【《双闭环直流调速控制系统的硬件部分设计案例》8100字】

双闭环直流调速控制系统的硬件部分设计案例1.1系统总体结构设计图1.1系统原理图 本设计为直流调速系统，采用传统的电流电环与转速外环构成的双闭环直流调速系统。主电路由桥式整流电路，整流并滤波后得到直流电源，作为电机的供电电源。控制电路单片机AT89S51产生受PID控制器控制的PWM信号，经光耦隔离与IR2110构成的驱动电路驱动4个IGBT（SGL160N60UFD）的导通、关断时间占空比，以此控制直流电机的转速。分别通过电压、电流与转速检测模块，配合AD转换器ADC0809，检测电机的电枢电压，电枢电流与转速，并将电流与转速作为反馈，构成电流、转速双闭环。此外，电流信号与电压信号还用于控制电机启停时的保护电路。键盘与显示模块作为本系统的人机交互接口。1.2硬件资源分配根据设计的任务与需求，本设计选用AT89S52作为系统的核心控制器件产生PWM脉冲信号，PWM信号由控制芯片的P2.0与P2.1引脚输出，送入由IR2110为核心组成的电机驱动电路，用以控制直流电机的转速变化。并扩展了一片81C55芯片，作为系统的IO扩展模块，81C55由P0.0~P0.7、P2.6与P2.7控制。显示模块由81C55的PB0~PB7与PC0~PC4引出，用以显示直流电机工作时的各种参数。AD转换电路从ADC0809的IN0与IN1引脚分别接收电流检测电路与电压电测电路的模拟信号，并转换为数字信号后，由81C55送入单片机。ADC0809的D0~D7连接81C55的PA0~PA7进行数据交换。转速检测电路由光电编码器产生脉冲信号，送入单片机的P2.2引脚，用以检测电机转速。键盘电路采用了典型的4×4矩阵键盘，算法上使用行列扫描法，由单片机的P1.0~P1.7接入。图1.2为系统硬件资源分配图。图1.2系统硬件资源分配图1.3控制器模块设计AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。图1.3AT89S51引脚图AT89S52具有如下特点：40个引脚，8kBytesFlash片内程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器(RAM)，32个外部双向输入/输出(I/O)口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗(WDT)电路，片内时钟振荡器。此外,AT89s52设计并应用配置的直流振荡电源频率控制范围可为0Hz且保证用户随时可以通过应用软件自动选择设置各种省电工作模式。在定时空闲待机模式下,CPU自动暂停外部各中断口的工作,而通过RAM定时振荡计数器,串行口,外部的中断控制系统则自动允许芯片继续中断工作,掉电待机模式下则会停止使定时振荡器自动冻结保存在外部的中断,从而暂时停止芯片其它部分的工作功能,直到外部的中断被硬件激活复位或硬件重新启动复位。同时这种信号芯片也是分别采用具有PDIP、TQFP和PLCC等三种不同信号类型封装设计方式,以便于满足不同信号类型电子产品的应用要求。在本设计中选用AT89S52作为系统的核心控制器件，能够对其引脚充分的利用，并且在设计过程中，通过对AT89S52的学习与应用，让我们能够对对单片机控制技术的原理与基本操作有一个由浅入深的了解，很适合现阶段我们的学习与设计。1.4IO扩展模块设计 本设计中考虑到IO口引脚资源的问题，故选用81C55作为IO扩展芯片，对ATA89S51单片机的IO口进行扩展。