小功率直流调速系统的硬件设计毕业论文.doc

小功率直流调速系统的硬件设计摘 要本文主要研究的是直流调速系统。阐述了用单片机（STC12C5A08AD）构成的直流PWM（Pulse Width Modulation）调速系统及系统的组成部分。 本来对基于单片机（STC12C5A08AD）控制的双闭环可逆直流PWM调速系统进行了较深入的研究，从直流调速系统原理出发，逐步建立了双闭环直流PWM调速系统的数学模型，用单片机（STC12C5A08AD）硬件和软件发展的最新成果，探讨一个将单片机和电力拖动控制相结合的新的控制方法，它包括对实现控制所需要的硬件和软件的探讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。 该方案以STC12C5A08AD微机为核心，分别采用了IR2110、6N137等芯片与一些外围电路。通过实时测试与调节电动机的转速/电流，可使此调速系统获得快速、精确的调速效果。关键词：单片机 直流电动机 调速 脉宽调制 H桥驱动电路 过流保护 Abstract This paper is mainly talk about DC speed regulation. Presents a double Closed loops DC PWM regulating speed system by using STC12C5A08AD single chip processor.This paper researches reversible DC-PWM timing system with a dual-converter and dual-closed-loop .Beginning with the theory of the DC timing system, this article has build up the math model of the reversible DC-PWM timing system with a dual-converter and dual-closed-loop, discussing a new control method that combines single-chip computer with DC-drive. Which includes the discussion of hardware and software, control policy and algorithm, ect.This scheme is based on the core of STC12C5A08AD single chip, using the chips of IR2110 6N137 and some peripheral circuits . By real time testing and adjustingThe motors velocity/current, this timing system can get quick and exact timing result.Key words: Single-chip computer; DC Motor; speed control ; pulse with modulation; H bridge driver circuit ; over-current protection.目 录引言1第一章 选题的意义及主要内容 2 1.1选题的意义 1.2本论文主要研究的内容 1.3方案的确认 1.3.1直流电动机的调速方法 1.3.2双闭环系统的优点 1.4 直流电机工作原理及基本结构 1.4.1 直流电机基本工作原理 1.4.2 直流电机结构 1.5 PWM控制调速原理 1.6 主要芯片：STC12C5A08AD单片机与IR2110的介绍 1.6.1 STC12C5A08AD单片机 1.6.2 IR2110功能介绍1.7 系统的介绍第二章 电源模块及PWM驱动电路设计 2.1 直流电源的设计 2.2 H桥驱动原理 2.3 H桥驱动使能控制及方向逻辑 2.4 PWM驱动电路设计 2.4.1 直流电机双极性驱动PWM系统 2.4.2 MOSFET的选择 2.4.3 自举元件的选择 2.4.4 RC吸收电路的设计 2.4.5 栅极驱动电阻及快速二极管 2.5 STC12C5A08AD单片机电路 2.5.1 单片机时钟电路 2.5.2 单片机上电复位电路 2.6 液晶显示器（LCD1602）电路 2.7 键盘控制电路第三章 检测电路的设计3.1 霍尔传感器的原理3.2 霍尔测速电路的设计第四章 保护电路设计 4.1 隔离驱动电路设计 4.1.1 光耦元件6N137的基本介绍 4.1.2光耦元件隔离PWM信号的设计 4.2 检测元件的选择 4.3 过流保护电路设计 4.4欠压保护电路设计 结论致谢参考文献 引言电动机作为最主要的动力源或运动源,在生产和生活中占有很重要的地位.