公司最新开发的高性能集成六路输出 MOS 门极驱动 芯片 IR2130 作为六只开关功率管的驱动，IR2130 的内部结构图如图 4.8 所示。 信号输入 发生器 信号输入 发生器 信号输入 发生器 脉冲发 生器电 平移位 脉冲发 生器电 平移位 脉冲发 生器电 平移位 封锁 逻辑 故障 逻辑 锁存器 锁存器 锁存器 放大 放大 放大 放大 放大 放大 过压检测 + 1HIN 2HIN 3HIN 1LIN 2LIN 3LIN FAULT CC V ITRIP CAO CA SS V V5 . 0 1VB 1VS 1HO 2VB 2HO 2VS 3VS 3HO 3VB 1LO 2LO 3LO SO V 比较 放大 置位 复位 复位 复位 置位 置位 1H 1L 2H 3H 2L 3L 山东凯文科技职业学院 - 14 - 图图 3 3.8.8IR2130IR2130 内部结构图内部结构图 IR2130 的工作原理的工作原理 正常工作时，当外部电路不发生过电流，直通故障，且 IR2130 的工作电压源不欠压，以及脉冲 处理电路和电平移位器 PGLS 输出高压侧栅极驱动信号不发生欠压情况时， 则从封锁逻辑 CLEAR 故障 逻辑处理单元 FAULT 及欠电压检测器 LVD 和 UVDR 来的封锁信号均无效。 从脉冲形成部分来的六路脉 冲信号，经三个输入信号处理器，按真值表处理后，变为六路输出脉冲，其对应的驱动三路低电压 侧功率 MOS 管的信号，经三路输出驱动器放大后，直接送往被驱动功率器件的栅源极。 而另外三路高压侧驱动信号1H、2H、3H先经集成于 IR2130 内部的三个脉冲处理和电平移 位器 PGLS 中的自举电路进行电位变换，变为三路电位悬浮的驱动脉冲，再经对应的三路输出锁存器 锁存，并经严格的驱动脉冲欠压与否检验后，送到输出驱动器进行功率放大，最后才被加到驱动的 功率 MOS 器件的栅源极。 IR2130 的典型应用电路 一旦外电路发生过电流或直通，即电流检测单元送出的信号高于V5 . 0时，则 IR2130 内部的比 较器迅速翻转，促使故障逻辑输出单元 FAULT 输出低电平，一则封锁三路输入脉冲处理器 ISG 的输 出，使 IR2130 的输出全为低电平，保证六个被驱动的功率 MOS 器件的栅源极迅速反偏而全部截止， 保护功率管；另一方面，经 IR2130 的 8 脚输出信号，封锁脉冲形成部分的输出或给出声光报警。若 发生 IR2130 的工作源欠电压，则欠压检测器 UVD 迅速翻转，同以上分析一样，可得到被驱动功率器 件全部截止而可得到可靠保护， 并从 FAULT 脚得到故障信号的结果。 IR2130 的典型应用电路如图 4.9 所示： VB1.2.3 HO1.2.3 Vs1.2.3 L01.2.3 VCC HIN1.2.3. LIN1.2.3. FAULT ITRIP CAO CA- Vss Vso IR2130 C3 R1 R2 R4 R5 C4 R3 VR2 VR1 C2 C1 负载 最高600V D1 DC1020V 上管驱动 输入 下管驱动 输入 过流保护 输出 山东凯文科技职业学院 - 15 - 图图 3 3.9.9IR2130IR2130 的典型应用电路的典型应用电路 IR2130 可用来驱动工作在母电压不高于V600的电路中的功率 MOS 门器件， 其可输出的最大正 向峰值驱动电流为mA250，而反向峰值驱动电流为mA500。它内部设计有过流、过压及欠压保护、 封锁和指示网络，使用户可方便的用来保护被驱动的 MOS 门功率管，加之内部自举技术的巧妙运用 使其可用于高压系统， 它还可对同一桥臂上下 2 个功率器件的门极驱动信导产生S2互锁延时时间。 它自身工作和电源电压的范围较宽(V203)，在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通过的 电流成线性关系的电流放大器，电路设计还保证了内部的 3 个通道的高压侧驱动器和低压侧驱动器 可单独使用，亦可只用其内部的 3 个低压侧驱动器，并且输入信号与 TTL 及 COMS 电平兼容 1314。