基于单片机的矿用电机车调速系统设计(硬件)毕业设计论文.doc

湖南科技大学本科生毕业设计（论文）湖 南 科 技 大 学毕 业 设 计（ 论 文 ）题目基于单片机的矿用电机车调速系统设计（硬件）作者学院专业学号指导教师湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）任务书 潇 湘 学院 电气 系（教研室）系（教研室）主任: （签名） 年 月 日学生姓名: 胡智光 学号: 0554010409 专业: 电气工程及其自动化 1 设计（论文）题目及专题： 基于单片机的矿用电机车的调速系统设计(硬件) 2 学生设计（论文）时间：自 2009年2月 16 日开始至 2009 年 6月 5 日止3 设计（论文）所用资源和参考资料：（1）单片机原理与应用教程； （2）单片机原理与应用 （3）电气传动技术手册； （4）机电传动与控制； （5）单片机实验仿真； （6）矿用电机车电气原理图； 4 设计（论文）应完成的主要内容：第一章 绪论; 第二章 方案比较与选择； 第三章 控制原理分析； 第四章 主电路设计； 第五章 控制电路设计； 5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求：（1）提交的论文必须有文字版与电子版，论文字数不少于25000字； （2）论文格式要符合要求，内容完整，条理清楚； 6 发题时间： 2009 年 2 月 16 日指导教师： （签名）学 生： （签名）湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）指导人评语指导人： （签名）年 月 日 指导人评定成绩： 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）评阅人评语评阅人： （签名）年 月 日 评阅人评定成绩： 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）答辩记录日期： 学生： 学号： 班级： 题目： 提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：1 设计（论文）说明书共页2 设计（论文）图 纸共页3 指导人、评阅人评语共页毕业设计（论文）答辩委员会评语：答辩委员会主任： （签名）委员： （签名）（签名）（签名）（签名） 答辩成绩： 总评成绩： 摘 要本文主要介绍了基于单片机的矿用电机车的调速系统硬件设计，文中先对直流调速的原理，降压斩波电路控制方式及调速特性，PWM基本原理及实现方式进行了阐述。再将硬件分成主电路和控制电路分别进行描述。为实现系统的微机数字化控制，在设计中，采用了AT89C51单片机作为整个控制系统的控制电路的核心部分，配以各种显示、驱动、测量对模块，实现对电动机转速参数的显示和测量；主电路由整流电路、滤波电路组成，控制电路以单片微机为核心,组成包括电流检测模块、转速检测模块、保护模块等。在设计中，采用PWM调速方式，通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压，进而实现对电动机的调速。为了提高控制系统的性能和可靠性。关键词：AT89C51单片机；矿用电机车；调速ABSTRACTThis paper mainly introduces single-chip based on the mine locomotive power the speed control system hardware design，In this paper, first the principle of the DC converter, step-down chopper control mode and speed characteristics, PWM realization of the basic principles and methods ，Hardware and then into the main circuit and control circuits were described.To achieve the computer digital control, in terms of design, used AT89C51 as a whole control system