无论是在农业生产、交通运输、国防、航天航空、医疗卫生、商务与办公设备、还是在日常生活中的家用电器都大量使用各种各样的电动机。三十多年来，直流电机传动经历了重大的变革。首先实现了整流器的跟新换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。电动机的数字控制是电动机控制的发展趋势，用单片机进行控制是实现电动机数字控制的最常用的手段。由于电网相控变流器供电的直流电机调速系统能够引起点位波形畸变、降低电网功率因数、除此之外，该系统还有体积大，价格高、电压电流脉动频率低、有噪声等缺点。而采用直流电动机的PWM调速控制系统可以克服电网相控调速系统的上述诸多缺点。所以本次设计所采用的正是用单片机控制的PWM调速系统。本文采用单片机构成的直流电动机PWM调速系统，其控制核心主要由单片机、转速电流输入通道、键盘显示模块、数字PWM波形发生电路、IR2110驱动H桥等组成，可采集实时转速值和电流值，由软件编程实现转速电流数字PI调节器的运算，并产生数字PWM波形输出，从而驱动直流电机的运转。第一章 选题的意义及主要内容1.1 选题的意义直流电机具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广；过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动，制动和反转，能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。采用了单片机技术，数字化直流调速装置具有很高的精度、优良的控制性能和强大的抗干扰能力，在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。PWM调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能优良、效率高等优点，再加上近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化，以及全控型电力电子器件的发展，所以PWM直流电机调速系统有很好的发展。同时这种调速方法具有开关频率高、低速运行稳定、动态性能优良、效率高等优点，更重要的是这种调速方式很容易在单片机控制系统中实现，因此具有很好的发展前景。本文所阐述的直流调速的方法具有结构简单，稳定性好，性价比高，使用方便等诸多优点，因此在实际应用中有较大的意义。1.2 本论文主要研究的内容本文是在双闭环直流调速原理及双闭环直流调速系统工程设计方法上，设计出应用于直流电动机的双闭环直流调速系统。在参考了国内外资料的基础上，结合控制理论的相关知识以及直流调速系统的算法，转速环和电流环采用PI调节，并且与PWM技术相结合，主要工作内容如下：1）分析直流电机的工作原理与调速方法；2）直流脉宽调速系统的设计，包括PWM的产生，PWM功率变换器的选择及设计，以及电力电子器件的选择；3）系统采用双闭环设计，转速调节器和电流调节器的设计采用PI调节；4）单片机各个接口电路的设计，IR2110驱动H桥电路的设计，保护电路的设计；1.3 方案的确认1.3.1直流电动机的调速方法直流电动机的转速和其他参量的关系可用下式表示： 式中，n-电动机转速，单位为，r/min; U电枢电压，单位为V； R电枢回路总电阻，单位为； Ke由电机结构决定的电势常数，Km=9.55Ke在式（1-1）中，Ke为常数，Ia的大小取决于负载转矩，因此可知，直流电动机的调速有三种方法：1） 调节电枢供电电压U改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。Ia变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。2） 改变电动机主磁通改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通，从电动机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。响应速度较慢，但所需电源容量小。3)改变电枢回路电阻R在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能有级调速，调速平滑性差，机械特性较软，空载时几乎没什么调速作用，调速电阻上消耗大量电能。改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上小范围的升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。综上所述，对于一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式最佳。