81C55是常用的一种可以扩展接入单片化主机机的IO口和数据传输资源的并口芯片,81C55的设计原理就是只通过扩展利用一个并口单片机的一个可以并行的接口,使其他机能够同时扩展接入输出几个机的并口,使得一个使用单片机可以能够同时扩展接入到其他机的更多并口设备。1.1.181C55引脚图及其功能图1.481C55引脚图81C55具有40个引脚，采用双列直插式封装，其引脚图如图1.4所示，内部结构框图如图1.5所示，各引脚作用为： 地址/数据线AD0~AD7（8条）：是低8位地址线和数据线的公共输入总线，常和51单片机的P0口相连接，用于分时传送数据，当ALLE=1是，转送的是地址。 I/O口总线（22条）：PA0~PA7、PB0~PB7分别为A、B口线，用于与外设之间传递数据；PC0~PC5、为C端口线，即可与外设传送数据，也可作为A、B口的控制联络线。 RESET：复位线，通常与单片机的复位端相连，复位后，81C55的3个端口都为输入方式。 WR/RD:读/写线，控制81C55的读、写操作。 ALE：一条两个地址间的锁存线,高电平有效。它常与外部单片机的一个ALE端口口相连,在一个ALE的上上下降运行路径沿将一个从外部单片控主机中的P0口终端输入的低8位程序地址数据信息通过锁存器送到8155内部的8位地址锁存器中。所以,单片机的一个P0口与81C55相同在连接时也就没有必要给它外接一个锁存器。 CS：片选线，低电平有效。 IO/M：RAM或I/O口的选择线。当其=0时，选中的256BRAM；当其=1时，选中81C55片内3个I/O端口以及命令/状态寄存器和定时/计数器。 TIMERIN、TIMEROUT：定时/计数器控制脉冲的主要输入、输出控制电路。TIMERIN分别是位于一条带有脉冲线的输入线和控制线,其中每个脉冲输入分别在81C55内部的14位定时/方波计数器上进行加1;TIMEROUT位于一根脉冲输出线,当每个计数器被脉冲设置为定时计满零或返回0时,81C55从该条输出线上分别输出一个定时脉冲或者一个方波,其脉冲波形和频率大小由每个计数器的具体应用工作原理模式所直接决定。图1.581C55内部结构图1.5驱动模块设计驱动模块是连接控制器与执行器之间的桥梁，由于单片机的I/O口不能直接驱动电机，所以需要在单片机与直流电机之间加上驱动电路，本设计选用IR2110驱动芯片驱动4个IGBT（SGL160N60UFD）管构成的H桥驱动电路，每个IR2110控制电机上下两个桥臂的一组IGBT，每组IR2110控制的两个IGBT交替导通，以保证直流电机能够实现正反转。1.5.1IGBTIGBT(绝缘栅双极型晶体管),是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。广泛应用于小体积、高效率的变频电源、电机调速、UPS及逆变焊机当中。本设计选用SGL160N60UFD型号的IGBT作为本设计的开关器件，通过单片机发出的PWM信号控制SGL160N60UFD的导通与关断时间的占空比，以此控制直流电机电枢电压，进而控制电机转速。在本设计中要求中，Z2-91型直流电机的额定工作电压为220V，额定工作电流为120A。而SGL160N60UFD的最大工作电流为120A，最高耐压值为600V，满足设计需求。故选用SGL160N60UFD作为本设计H桥驱动电路的IGBT。1.5.2驱动电路IGBT驱动电路需满足以下要求：1、为保证IGBT可靠开通，应使驱动电压高于IGBT开启电压一般要让IGBT打开的电压在5-6V，但是，为了充分的打开IGBT，让其在饱和区工作，以降低导通损耗，一般驱动电压可以到15V。2、在IGBT关断期间，由于其他部分电路工作，会导致栅极回路中产生高频震荡信号，这些信号轻则使本该截止的IGBT管微导通，增加IGBT的损耗，重则使驱动电路短路。