功 率驱动电路如图 4.9 所示。 图图 3 3.9.9IR2130IR2130 与单片机和与单片机和 MOSFETMOSFET 的接口驱动的接口驱动 图 3.3.8 中 ，50987651RRRRRR，WR1/1 . 02， KR13， 1004R；VFCCC50/1221；KVR101。注：未标明功率电阻为普通 0.25W 电阻。 2R为电流采样电阻，根据电机参数1.8A N I，内阻3.308R ，可选W2/1 . 0 功率电阻。 当电机正常工作时，1R上压降非常小，不会导致母线电压利用率降低，在正/反转快速变化时，转 速反接制动过程中将产生较大的瞬时电流，从而在1R上产生较大的压降。TRIP 为欠压、过流输入 Vcc 1 HIN1 2 HIN2 3 HIN3 4 LIN1 5 LIN2 6 LIN3 7 FAULT 8 ITRIP 9 CA0 10 CA- 11 Vss 12 Vso 13 L03 14 L02 15 L01 16 NC 17 VS3 18 H03 19 VB3 20 NC 21 VS2 22 H02 23 VB2 24 NC 25 VS1 26 H01 27 VB1 28 U1 IR2130 R2 VR1 C1 D2 12V R3 D1 C2 C3 R5 R6 R1 R7 R8 R4 P6.1 P6.0 P6.3 P6.2 P6.5 P6.4 单片机 D3 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 功率模块 R9 NMI 山东凯文科技职业学院 - 16 - 关闭信号，通过变阻器1VR可调节系统过流临界值的大小，1VR可选普通的WK25. 0/1可调电阻， 当该电压大于 IR2130 内部设定的V5 . 0保护值时，它会自动使 IR2130 输出信号全部为低电平。大 电流过后，系统自动解除封锁，从而实现弹性保护。 1C是自举电容，为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量，其容量取决于被驱动功率器件的开 关频率、占空比以及充电回路电阻，必须保证电容充电到足够的电压，而放电时其两端电压不低于 欠压保护动作值，当被驱动的开关频率大于KHz5时，该电容值应不小于F1 . 0，且以瓷片电容为 好。本设计选用FV1/50独石电容。 1D、2D、3D的作用防止上桥臂导通时的直流电压母线电压到 IR2130 的电源上而使器件损 坏，因此1D应有足够的反向耐压，当然由于1D、2D、3D与1C、2C、3C串联，为了满足主 电路功率管开关频率的要求，1D、2D、3D应选快速恢复二极管， 按电机24V N U， 可选 IN4148 开关二极管，耐压为V100。1R和2R是 IGBT 的门极驱动电阻，一般可采用 10 到几十欧。IR2130 的31HINHIN、31LINLIN作为功率管的输入驱动信号与单片机连接， 由单片机控制产生 PWM 控制信号的输入，FAULT 与单片机外部中断引脚连接，由单片机中断程序来处理故障 16。 3.4 过流过压保护电路过流过压保护电路 3.4.1 过流保护电路过流保护电路 在永磁直流伺服电动机调速系统中，电机起动时，主回路会流过很大的起动电流，此外因控制 回路、驱动回路等误动作、误配线等，会造成支路短路、输出短路等故障，过电流流过功率变换器 开关元件 MOSFET，发生短路时，电流变化非常快，元件要承受高电压、大电流，这就要快速检测过 电流，在 MOSFET 还没有损坏时自行关断。过流保护环节分为两级保护。第一级过流检测与保护山驱 动电路完成， 采用集成驱动电路芯片 IR2130， 可实现对 MOSFET 的电流保护， 其原理图参见本章 4.3.2 小节图 4.3.7。 