因为改变电阻只能有级调速，而调节磁通范围很小，不然将造成飞车事故。所以直流调速以变压调速为主。本次设计也是采用改变电动机两端电压U的调速方法。变压调速方式也有多种，旋转变流机组、静止变流装置、PWM（脉宽调制）变换器（或直流斩波器）。1.3.2双闭环系统的优点方案一：单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统是指只有一个转速负反馈构成的闭环控制系统。在电动机轴上装一台测速发电机GT ，引出与转速成正比的电压Un 与给定电压比较后，得偏差电压U ，经放大器产生控制电压Uc，经晶闸管触发装置产生电压Ud，用以控制电动机。负载电动机整流触发装置放大器电压速度检测图 单闭环直流调速系统方案二：双闭环直流调速系统该方案主要由给定环节、ASR、ACR、触发器和整流装置环节、速度检测环节以及电流检测环节组成。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。电流检测电动机整流触发装置ACRASR电压负载速度检测图 双闭环直流调速系统方案一采用单个转速闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实线无静差，但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环不能很好的控制电流和转矩的动态过程。方案二采用双闭环转速电流调速法，在启动过程的主要阶段，只有电流负反馈，没有转速负反馈，不让电流负反馈发挥主要作用，既能控制转速，实现转速无静差调节，又能控制电流使系统在充分利用电机过载能力的条件下获得最佳过渡过程，很好的满足了生产需求。对高性能动、静态的速度控制系统的要求是具有快速跟随特性（起制动）、较好的抗干扰特性和高可靠性。综合比较两种设计方案，为了满足较好的性能指标，采用方案二作为最终设计方案。为了获得良好的静动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用PI 调节器。 图 双闭环调速系统动态结构图1.4 直流电机工作原理及基本结构1.4.1 直流电机基本工作原理在电工课程中，我们知道通电导体在磁场中会受到电磁力的作用电磁力定律。电动机就是应用电磁力定律工作。 图4.1.1 直流电机工作原理图 电枢绕组通过电刷接到直流电源上，绕组的旋转轴与机械负载相连。电流从电刷A流入电枢绕组，从电刷B流出。电枢电流Ia与磁场相互作用产生电磁力F，其方向可用左手判定。这一对电磁力所形成的电磁转矩T，使电动机电枢逆时针方向旋转。如图4.1.1 a) 所示。当电枢转到图4.1.1 b） 所示位置时，由于转换器的作用，电源电流Ia仍由电刷A流入绕组，由电刷B流出。电磁力和电磁转矩的方向仍然使电动机电枢逆时针方向旋转。电枢转动时，切割磁力线而产生感应电动势，这个电动势（用右手定则判定）的方向与电枢电流Ia和外加电压U的方向总是相反的，称为反电动势Ea。它与发电机的电动势E的作用不同。发电机的电动势是电源电动势，在外电路产生电流。而Ea是反电动势，电源只有克服这个反电动势才能向电动机输入电流。可见，电动机向负载输出机械功率的同时，电源却向电动机输入电功率，电动机起将电能转换为机械能的作用。发电机和电动机两者的电磁转矩T的作用是不同的。发电机的电磁转矩是阻转矩，它与原动机的驱动转矩T1的方向是相反的。电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。电动机的电磁转矩T必须与机械负载转矩T2及空载损耗转矩T0相平衡，即。当电动机轴上的机械负载发生变化时，则电动机的转速、反电动势、电流及电磁转矩将自动进行调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。可见，直流电机发发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生电动势和电磁转矩，但两者作用截然相反。1.4.2直流电机结构1 风扇 9换向磁极2 机座 10端盖3 电枢4 主磁极5 刷架6 换向器7 接线板8 出线盒 图 直流电机结构图主磁极：主磁极的作用是产生主磁通，主磁极铁芯包括极心和极掌两部分。极心上套有励磁绕组，各主磁极上的绕组一般都是串联的。直流电机的磁极如图所示。极掌的作用是使空气隙中磁感应强度分布最为合适。改变励磁电流的方向，就可改变主磁极极性，也就改变了磁场方向。换向磁极：在两个相邻的主磁极之间中性面内有一个小磁极，这就是换向磁极。它的构造与主磁极相似，它的励磁绕组与主磁极的励磁绕组相串联。换向磁极的作用是产生附加磁场，改善电机的换向，减小电刷与换向器之间的火花，不使换向器烧坏。