of the control circuit core, and with all that driving, Measurement of modules to achieve the parameters of the motor speed display and measurement; rectifier circuit by circuit, the filter circuit, that the power conversion module components, the control circuit for a microcomputer core consists of current detection module, speed detection module, protection module. In the design, using PWM speed control mode by changing the duty cycle of the PWM thus changing the motor armature voltage, thereby realizing the right motor speed control.Keywords: AT89C51；Mine electric locomotive； speed control system 目 录第一章 绪论 11.1单片机控制调速系统发展现状11.2 矿用电机车简介11.3矿用电机车调速的发展趋势2第二章 方案比较与选择 2 2.1系统控制对象的确定 2 2.2电动机供电方案的选择 32.3系统结构选择 3第三章 控制原理分析 53.1 电动机调速原理53.2 降压斩波电路控制原理53.3 桥式降压斩波电路控制原理63.3 双闭环控制原理7第四章 系统主电路设计 94.1 主电路94.2 驱动电路104.3 参数计算和元件选择134.4 主电路器件表16第五章 控制电路设计 175.1 降压斩波电路175.2 AT89C51单片机介绍185.3 显示与键盘模块设计195.4 时钟电路设计205.5 复位电路215.6 故障检测及保护电路设计215.7 转速检测225.8 电流检测245.9 A/D转换器25结论 26参考文献 27致谢28附录A:线路总图29- 32 -第一章 绪论1.1单片机控制调速系统发展现状单片微型计算机的诞生是计算机发展史上的一个新的里程碑。近年来，随着技术的发展和进步，以及市场对产品功能和性能的要求不断提高，直流电动机的应用更加广泛，尤其是在智能机器人中的应用。直流电动机的起动和调速性能、过载能力强等特点显得十分重要，为了能够适应发展的要求，单闭环直流电动机的调速控制系统得到了很大的发展。而作为单片嵌入式系统的核心单片机，正朝着多功能、多选择、高速度、低功耗、低价格、大存储容量和强I/O功能等方向发展。随着计算机档次的不断提高，功能的不断完善，单片机已越来越广泛地应用在各种领域的控制、自动化、智能化等方面，特别是在直流电动机的调速控制系统中。这是因为单片机具有很多优点：体积小，功能全，抗干扰能力强，可靠性高，结构合理，指令丰富，控制功能强，造价低等。所以选用单片机作为控制系统的核心以提高整个系统的可靠性和可行性。1.2矿用电机车简介 主要用于主要用于井下运输大巷和地面的长距离运输。它相当于铁路运输中的电气机车头，牵引着由矿车或人车组成的列车在轨道上行走，完成对煤炭、矸石、材料、设备、人员的运送的电机车称为矿用电机车。矿用电机车由由机械部分和电气部分组成。机械部分包括：车架、轮对、轴承箱、弹簧托架、制动装置、撒砂装置、连接缓冲装置等。电气部分包括：直流串激电动机、控制器、电阻箱、受电弓、空气自动开关（架线式电机车）或隔爆插销、蓄电池（蓄电池电机车）。车架是机车的主体，是由厚钢板焊接而成的框架结构。除了轮对和轴承箱，机车上的机械和电气装置都安装在车架上。车架用弹簧托架支承在轴承箱上。运行中因常受到冲击、碰撞，而产生变形，所以应加大钢板厚度或采取相应的增加车架刚度的措施。轮对由两个车轮压装在一根轴上而成。车轮有两种，一种是轮箍和轮芯热压装在一起的结构；另一种是整体车轮。前者的优点是轮箍磨损到极限时，只更换轮箍不用整个车轮报废。驱动轮对有传动齿轮，电动机经齿轮减速后带动轮对旋转。轴箱是轴承箱的简称，与轮对两端的轴颈配合安装，轴箱两侧的滑槽与车架上的导轨相配，上面有安放弹簧托架的座孔。