基于MOSFET组成H桥驱动电机的设计.doc

电力电子技术课程设计 指导教师评定成绩： 审定成绩： xxxxx自 动 化 学 院电力电子课程设计报告 单位（二级学院）： 自动化学院 学 生 姓 名： xx 专 业： xx 班 级： xx 学 号： xx 指 导 教 师： xx老师 设计时间： 2012 年 6 月Xxxx自动化学院制2009级电力电子技术课程设计任务书一、课程设计的目的通过电力电子计术的课程设计达到以下几个目的：1、培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料。2、培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力。3、培养学生运用知识的能力和工程设计的能力。4、提高学生课程设计报告撰写水平。二、课程设计的要求1. 自立题目题目方向1：单相可控整流技术的工程应用题目方向2：三相可控整流技术的工程应用题目方向3：降压斩波变换技术的工程应用题目方向4：升压斩波变换技术的工程应用题目方向5：交流调压或交流调功技术的工程应用题目方向6：变频技术的工程应用题目方向7：有源逆变技术的工程应用题目方向8：无源逆变技术的工程应用注意事项： 所立题目必须是某一电力电子装置或电路的设计，题目难度和工作量要适应在一周半内完成，题目要结合工程实际。学生也可以选择规定题目方向外的其它电力电子装置设计，如开关电源、镇流器、UPS电源等。 通过图书馆和Internet广泛检索和阅读自己要设计的题目方向的文献资料，确定适应自己的课程设计题目。自立题目后，首先要明确自己课程设计的设计内容。要给出所要设计装置（或电路）的主要技术数据（如输入要求，输出要达到的目标，装置容量的大小以及装置要具有哪些功能）。如：直流电动机调压调速可控整流电源设计主要技术数据输入交流电源：三相380V10% f=50Hz0220V50220V范围内，直流输出电流额定值100A直流输出电流连续的最小值为10A设计内容：整流电路的选择整流变压器额定参数的计算晶闸管电流、电压额定的选择平波电抗器电感值的计算保护电路的设计触发电路的设计画出完整的主电路原理图和控制电路原理图列出主电路所用元器件的明细表2. 在整个设计中要注意培养灵活运用所学的电力电子技术知识和创造性的 思维方式以及创造能力 要求具体电路方案的选择必须有论证说明，要说明其有哪些特点。主电路具体电路元器件的选择应有计算和说明。课程设计从确定方案到整个系统的设计，必须在检索、阅读及分析研究大量的相关文献的基础上，经过剖析、提炼，设计出所要求的电路（或装置）。课程设计中要不断提出问题，并给出这些问题的解决方法和自己的研究体会。（注意：所确定的主电路方案如果没有论证说明，成绩不能得优；设计报告最后给出设计中所查阅的参考文献最少不能少于5篇，且文中有引用说明，否则也不能得优）。3. 在整个设计中要注意培养独立分析和独立解决问题的能力 要求学生在教师的指导下，独力完成所设计的系统主电路、控制电路等详细的设计（包括计算和器件选型）。严禁抄袭，严禁两篇设计报告基本相同，甚至完全一样。4. 课题设计的主要内容是主电路的确定，主电路的分析说明，主电路元器件的计算和选型，以及控制电路设计。报告最后给出所设计的主电路和控制电路标准电路图（最好用电子CAD）。5. 课程设计用纸和格式统一A4纸打印（页边距：上下左右各留1.8cm）大标题：3号字小标题：4号字正文：小4号字要求图表规范，文字通顺，逻辑性强，报告字数不少于6000字。三、课程设计报告基本格式 封面：严格按照重庆邮电大学自动化学院课程设计封面填写（参见自动化学院网站）目录内容：1. 设计的基本要求（给出所要设计的装置的主要技术数据和设计装置要达到的要求（包括性能指标）,最好简述所设计装置的主要用途）2. 总体方案的确定原则：达到性能要求经济性好（一次投资和二次投资）追求高性能价格比高可靠性维护维修方便3. 具体电路设计（主电路设计、控制电路设计等）4. 附录（电路图和元器件明细表等）5. 参考文献 目录摘要1一、总体概述2二、H桥驱动原理2三、电路设计21.矩形波信号产生器22.驱动电路33.主电路54.系统总电路6四、实验数据71.调试数据72.调试波形7五、实验结果分析9六、附录91.系统总电路图分解图92.元器件细表93.实物图10结束语10参考文献11基于MOSFET组成H桥驱动电机的设计 摘要：本设计是根据MOSFET的基本特性以及H桥的特点，利用TL494产生方波，再通过IR2111芯片产生两路反向的PWM波，驱动4个MOSFET管，建立H桥电路进行斩波控制，调节直流电机的速度和转向控制。 关键词： MOSFET H桥 斩波调控 Abstract: the design is based on the basic characteristic of the MOSFET and H bridge characteristics, the use of TL494 produce square wave, again through the IR2111 chip generates two road opposite PWM waves, drive 4 MOSFET tube, establish H bridge circuit the chopper control, adjust the speed of dc motor and steering control. Keywords: MOSFET H bridge the chopper control1、 总体概述设计内容：1.要求实现对带恒转矩负载电机的。2.象限调速。提示：恒转矩负载可用直流发电机做直流电动机的负载，保持直流发电机的励磁电流恒定为50毫安或100毫安，在改变PWM占空比的过程中通过调节发电机的负载电阻（接入2250欧）使其电枢电流保持为某个值不变，即为恒转矩负载。