用换向磁极的附加磁场来抵消电枢磁场，使主磁极中性面内的磁感应强度接近于零，这样就改善了电枢绕组的电流换向条件，减小了电刷与换向器之间的火花。绕组：绕组是产生感应电动势或电磁转矩，实现能量转换的主要部件。它是由许多绕组元件构成，按一定规则嵌放在铁芯槽内和换向片相连，使各组线圈的电动势相加。绕组端部用镀锌钢丝箍住，防止绕组因离心力而发生径向位移。1.5 PWM控制调速原理直流斩波器又称直流调压器，是利用开关器件来实现通断控制，将直流电源电压断续加到负载上，通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值，将固定电压的直流电源变成平均值可调的直流电源，称直流变换器。它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等优点。图1.5.1 a)直流斩波器的原理电路和电压波形，图中VT代表开关器件。当开关VT接通是，电源电压U。加到电动机上：当VT断开是，直流电源与电动机断开，电动机电枢端电压为零。如此反复，得电枢端电压波形如图 1.5.1 b）所示。这样电动机电枢端电压的平均值为： 式中：T-开关器件的通断周期； -开关器件的导通时间；-占空比， ，其中为开关频率。图1.5.1 直流斩波器电路和输出电压波形由式（1-5）可知，直流斩波器的输出电压平均值Ud可以通过改变占空比即通过改变开关器件导通和关断时间来调节，常用的改变输出平均电压的调制方法有以下三种： （1）脉冲宽度调制（pulse width modulation ,简称PWM）.开关器件的通断周期T保持不变，只改变器件每次导通的时间，也就是脉冲周期不变，只改变脉冲的宽度，即定频调宽，称为脉冲调宽。 （2）脉冲频率调制（pulse frequency modulation ,简称PFM）。开关器件每次导通的时间，不变，只改变通断周期T或开关频率f，也就是指改变开关的关断时间，即定宽调频，称为调频。（3）两点式控制。开关器件的通断周期T和导通时间，均可变，即调宽调频，亦可称为混合调制。当负载电流或电压低于某一最小值时，使开关器件导通；当电流或电压高于某一最大值时，使开关器件关断。导通和关断的时间以及通断周期都是不确定的。自20世纪70年代以来，电力电子器件迅速发展，研制并生产多种能控制其导通与关断的全控型器件，如门极可关断晶闸管（GTO），电力晶体管（GTR），场效应管（P-MOSFET）,绝缘栅极双极型晶体管(IGBT)等，这些全控型器件性能优良，由它们构成的脉宽调制直流调速系统称为PWM调速系统。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 在FIash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向IO口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1” ，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。 FIash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。 P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向IO口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1” ，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器（如执行 MOVXRI 指令）时，P2 口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。 Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。 P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 IO 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL逻辑门电路。对 P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流（IIL）RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。 ALEPROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE 仍以时钟振荡频率的 l6 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。 