车架靠弹簧托架支承在轴箱上，轴箱是车架与轮对的连接点。轨道不平时，轮对与车架的相对运动发生在轴箱的滑槽与车架的导轨之间，并依靠弹簧托架起缓冲作用。 弹簧托架是一个组件，由弹簧、连杆、均衡梁组成。一种使用板簧的弹簧托架。每个轴箱上座装一付板簧，板簧用连杆与车架相连。均衡梁在轨道不平或局部有凹陷时，起均衡各车轮上负荷的作用。 矿用电机车的齿轮传动装置有两种型式：一种是单级开式齿轮传动，另一种是两级闭式齿轮减速箱。开式传动方式传动效率低，传动比较小，而闭式齿轮箱传动效率较高，齿轮使用寿命较长。1.3矿用电机车调速的发展趋势直流电动机在冶金、矿山、化工、交通、机械、纺织、航空等领域中已经得到广泛的应用。而以往直流电动机的控制只是简单的控制，很难进行调速，不能实现智能化。如今，直流电动机的调速控制已经离不开单片机的支持，单片机应用技术的飞速发展促进了自动控制技术的发展，使人类社会步入了自动化时代，单片机应用技术与其他学科领域交叉融合，促进了学科发展和专业更新，引发了新兴交叉学科与技术的不断涌现。现代科学技术的飞速发展，改变了世界，也改变了人类的生活。由于单片机的体积小、重量轻、功能强、抗干扰能力强、控制灵活、应用方便、价格低廉等特点，计算机性能的不断提高，单片机的应用也更加广泛特别是在各种领域的控制、自动化等方面。所以在本系统设计中我采用了由单片机控制单闭环直流电动机的调速控制系统。第二章 方案比较与选择2.1系统控制对象的确定；;；调速范围；低速时2.2电动机供电方案的选择变压器调速是直流调速系统用的主要方法，调节电枢供电电压所需的可控制电源通常有3种：旋转电流机组，静止可控整流器，直流斩波器和脉宽调制变换器。旋转变流机组简称G-M系统，适用于调速要求不高，要求可逆运行的系统，但其设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便。静止可控整流器和直流斩波器和脉宽调制变换器，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变Ud，从而实现平滑调速，且控制作用快速性能好，提高系统动态性能。但直流斩波器和脉宽调制交换器采用PWM受器件各量限制，适用于中、小功率的系统，静止可控整流器适用大功率的系统。根据本此设计的技术要求和特点选直流斩波器和脉宽调制交换器系统。在直流斩波器和脉宽调制交换器系统中，调节器给定电压，即可移动触发装置GT输出脉冲的相位，从而方便的改变整流器的输出，瞬时电压Ud。由于要求直流电压脉动较小，故采用三相整流电路。考虑使电路简单、经济且满足性能要求，选择IGBT三相全控桥交流器供电方案。因三相桥式全控整流电压的脉动频率比三相半波高，因而所需的平波电抗器的电感量可相应减少约一半，这是三相桥式整流电路的一大优点。并且IGBT可控整流装置无噪声、无磨损、响应快、体积小、重量轻、投资省。而且工作可靠，能耗小，效率高。同时，由于电机的容量较大，又要求电流的脉动小。综上选IGBT三相全控桥整流电路供电方案。2.3系统结构选择若采用转速负反馈和PI调节器的单闭环调速系统虽然可以在保证系统稳定的条件下实现转速无静差，不过当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，单闭环系统难以满足要求，因为在单闭环系统中不能完全按照需要来控制动态过程的电流或转矩，在单闭环调速系统中，只有电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只是在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形，当电流从最大值降低下来以后，电机转矩也随之减少，因而加速过程必然拖长。若采用双闭环调速系统，则可以近似在电机最大电流（转矩）受限的条件下，充分利用电机的允许过载能力，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度起动，到达稳态转速后，又可以让电流迅速降低下来，使转矩马上与负载相平衡，从而转入稳态运行，此时起动电流近似呈方形波，而转速近似是线性增长的，这是在最大电流（转矩）受到限制的条件下调速系统所能得到的最快的起动过程。