设计方案：主电路采用4个MOSFET管与电机连接成H桥电路，通过控制MOSFET的开通与关断来实现对电工作状态的控制，从而实现调节电机转速的功能。因此，主电路比较简单。而设计的最关键环节应该是MOSFET 的驱动电路的设计，在这里，我们可以采用TL494结合IR2111来驱动MOSFET管。2、 H桥驱动原理由于只需要实现电机的2象限（正转及制动）带恒转矩负载的调速，因此主电路采用半桥电路即可实现这个功能。而TL494和IR2111，作为专用芯片，可以使驱动电路更简单，简单意味着可靠，它还可以使我们在电路元器件排布、电路焊接等方面更加方便，从而提高设计功能的可靠性。因此我们选择采用TL494结合IR2111组成的电路作为MOSFET管的驱动电路。三、电路设计1.矩形波信号产生器方波信号产生器采用专用芯片TL494构成。如图1所示是TL494的内部结构图。根据这个内部结构图，只要在12脚加上工作电压，我们就可以在14脚得到5V的基准电压输出。同时，我们可以通过改变5脚或者6脚的CT、RT得知来改变振荡器的频率大小，从而改变在9脚输出的矩形波的频率大小，其频率大小与CT、RT的关系如下： f=错误！未找到引用源。 图1 TL494内部结构图同时，通过控制1脚的输入电压的大小，就可以方便控制输出矩形波的占空比。从而，可以设计出如图2所示的矩形波信号产生器。图2 TL494接线图2.驱动电路 IR2111 是功率MOSFET 和IGBT 专用栅极驱动集成电路, 可用来驱动工作在母线电压高达600V 的电路中的N沟道功率MOS 器件。采用一片IR 2111 可完成两个功率元件的驱动任务，选用IR2111芯片能对前面送进的PWM波分成两路反相的讯号，从而进行后面元件的驱动。IR2111内部结构图如图3，引脚图见图4图3 IR2111内部结构图图4 IR2111引脚图引脚介绍：1脚：Vcc 是给IR2111 供电的电源, 一般为15V2脚：IN 是控制信号的输入端, 输入等效电阻很高, 可直接连接来自前面触发电路的PWM波3脚: COM是接地端4,7脚：HO、LO 分别是上、下管控制逻辑输出端6脚：Vs 是高压侧悬浮地8脚：Vb 是为高压侧悬浮电源端基于IR2111的驱动放大电路见图5图5 基于IR2111的驱动放大电路该方案较为简单，用一个集成驱动芯片就能把一路PWM波分成两路相反的信号，简单安全可靠，故选用该方案。3.主电路 主电路如图6所示： 图6 主电路图主电路示意图如图7所示：图7 主电路示意图图7中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠，H桥式电机驱动电路包括4个MOSFET和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对MOSFET。根据不同MOSFET对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。 要使电机运转，必须使对角线上的一对MOSFET导通。例如，如图7所示，当VD1管和VD3管导通时，电流就从电源正极经VD1从左至右穿过电机，然后再经VD3回到电源负极。从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。当另一对MOSFET VD2和VD4导通的情况，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动4.系统总电路 经过汇总得到的总电路图如图8所示： 图8 系统总图4、 实验数据1.调试数据：占空比（%）102030405060708090转速n（rpm）7621635549663777490010401183 由表中可以画出占空比和转速的关系图如下：2.调试波形 给TL494接上工作电压，调节6脚可调电阻得到合适的方波频率，在实际调试中我们把频率调节在5kHz。之后调节1脚可调电阻就可以观察到方波占空比的变化，调试波形如图9所示。图9 TL494输出波形 把TL494输出的方波接到IR2111的2脚，并给IR2111接上工作电压，在4脚与7脚就可以得到两路相反的PWM波，调试波形如图10所示。图10 IR2111输出波形 调节示波器的时间轴，可以看到由IR2111输出地两路PWM波之间是有死区时间的，但死区时间由芯片固定不可调，调试波形如图11所示。图11 IR2111两路信号死区时间5、 实验结果分析在第一次调试时我们设计的电路是利用TL494输出两路PWM波，再通过三极管等分立元件组成驱动放大电路来驱动MOSFET管。但是在调试的过程中我们发现由TL494直接输的两路PWM波不符合我们的设计要求。由TL494直接输出的两路PWM波只有0%-50%的占空比可调，同时两路波形只是相位上相差180度，波形上没有形成互补，不符合设计要求。在第二次调试时，我们改变了电路图：把TL494的13脚由接14脚改为接地。在把TL494的输出波形接到IR2111上，用IR2111直接驱动MOSFET管，放弃使用分立元件。在这次调试过程中，我们首先测试IR2111的输出波形，但IR2111的只有一路输出波形，另一路没有波形。后来我们发现要把MOSFET管接到IR2111上，才能输出正确的波形。6、 附录1.系统总电路图分解图2. 元器件细表3. 实物图 7、 结束语 本文所述的基于MOSFET组成H桥来驱动电机的设计方案，此设计方案选用全控型器件MOSFET，电机正反转时电枢绕组的连接采用H桥的特性进行切换，这样只用四个MOSFET器件就实现了电机的两象限运行。方波信号由专用芯片TL494产生，调试非常方便，电路控制也很灵活。实验证明本设计电路能够实现电机可逆运行以及电动和制动的转换。实现非常方便，并具有较强的可操作性。电路的原理图电路图均给出，在购买元器件后，就进行了焊接工作，焊接时出现多处错误，也弄坏了许多元器件。在调试过程中问