如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的 8EH单元的 DO 位置位，可禁止 ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。 PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当 AT89C51 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。EAVPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。 Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。 XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。1.6.2 IR2110功能介绍IR2110采用CMOS工艺制作，逻辑电源电压范围5V20V，适应TTL或 CMOS逻辑信号输入，具有独立的高端和低端2个输出通道。由于逻辑信号均通电平耦合电路连接到各自的通道上，容许逻辑电路参考地(uss)与功率电路参考地(COM)之间有一5V和+5V的偏移量，并且能屏蔽小于50ns的脉冲，这样有较理想的抗噪声效果。采用CMOS施密特触发输入，以提高电路抗干扰能力。采用 DIP14封装形式，芯片引脚输出如图所示。 引脚1和7是两路独立的输出，分别是LO(低端输出)和H O(高端输出)，引脚3和6分别是VCC(低端电源电压)和VB(高端浮置电源电压)，引脚9 (VDD)是逻辑电路电源电压，引脚2(COM)是低端电源公共端，引脚5和13分别是vs(高端浮置电源公共端)和vss(逻辑电路接地端)，引脚10(HIN)是逻辑输入控制端，引脚11(S D)是输入关闭端，1.7 系统的介绍LED显示电路单片机STC12C5A08AD键盘控制电路 保护电路驱动电路时钟电路直流电机霍尔测速电路复位电路图1.7.1 直流电机PWM控制系统的方框图从直流电机PWM控制系统图1.7.1中，可以清楚的看到系统的各个组成部分，包括：键盘控制电路、时钟电路、复位电路、LCD显示电路、驱动电路、霍尔测速电路及被控对象直流电机与系统的核心元件单片机。系统的首先由单片机生产PWM波，PWM波通过驱动电路驱动直流电机工作，然后通过霍尔测速电路反馈回单片机并通过LCD显示电路显示出来，驱动电路的保护电路同时传送到单片机，系统采用独立键盘控制直流 电机的加速和减速，电源的通和端，电机的方向以及PWM波形的占空比。第二章 电源模块及PWM驱动电路设计降压变压器二次侧的电压=18V，经三端稳压器7815输出即为直流+15V电源。电路中接入C209，C210电容是用来实现频率补偿的，可防止稳压器产生高频自激振荡并抑制电路引入的高频干扰。大容量的C208是电解电容，以减小稳压电源输入电源引入的低频干扰。D是保护二极管，当输入端意外短路时，给电容器C208一个放电通路，防止电容两端电压作用于调制管的be解结，造成调整管击穿。电源滤波电路，电容每次充电均可达到的峰值（即），然后按放电的起始斜率直线下降，经交横轴，且在T/2出数值为最小，输出平均值同时按相似三角关系得所以由（2-1）与（2-2）可得因而 当负载为开路是， 为了获得较好的滤波效果，在实际电路中，应选择滤波电容的容量应满足的条件。由于采用电解电容，考虑到电网电压的波动范围为10%，电容耐压值应大于。所以由和可得电解电容.T=0.02s.C=20003330uF 所以电容选2200 Uf耐压：=1.54*18=27.72V 所以耐压取50V同理可的直流5V电源电解电容参数为 470 uF/30V图2.1.2 单向桥式整流电路图与波形图2.2 H桥驱动原理 图2.2.1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中横杆。 图2.2.1 H桥驱动电路要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。如图2.2.2所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动。（电机箭头为顺时针方向）。图 2.2.2 H桥电路驱动电机顺时针转动图2.2.3 所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通是，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一个方向转动（电机周围的箭头表示逆时针方向）。图2.2.3 H桥驱动电机逆时针转动2.3 H桥驱动使能控制及方向逻辑驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值，甚至烧坏三极管。