采用转速电流双闭环调速系统，在系统中设置了两个调节器，分别调节转速和电流，二者之间实行串级联接，这样就可以实现在起动过程中只有电流负反馈，而它和转速负反馈不同时加到一个调节器的输入端，到达稳态转速后，只靠转速负反馈，不靠电流负反馈发挥主要的作用，这样就能够获得良好的静、动态性能。与带电流截止负反馈的单闭环系统相比，双闭环调速系统的静特性在负载电流小于Idm时表现为转速无静差，这时，转速负反馈起主调作用，系统表现为电流无静差。得到过电流的自动保护。显然静特性优于单闭环系统。在动态性能方面，双闭环系统在起动和升速过程中表现出很快的动态跟随性，在动态抗扰性能上，表现在具有较强的抗负载扰动，抗电网电压扰动。综上所述，本系统用直流斩波器和脉宽调制变换器第三章 控制原理分析3.1 电动机调速原理直流电机稳态转速 n 的表达式为：n= （3.1）式中U- 电枢端电压(V)I- 电枢电流(A)- 电枢电路总电阻()-每极磁通量(Wb)C-与电动机结构有关的常数由式2-1可知，直流电机稳态转速 n 的控制方法可氛围两类，即励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制磁通 ，其控制功率虽然较小，但低速时受到磁极饱和的限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制；而且由于励磁线圈电感较大，动态性能也较差。所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。设直流电源电压为U，将电枢串联成一个电阻R，接到电源 U，则稳态电压方程式为 U= U- IR （3.2）显然，调节电阻R既可改变端电压，达到调速的目的，但这种传统的调压调速方法，其效率太低，因此，随着电力电子技术的进步，发展了很多新的电枢电压控制方法，如：由交流电源供电，使用IGBT整流器进行相控调压；使用硅整流器将交流点整流成直流电，再由PWM降压斩波器进行斩波调压等。3.2 降压斩波电路控制原理IGBT相控调压或PWM斩波器调压比串电阻调压损耗小，效率高，而斩波调压比相控调压又多了不少优点，如需要的滤波装置很小甚至只利用电枢电感已经足够，不需要外加滤波装置；电动机的损耗和发热很小，动态响应较快等。图为PWM降压斩波器的原理电路及输出电压波形，在图3.1中，假定晶闸管 V 先导通了 T 秒（忽略 V 的管压降，这期间电源电压 U全部加到电枢上），然后关断了T 秒（这期间电枢端电压为零）。如此反复，则电枢端电压波形如图3.2中所示。电动机电枢端电压 U为其平均值。图3.1 PWM降压斩波器的原理电路图图3.2 PWM降压斩波器的输出电压波形图U= (3.3)式中 (3.4)为一个周期T中，绝缘栅双极型晶体管V 导通时间的比率,称为负载率或占空比。使用下面三种方法中的任何一种，都可以改变的值，从而达到调压的目的。(1) 定宽调频法。T保持一定，使T在0范围内变化。(2) 调宽调频法。T保持一定，使T在0范围内变化。(3) 定频调宽法。T+ T=T保持一定，使T在0T范围内变化。不管那种方法的变化范围均为01，因而电枢电压的平均值U 的调节范围为0-U ，均为正值，即电动机只能在某一方向调速。3.3 桥式降压斩波电路控制原理本文采用可逆调速，如图3.3中，绝缘栅双极型晶体管 VV,VV分别是同时导通关断的，设 V V 先导通T 秒后再同时关断,间隔一定时间之后。再时，VV同时导通T 秒后同时关断；如此反复。则可得到电动机电枢端电压波形如图3.4 所示。 3.3 桥式PWM降压斩波器原理电路图3.4 桥式PWM降压斩波器电压输出波形图电动机电枢端电压的平均值为 U= (3.5)由于01 , 范围是 - U+ U ,因而电动机可在正反两个方向调速运转。3.4 双闭环控制原理（1） 电流环的设计由主电路可知，电流反馈环是霍尔电流传感器(BHL)主电路电流进行检测，经过放大滤波后进入A/D转换器，再送入单片微机进行反馈控制，软件采用比例积分调节算法，有式 yk = + （3.6）式中，Ts为采样周期可知，PI调节的非递推位置算式为 （3.7）电流环的作用：（1）对内环内扰动起及时抗扰作用。（2）启动时保证系统在也许的最大电流下恒流启动。（3）调节电流，使电流跟随其给定电压Ui变化。（4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，从而起到快速的安全保护作用。（5）其输出限幅值用来限制min和min，防止丢脉冲，逆变失败。