因此，需给截止状态的IGBT栅极加一个反向偏压，该反向偏压一般为5-15V。3、由于功率IGBT在电力电子设备中多用于高压场合，要有足够的输入输出电隔离能力所以在控制电路与主电路之间要设计电气隔离一般采用光耦隔离和变压器隔离。4、栅极需设计电压限幅电路，保护栅极不被击穿。IGBT的栅极极限电压一般为+20V，控制信号超出此电压范围就有可能击穿IGBT。5、IGBT的栅极驱动电路应尽可能简单。具有保护IGBT的功能，具有足够的抗干扰能力，输出阻抗要尽可能低。2.2IR2110芯片 为满足驱动电路需求，本设计选用IR2110作为IGBT的驱动芯片。IR2110是由一家美国国际整流器公司(InternationalRectifierCompany)公司利用自己公司独有的栅极高压驱动集成电路和智能无线阀门锁COMS等技术,在1990年前后自行研究设计开发并正式量产投入市场的最先进大规模功率整流MOSFET和IGBT高压专用整流栅极高压驱动整流集成电路。该驱动单元器件具备每个芯片模块体积小(DIP-14、SOIC-16),集成应用程度高(可以允许一个芯片模块可以同时分别驱动不同的高压桥臂两条),响应速度快(ton/tof=120/94ns),偏值低和输出输入电压高(<600v),驱动保护能力强,内设附带欠压保护封锁,而且它的安装成本低,易于进行安装和正常调试,并且还可以设有外部附带保护式欠压封锁的控制端口。尤其重要的一点是上接下管板在驱动时需要采用外部电源自举式上接电容进行上接,使得上管驱动器的电源和回路的电容数量比其他的IC上管驱动大幅度的减少。对4管驱动组所连接构成的完整全直流桥驱动电路,采用2片IR2110驱动2个直流桥臂,仅根据实际需要分别同时配备一路10一20v的直流电源,从而不仅可以大大缩短和有效减少了微控制器和变压器的系统工作时间体积和占用电源量,降低了系统生产成本,提高系统的正常运行性和可靠性。2.2.1、IR2110引脚及功能图1.6IR2110引脚图IR2110各引脚功能LO（引脚1）：低端输出COM（引脚2）：公共端Vcc（引脚3）：低端固定电源电压Nc（引脚4）：空端Vs（引脚5）：高端浮置电源偏移电压VB（引脚6）：高端浮置电源电压HO（引脚7）：高端输出Nc（引脚8）：空端VDD（引脚9）：逻辑电源电压HIN（引脚10）：逻辑高端输入SD（引脚11）：关断LIN（引脚12）：逻辑低端输入Vss（引脚13）：逻辑电路地电位端，其值可以为0VNc（引脚14）：空端2.2.2IR2110内部结构图1.7IR2110内部结构图IR2110的芯片内部结构及其设计工作结构原理及其设计结构框图可参见图1.7中内容所示。图中图为HIN和图中LIN为两个逆变桥中同一个逆变桥臂上下两个分别具有相同脉冲功率因数MOS的脉冲驱动端和脉冲输出信号的两个输入端。SD为接入保护电路信号的接出输入端,当该输入脚被连接到高电平时,IR2110的接入输出保护信号完全被自动闭合或完全封锁,其相邻端对应的一个输出输入端必须恒为高或低电平;而且当该输入脚与其连接端达到低或高电平时,IR2110的接入输出保护信号可能会随着它的HUN和它的LIN而同时发生很大改变,在实际的保护电路里,该端就连接到了一个用户端的保护信号电路的接入输出。H0和L0分别看作是两路电流驱动的桥臂信号接入输出的两端,驱动相同一根驱动桥臂的绝缘栅双极型晶体管IGBT。2.2.3IR2110应用电路IR2110驱动电路半桥的自举集成电路具体结构原理如下面右图图示所示,其中的C1、VD1分别主要是用来作为一个驱动自举集成电容与一个驱动自举二极管,C2是用来作为位于VCC的一个驱动滤波器中的集成电容。