所以在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便的控制三极管的开关。2.4 PWM驱动电路设计2.4.1 直流电机双极性驱动PWM系统图 H型双极性PWM驱动系统H型驱动电路的开关器件分为Q1,Q4和Q2,Q3两组的通、端控制。Q1,Q4（和Q2、Q3）同时导通或关断，Q1,Q4和Q2,Q3则是交替的导通和关断。通过改变占空比调压调速。2.4.2 MOSFET的选择MOSFET器件的选择主要从其开关特性、功耗要求和耐压方面考虑。MOSFET的开关频率决定了PWM功率转换装置频率的最高限；功率损耗决定了其使用的寿命长短；H型PWM功率转换电路中的MOSFET上施加的电压约为电源电压的两倍，而电源电压则是由直流电机的最大工作电压决定的，为此，必须考虑耐压问题。结合上述因素，MOSFET采用N沟道增强型MOS管2SK2648。它是一种电压控制器件，没有少数载流子的储存效应，输入阻抗高，因而开关速度可以很高。2SK2648的最小漏源击穿电压为800V，最大电流9A，功率150W，最大栅源极电压为30V。最高温度为150。2.4.3 自举元件的选择1）在器件开通后自举电容两端的电压比器件充分导通所需要的电压(1OV，高压侧锁定电压为8.78.3V)要高，而且在自举电容充电路径上有1.5V的压降f包括VD1的正向压降)，同时有1/2 的栅电压(栅极门槛电压VTH通常35V)因泄漏电流引起电压降。那么，此时对应的自举电容可用下式表示； 所以可以查表得到2SK2648充分导通时所需要的栅极电荷为90nC,Vcc为15V，得这样自举电容C103和C109约为0.1.（其中），耐压为300V开关频率高的独石电容。2）在高端器件开通时，自举二极管必须能够阻止高压，并且是快恢复二极管，以减小从自举电容向电源Vcc的回馈电荷。如果电容需要长期贮存电荷时，高温反向漏电流指标也很重要。其中：二极管特性（1） （2）最大为了使自举电容保持充电，自举二极管应该是一个小电流有很陡峭的拐点的低电平齐纳二极管，15V推荐二极管为FR107. 2.4.4 RC吸收电路的设计 1）缓冲电路的作用：抑制过电压、减小功率开关管损耗、限制电压上升率、消除电磁干扰。 2）缓冲电路的参数计算： 缓冲电路中，缓冲电阻R越小，电容C越大，则缓冲电路的作用越明显，但要考虑功率损耗等因素。 电阻R的功耗为： 其中为最大的集电极-发射极电压（V），本电源=270V;为了减少功率损耗，一般要求120W，即 因此缓冲电容为 实际选C=0.01一般假设超过3倍时间常数可以放电完成，则： 其中=DT, D-为功率管导通占空比，D=40%=0.4； 为开关周期，=1/所以 实际选用R=2202.4.5 栅极驱动电阻及快速二极管为改变控制脉冲的前后沿陡度和防止震荡,减小集电极的电压尖峰,应在栅极串上合适的电阻 .当增大时,导通时间延长,损耗发热加剧;减小时, di/dt 增高,可能产生误导通,使器件损坏.应根据管子的电流容量和电压额定值以及开关频率来选取 的数值。L为PCB走线电感，根据他人经验其值为直走线1nH/mm，考虑其他走线因素，取其中Length单位取mm。为栅极驱动电阻，设驱动信号为12V的方波。Cgs为MOSFET栅源极电容。 查2SK2648可得，=1200PF ; =90PF; =-=1110PF 这个取1所以根据 可得当Length=20mm时， =8.94 实际取值为10在MOSFET OFF状态时为了保证栅极电荷快速泻放，此时阻值要尽量小，这也是RsinkRsource（内部限流电阻）的原因。通常为了保证快速泻放，在Rg上可以并联一个二极管。当泻放电阻过小，由于走线电感的原因也会引起谐振（因此有些应用中也会图 单片机时钟电路原理图振荡器的振荡频率主要取决于晶体；电容对振荡频率有微调作用，通常在30pF左右。电容的安装位置应尽量靠近单片机。2.5.2 单片机上电复位电路STC单片机有上电复位和操作复位两种。图 单片机复位电路图上电时，+5V的电源立即对单片机芯片供电，同时经R对电容C充电。C上电建立的过程就是负脉冲的宽度，经过倒相后，RST上出现高电平使单片机实现上电复位。2.6 液晶显示器（LCD1602）电路LCD1602显示模块只能实现ASC字符显示，但是低电压低功耗。图2.7.1 键盘控制电路图按下S1单片机产生PWM波形，S2设功能设定键盘，S5和S6对参数的设定，从而使得直流电机两端的电压平均电压增大，在磁通量不变的情况下，电压与转速成正比，从而增加转速。按键名称按键功能S1启动键S2功能键S3确认键S4软件复位S5细调节（+）S6细调节（）S7粗调节（+）S8粗调节（）第三章 检测电路的设计3.1 霍尔传感器的原理霍尔传感器是一种磁传感器。用它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔传感器以霍尔效应为基础，由霍尔元件和其附属电路组成的集成传感器。