PWM调速系统采用PI算法的软件调节电流，电压环，由于采用饱和非线形控制，使两个调节系统发挥充分作用，系统具有很好的动静态特性，是一种非常实用的系统（2）转速环的设计转速闭环的转速反馈由直流测速发电机测速后，经过适当的滤波电路滤去杂波，再进入模数转换器，然后送入单片机进行转速控制。为了减少退饱和超调，采用积分分离的比例积分调节算法。当转速给定电压和转速反馈电压之差-=e小于某一设定值时，进行上面所讲的比例积分调节算法；而当e时，不再进行积分运算，即将积分分离出来。在e的情况下，将积分分离后有两种运算方法，一种是进行比例调节运算， 它适合用于比例系数较大的场合；另一种是直接输出限幅值，使电动机在最大容许的电枢电流下加速或减速，它适合于比例系数较小的场合。转速环的作用：（1）使转速环n跟随给定电压Un变化，达到静态无差。（2）对负载变化起抗扰作用。（3）其输出限幅用于限制最大电流。第四章 系统主电路设计4.1 主电路本设计整流电路由不可控的二极管三相桥式整流桥组成,采用功率晶体管GTR组成的直流PWM功率变换器。三相交流电源经三相桥式不可控整流器变换为电压恒定的直流电源,再经直流PWM功率变换器得到可调的直流电压,给直流电动机供电。主电路如图3-3所示从图中可以看出，380V电压经过六个二极管的全波整流，变为直流。采用大功率电容C滤波，以获得恒定的直流电压Us。由于电容容量过大，突加电源时相当于短路，势必产生很大的充电电流，容易损坏整流二极管，为了限制充电电流，在整流器和滤波电容之间串加限流电阻（或者电抗），合上电源以后，延时开关将短路，以免在运行中造成附加损耗。对于PWM变换器中的滤波电容，其作用除滤波外，还有当电动机制动时吸收运行系统动能的作用。由于直流电源靠二极管整流器供电，不可能回馈电能，电动机制动时只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作“泵升电压”。键入假设电压由Us提高到Usm，则电容储能由 增加到 ，储能的增量应该等于运动控制系统在制动时释放的全部动能，于是 （4.1）按制动储能要求选择的电容量为 （4.2）电力电子器件的耐压极限限制着最高泵升电压Usm，因此电容量不可能很小，一般几千瓦的调速系统所需的电容量达到数千微法。图4.1 单片机控制PWM直流调速系统主电路图4.2驱动电路(1)IGBT模块简介IGBT是Insulated Gate Bipolar Transistor(绝缘栅双极型晶体管)的缩写，IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动功率小和开关速度快的优点，又具有双极型器件饱和压降低而容量大的优点，其频率特性介于MOSFET与功率晶体管之间，可正常工作于几十kHz频率范围内，在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。若在IGBT的栅极和发射极之间加上驱动正电压，则MOSFET导通，这样PNP晶体管的集电极与基极之间成低阻状态而使得晶体管导通；若IGBT的栅极和发射极之间电压为0V，则MOS 截止，切断PNP晶体管基极电流的供给，使得晶体管截止。IGBT与MOSFET一样也是电压控制型器件，在它的栅极发射极间施加十几V的直流电压，只有在uA级的漏电流流过，基本上不消耗功率。IGBT模块的电压规格与所使用装置的输入电源即试电电源电压紧密相关。其相互关系见下表。使用中当IGBT模块集电极电流增大时，所产生的额定损耗亦变大。同时，开关损耗增大，使原件发热加剧，因此，选用IGBT模块时额定电流应大于负载电流。特别是用作高频开关时，由于开关损耗增大，发热加剧，选用时应该降等使用。由于IGBT模块为MOSFET结构，IGBT的栅极通过一层氧化膜与发射极实现电隔离。由于此氧化膜很薄，其击穿电压一般达到2030V。因此因静电而导致栅极击穿是IGBT失效的常见原因之一。因此使用中要注意以下几点：在使用模块时，尽量不要用手触摸驱动端子部分，当必须要触摸模块端子时，要先将人体或衣服上的静电用大电阻接地进行放电后，再触摸； 在用导电材料连接模块驱动端子时，在配线未接好之前请先不要接上模块； 尽量在底板良好接地的情况下操作。 在应用中有时虽然保证了栅极驱动电压没有超过栅极最大额定电压，但栅极连线的寄生电感和栅极与集电极间的电容耦合，也会产生使氧化层损坏的振荡电压。为此，通常采用双绞线来传送驱动信号，以减少寄生电感。