过流检测按驱动信号与集电极电压之间的关系实现，当流过 MOSFET 的电流超过内部设定值时， 驱动电路关断 MOSFET，同时送出过流信号，使光隔器件导通，输出低电平过流保护信号。第一级过 流检测与保护通过快速响应霍尔电流传感器对直流侧母线电流进行检测，由支路短路、直接支路短 山东凯文科技职业学院 - 17 - 路、输出短路和接地短路等引起的过电流必能检测出来，电路原理如图 4.10 所示。 图图 3 3.10.10 过流检测电路过流检测电路 在主电路上串联一个采样电阻1R，为了减小对电路的影响，应选择阻值较小的。通过将采样电 阻的两端电压与设定的电压进行比较来确定主电路电流是否过流，过流信号送至单片机的不可屏蔽 中断引脚，封锁开关的驱动信号，实现电路的保护。 3.4.2 过压、欠压保护电路过压、欠压保护电路 过压、欠压保护是针对电源异常、主回路电压超过或低于一定数值时考虑的。通常系统输入电 源电压允许波动的范围一般是额定输入电压的士 10%。通常情况下，主回路直流环节的电压与输入 电压保持固定关系。当输入电源电压过高，将使直流侧电压过高。过高的直流电压对 MOSFET 的安全 构成威胁，很可能超过 MOSFET 的最大耐一压而将其击穿，造成永久损坏。当输入电压过低时，虽小 会对主回路元件构成直接威胁，但太低的输入电压很可能是控制回路工作不正常，而使系统紊乱， 导致控制器输出错误的触发脉冲，造成主回路直通短路而烧毁 MOSFET，而且较低的输入电压也使系 统的抗干扰能力下降。因此，有必要对系统的电压进行保护。 R3 200 VR1 10K R5 1K R4 1K U2 6N136 R2 200 R1 0.1/ 1W C2 Id NMI VCC 5 4 2 312 U1A LM 339 +12V DW1 R4 1K R3 1K U2 6N136 VCC VR1 C1 R1 200 R2 Us NMI 5 4 2 312 U1A LM339 +12V 山东凯文科技职业学院 - 18 - 图图 3 3.11.11 过电压检测电路过电压检测电路 图 4.11 为本文介绍的直流伺服电动机系统的过压保护电路，参考电压设为额定电压的 110通 过电阻对直流电源进行分压采样，与参考电压进行比较，一旦发生过压，则将故障信号送至单片机 的不可屏蔽中断引脚，封锁功率开关的驱动信号 9。增设一个同图 4.4.2 的检测电路，利用同相输 入，把基准电压设为额定电压的 90，即可实现欠压保护。 3.5 键盘与显示电路键盘与显示电路 3 .1 键盘电路键盘电路 图图 3 3.12.12 键盘接口电路键盘接口电路 键盘用于启动、停止、正反转切换和转速输入。为了能更方便地利用数字键输入转速，设置了 44行列键盘，占用7 . 04 . 0PP和3 . 10 . 1PPP 口。如图 4.12 所示 采用行列键盘可以在获得多键盘的同时节省 I/O 口，但占用大量的 CPU 资源，对控制系统不利。 本设计采用改进扫描算法，即先扫描全行或全列，没有电平改变（没有键按下）时返回主程序，当 检测到有键按下时，再进入进一步的扫描和按键判断，可在一定程序上减轻 CPU 负担。 各按键功能定义如表 4.2 所示： 表表 3 3.3.3 键盘功能定义表键盘功能定义表 按键S1S2S3S4 功能启动电机停止电机输入转速输入确认 按键S5S6S7S16 功能正反转切换保留数字 0数字 9 VCC S5 S9 S13 S6 S10 S14 S7 S11 S15 S8 S12 S16 R1 5.1K R2 5.1K R4 5.1K R3 5.1K P0.5 P0.6 P0.7 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 单片机 S1 S2S3S4 P0.4 山东凯文科技职业学院 - 19 - 3.5.2 显示电路显示电路 为了能实时显示转速，需设置显示电路。使用液晶显示模块显然是没有必要的。使用多个数码 管显示又占用单片机太多 I/O 口，使用多位一体的数码管是很好的解决方案。如图 4.13 所示。 图图 3