霍尔效应：图3.1.1 霍尔效应原理霍尔传感器：由于霍尔元件产生的电势差很小，故通常将霍尔元件与放大电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称为霍尔传感器。3.2 霍尔测速电路的设计霍尔传感器具有体积小，噪声低，灵敏度高，快速上电优点，实际安装方法如图3.2.1图3.2.1 霍尔传感器安装图在直流电机主轴上安装一个小磁钢，在电机转动后，没当小磁钢接近霍尔元件时，由霍尔元件的特性，此时霍尔输出为低电平，当小磁钢远离霍尔元件时，霍尔输出高电平，如此循环，测出直流电机的转速。 图3.2.2 霍尔元件连接图第四章 保护电路设计4.1 隔离驱动电路设计 4.1.1 光耦元件6N137的基本介绍 6N137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，其内部有一个850 nm波长AlGaAs LED和一个集成检测器组成，其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。具有温度、电流和电压补偿功能，高的输入输出隔离，LSTTL/TTL兼容，高速(典型为10MBd)，5mA的极小输入电流。工作参数：最大输入电流，低电平：250uA 最大输入电流，高电平：15mA 最大允许低电平电压(输出高)：0.8v 最大允许高电平电压：Vcc 最大电源电压、输出：5.5V 扇出(TTL负载)：8个(最多) 工作温度范围：-40C to +85C 典型应用：高速数字开关，马达控制系统和A/D转换等。6N137光耦合器的真值表输入使能输出HHLLHHHLHLLHHNCLLNCH4.1.2光耦元件隔离PWM信号的设计在6N137光耦合器的电源管脚旁应有个0.1uF的去耦电容。在选择电容类型时，应尽量选择高频特性好的电容器，如陶瓷电容或钽电容，并且尽量靠近6N137光耦合器的电源管脚； R118和R119分别为限流电阻，一般为500左右，不加限流电阻或阻值很小，6N137仍能工作，但发光二极管导通电流很大对Vcc1有较大冲击，尤其是数字波形较陡时，上升、下降沿的频谱很宽，会造成相当大的尖峰脉冲噪声。在Vcc2（脚8）和地（脚5）之间必须接一个C114和C115大小为0.1uF高频特性良好的电容，如瓷介质或钽电容，而且应尽量放在脚5和脚8附近。这个电容可以吸收电源线上的纹波，又可以减小光电隔离器接受端开关工作时对电源的冲击。脚7是使能端，当它在0-0.8V时强制输出为高（开路）；当它在2.0V-Vcc2时允许接收端工作。脚6是集电极开路输图 光耦元件隔离PWM信号出端，通常加上拉电阻R120和R121。虽然输出低电平时可吸收电路达13mA，但仍应当根据后级输入电路的需要选择阻值。因为电阻太小会使6N137耗电增大，加大对电源的冲击，使旁路电容无法吸收，而干扰整个模块的电源，甚至把尖峰噪声带到地线上。一般可选4.7k。C116和C117是输出负载的等效电容,一般取值为15pF，它和上拉电阻R120和R121影响器件的响应时间, 响应延迟为4875。4.2 检测元件的选择结论致谢这次毕业设计能够顺利完成，我要感谢曾经指导过我的老师，帮助我的同学的。谢谢你们的教诲、帮助和鼓励。首先：要特别感谢我的指导老师-许顺孝老师。在毕业设计的过程中许老师悉心指导，使我的理论知识和动手操作能力都有了较大的提高，在许老师身上，我看到了科研工作者所特有有严谨，严格要求自己的学习态度。通过这次毕业设计，使我对当前电子领域的研究状况和发展有了一定的了解，这对我今后在设计思路上，流程上有很大的帮助。其次：我还要感谢和我同组的蔡秀丽同学，因为她安排我们每周的答疑，和指导老师的沟通，使得我们的毕业设计有序，顺利完成。谢谢你！最后：对老师，同学以及所有帮助我的人们表示衷心的感谢！希望大家工作顺利，天天开心。参考文献【1】 赵晶 编著 电路设计与制版Protel 99高级应用 人民邮电出版社。【2】 王晓明 编著 电动机的单片机控制 北京航空航天大学出版社2002年5月。【3】 华成英 童诗白 编著 模拟电子技术基础（第四版） 高等教育出版社2006年5月。【4】 王兆安 刘进军 主编 电力电子技术 第5版 机械工业出版社2000.【5】 黄俊 王兆安. 主编 电力电子变流技术 第三版 北京：机械工业出版社，1993【6】 叶家金 编著 现代电力电子器件大功率晶体管的原理与应用 北京：中国铁道出版社，1992【7】 陈伯时 主编 电力拖动自动控制系统-运动控制系统 第3版 机械工业出版社，2010年6月【8】 苏彦民 编著 电力拖动系统的微型计算机控制. 西安：西安交通大学出版社，1988【9】 电源网/逆变论坛 附录袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