在栅极连线中串联小电阻也可以抑制振荡电压。此外，在栅极发射极间开路时，若在集电极与发射极间加上电压，则随着集电极电位的变化，由于集电极有漏电流流过，栅极电位升高，集电极则有电流流过。这时，如果集电极与发射极间存在高电压，则有可能使IGBT发热及至损坏。在使用IGBT的场合，当栅极回路不正常或栅极回路损坏时(栅极处于开路状态)，若在主回路上加上电压，则IGBT就会损坏，为防止此类故障，应在栅极与发射极之间串接一只10K左右的电阻。在安装或更换IGBT模块时，应十分重视IGBT模块与散热片的接触面状态和拧紧程度。为了减少接触热阻，最好在散热器与IGBT模块间涂抹导热硅脂。一般散热片底部安装有散热风扇，当散热风扇损坏中散热片散热不良时将导致IGBT模块发热，而发生故障。因此对散热风扇应定期进行检查，一般在散热片上靠近IGBT模块的地方安装有温度感应器，当温度过高时将报警或停止IGBT模块工作。一般保存IGBT模块的场所，应保持常温常湿状态，不应偏离太大。常温的规定为535 ，常湿的规定在4575左右。在冬天特别干燥的地区，需用加湿机加湿; 尽量远离有腐蚀性气体或灰尘较多的场合； 在温度发生急剧变化的场所IGBT模块表面可能有结露水的现象，因此IGBT模块应放在温度变化较小的地方； 保管时，须注意不要在IGBT模块上堆放重物； 装IGBT模块的容器，应选用不带静电的容器。 IGBT模块由于具有多种优良的特性，使它得到了快速的发展和普及，已应用到电力电子的各方各面。因此熟悉IGBT模块性能，了解选择及使用时的注意事项对实际中的应用是十分必要的。IGBT 的工作特性包括静态和动态两类： （2） 静态特性IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。 IGBT 的伏安特性是指以栅源电压Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs 的控制，Ugs 越高， Id 越大。它与GTR 的输出特性相似也可分为饱和区1 、放大区2 和击穿特性3 部分。在截止状态下的IGBT ，正向电压由J2 结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+ 缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT 的某些应用范围。 IGBT 的转移特性是指输出漏极电流Id 与栅源电压Ugs 之间的关系曲线。它与MOSFET 的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th) 时，IGBT 处于关断状态。在IGBT 导通后的大部分漏极电流范围内， Id 与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。 IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时，由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其B 值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET 的电流成为IGBT 总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on) 可用下式表示 Uds(on) Uj1 Udr IdRoh 式中Uj1 JI 结的正向电压，其值为0.7 1V ；Udr 扩展电阻Rdr 上的压降；Roh 沟道电阻。 通态电流Ids 可用下式表示： Ids=(1+Bpnp)Imos 式中Imos 流过MOSFET 的电流。 由于N+ 区存在电导调制效应，所以IGBT 的通态压降小，耐压1000V的IGBT 通态压降为2 3V 。IGBT 处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。 （3） 动态特性IGBT 在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET 来运行的，只是在漏源电压Uds 下降过程后期， PNP 晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on) 为开通延迟时间， tri 为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton 即为td (on) tri 之和。漏源电压的下降时间由tfe1 和tfe2 组成。 IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极- 发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。 IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td(off)为关断延迟时间，trv为电压Uds(f)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由图中的t(f1)和t(f2)两段组成，而漏极电流的关断时间 t(off)=td(off)+trv十t(f) 式中，td(off)与trv之和又称为存储时间。 IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约34V，和MOSFET相当。IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。 （4）光电隔离及驱动电路设计由于输出的PWM控制信号功率很小无法直接驱动IGBT，要经过脉冲功率放大后才能驱动IGBT。脉冲功率放大电路选用模块EX359，其电源电压为12V，输入信号45V，输出电压1.6V（对应IGBT导通）和-2V（对应IGBT关断），工作频率为25kHz，可驱动50A以下的逆变器，其内部电路如图3-5所示。图3-5 光电隔离及驱动电路图X359是一个带有光电隔离器的功率放大电路，电路工作原理如下：当VT 为“1”时，发光二极管导通发光，使光敏三极管导通，于是 VT与复合管VT导通.VT导通使复合管VT截止，+5V电源通过 VT和R输出一驱动电流，使GTR导通。当V 变为“0”时，发光二极管截止，光敏三极管截止，于是VT VT放电，给IGBT提供一个2V左右的反向偏压，使快速可靠的截止。4.3参数计算和元件选择（1）大功率开关管的计算PWM调速方法的直流利用率约为0.926，即，输出380V的线电压，要求直流侧电源电压. （4.3）考虑到大功率绝缘栅双极型晶体管的管压降等，取=450V，则大功率绝缘栅双极型晶体管的参数为 （4.4） （4.5）（2）三相整流桥电压估算整流桥输入侧相电压为直流侧电压值可估算如下：取电动机功率为0.75，则电动机的输入功率。取变换器的效率为0.925，则直流侧的功率为故直流侧电流。取3倍裕量，则整流器输出电流应达到288A。整流二极管最高反电压为： （4.6）取两倍裕量，则二极管耐压应可达940V。基于以上数据，选用整流模块DF300AA160作为整流器，其最大输出电流为300A，最高耐压为1600V。（3）LC滤波器参数计算 整流桥输出端所并接的电容除滤除整流后的电压纹波，并在负载变化时保持电平平稳。另外脉宽调速系统的电动机减速或停车时，储存在电动机和负载转动部分的动能将由电容器吸收，所以电容量较大（一般容量在几千瓦系统中，电容要几千微法）这里选两个2000的电容并联使用，使总容量达到4000，电压按大于2倍电压选取。滤波电感主要是用来限制电流脉动和短路电流上升率，按绝缘栅双极型晶体管三相桥式整流电电路限制电流脉动的电感算式估算如下（取Si=10%） （4.7）考虑到整流变压器和电动机存在一定的电感量，实际串联电感为5mH。选择两感量各为2.5mH。额定电流不小于96A的电抗器并联。（4）交流侧阻容吸收电路参数计算 按照绝缘栅双极型晶体管三相桥式整流电路直流侧阻容吸收电路参数算式进行估算 （4.8）三相整流桥中，所以得 （4.9） （4.10）其中，选 CZJ系列电容。电阻的额定功率选为10W，选取RJ系统金属膜电阻。VD1、VD2选用2CP1G，额定电流为25A，最高耐压为1200V。大功率晶体管阻容保护电路 取电动机起制动电流为额定电流的3倍，BTIJ的关断时间为。泵升电压为50v为则 （4.11）取为1、1200V 的电容，阻值取100(5) 电抗器参数计算与选择对绝缘栅双极型晶体管直流调速系统，当负载电流较小，会出现电流断续的现象，使电动机的机械特性变软，影响系统的静、动态性能。电动机电枢电感一般较小，不能满足电流连续的要求，故必须在绝缘栅双极型晶体管输出电路中串入电抗器。其临界电感量Lcr计算公式为 （4.12）(6) 关于IGBT的选择对于PWM变换器主电路大功率IGBT的选择，则需要根据电动机的额定电压和额定电流来选择。绝缘栅双极型晶体管的最大集电极电流ICM应大于最大工作电流；IGBT的耐压应根据反向击穿电压U(BR)CEO来估算。工程实践中，可按式3-2选择绝缘栅双极型晶体管的电压和耐压 （4.13）4.4 主电路器件表器件名称 器件型号 器件数量 器件功能三相电源YF31001供电熔断器OHB145J121保护电路二极管2CP1G14开关作用IGBTMG100Q1ZS404开关作用电阻RJ系统金属膜电阻7分压分流电容CZJ系列6滤波电抗器CKGKL1平波 第五章 系统控制电路设计5.1 降压斩波电路斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会出现反电动势，如图5-1中Em所示工作原理，两个阶段t=0时V导通，E向负载供电，uo=E，io按指数曲线上升t=t1时V关断，io经VD续流，uo近似为零，io呈指数曲线下降为使io连续且脉动小，通常使L值较大图5.1 降压斩波电路的原理图电流连续时，负载电压平均值 （5.1）导通占空比，简称占空比或导通比Uo最大为E，减小a，Uo随之减小降压斩波电路。也称为Buck变换器（Buck Converter）。负载电流平均值 （5.2）电流断续时，uo平均值会被抬高，一般不希望出现斩波电路三种控制方式（1）脉冲宽度调制（PWM）或脉冲调宽型T不变，调节ton（2）频率调制或调频型ton不变，改变T（3）混合型ton和T都可调，使占空比改变其中PWM控制方式应用最多基于“分段线性”的思想，可对降压斩波电路进行解析5.2 AT89C51单片机介绍单片机采用ATMEL公司的89C51。它有8K 字节的ROM，256个字节的RAM 以及32个I/O 口。本读写器以AT89C51为内核。ATMEL公司生产的此型号单片机是一种低功耗、高性能的8位CMOS微处理器芯片。片内带有4KB的闪烁可编程及可檫除只读存储器，外部可扩展64K的程序空间和64K的数据存储空间（I/O空间）。与工业标准的80C51指令集相兼容，DIP40封装。片上的EPROM允许在线对程序存储器重新编程，也可以用常规的非易挥发存储芯片编程器编程。其引脚图如图5.2所示，各引脚功能如表5.1所示：图5.2 AT89C51引脚图它的特点可归纳为：与MCS-51微控制器产品系列兼容。片内有4KB可在线重复编程的快闪檫写存储器（Flash Memory）。存储器可循环写入/擦除1000次。存储数据保存时间为10年。宽工作电压范围：Vcc可为：2.7V6V。全静态工作：可从0Hz16MHz。1288位内部RAM。32条可编程I/0线。两个16位定时器/计数器。中断结构具有6个中断源和2个优先级。可编程全双工串行通道。空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容。且有丰富的寻址命令集。表5.1 AT89C51的引脚功能表引脚符号功能40Vcc电源端，为+5V20GND接地端18XTAL2接外部晶体和微调电容。采用外部时钟电路，输入外部时钟脉冲19XTAL1接外部晶体和微调电容另一端。采用外部时钟电路时，必须接地9RST/VPDRST是复位信号接入端，高电平有效。VPD是备用电源输入端30ALE/ALE低字节地址锁寸允许输入端。编程脉冲输入端29程序存储允许输出信号端31/Vpp外部程序存储器访问允许信号。当信号接地时,对ROM的读操作限定在外部程序存储器,当接VCC时,对ROM的读操作从内部程序存储器开始,并可延续至外部程序存储器.在编程时,该引脚可接编程电压,在编程校验时,该引脚可接Vcc.3239P0口漏极开路的8位准双向I/O端口18P1口带内部上拉电阻的8位标准的准双向I/O口2128P2口带内部上拉电阻的8位准双向I/O口1017P3口带内部上拉电阻的8位准双向I/O口，每个引脚还有特殊功能5.3 显示模块的设计数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。选择8155作为显示和键盘驱动芯片，显示原理从8155的PB口输出要显示的数据再经过74LS373驱动后通过拉作为为数码管的BCD输入。同时单片机对位选