假设一个C1在遇到S1关断时已将C1充满并为它补给了一个足够的直流工作电压(VC1VCC)。图5IR2110应用电路图当HIN为高电平时如图5：VM1开通，VM2关断，VC1加到S1的栅极和源极之间，C1通过VM1，Rg1和栅极和源极形成回路放电，这时C1就相当于一个电压源，从而使S1导通。由于LIN与HIN是一对互补输入信号，所以此时LIN为低电平，VM3关断，VM4导通，这时聚集在S2栅极和源极的电荷在芯片内部通过Rg2迅速对地放电，由于死区时间影响使S2在S1开通之前迅速关断。当HIN为低电平时如图6：VM1关断，VM2导通，这时聚集在S1栅极和源极的电荷在芯片内部通过Rg1迅速放电使S1关断。经过短暂的死区时间LIN为高电平，VM3导通，VM4关断使VCC经过Rg2和S2的栅极和源极形成回路，使S2开通。在此同时VCC经自举二极管，C1和S2形成回路，对C1进行充电，迅速为C1补充能量，如此循环反复。图6IR2110原理图3、IR2110负压产生电路在一些采用较大电流功率电源IGBT的应用场合,各路径的驱动关断电源分别独立,集成式的驱动关断芯片一般都需要具备分别产生正正负电流得的驱动功能,例如具有EXB841系列,M57957系列等,在每个IGBT驱动关断期间对每个栅极上下各施加一个正负交流电压,一般电流范围大约为-3~-5V。它的主要作用同时也主要是为了大大提高了与IGBT等相关断的系统工作可靠度。并且它还要注意防止因为特密勒克斯效应作用引起的测量误差而使存在空气中的流量系统受到较大干扰。IR2110芯片内部虽然没有直接操作产生内部负压的操作功能,但是我们却发现可以直接通过芯片外加几个无源稳压器件的操作方式使用来直接操作实现这种直接产生内部负压得到的功能,如波形图7所示。上下二极管的负压驱动控制电路中均需要添加由一个高压直流电容及5V稳压管电容构成的高频交流负压驱动电路。图7IR2110负压产生电路其主要基本工作电路原理也就是:整个电源的过充电压电流设定为20V,在进行上述充电期间,电源电流会直接经Rg给定的Cg栅极进行高压充电,CCg保持5V的有源电压,在设定LIN为电源高电平时,L0会输出0V,此时S2栅极上的有源电压电流设定相应为-5V,从而直接使得整个电源完全实现了高压开关时的直流负压。对于上管S1,HIN为高电平时,HO输出为20V,加在栅极上的电压为15V。当HIN为低电平时,HO输出0V,S1栅极为-5V。IGBT是一种受电压控制的电压型的驱动器件,所以驱动电容为额定负压型的在负压驱动电容上在C5,C6上的驱动电压电平波动较小,维持在5V,自举稳压电容上的驱动电压也可以保持在20V左右,只有当下面的管线与S2导线接通的瞬间才可能会出现有一个短暂的电压充电驱动过程。IGBT的导线接通压力下降一般电流不宜超过小于3V,负压大于电容C5的导线充电正常工作则一般需要在S2导线接通期间充电才能正常进行。对于它的C5、C6的栅极选型,要求它的IGBT栅极电路输出的寄生电容中的Ciss必须大于。自举固定电容驱动电容器电路设计中的驱动二极管元件D1必须设置为快速或修复式二极管,应注意保证两端留有一个足够的工作电流使其剩余。此降压电路和一般带供电负压的直流驱动器供电芯片所降压产生的直流负压及其工作电路原理相同,直流降压母线上再次降压叠加5V的直流负压。2.3电气隔离由于IR2110自身没有带电气的隔离区域,为了防止低压信号直接窜入到电机的控制电路中而对该控制电路造成干扰,因此我们需要将其添加到驱动电路与单片机的控制电路之间增设一个隔离区域。常见的电磁隔离技术主要包括:光耦隔离技术和电磁隔离技术。因为本文主要选用PWM的方式进行调制和调速,其工作频率普遍相对较高,可以达到20KHz,电磁隔离方式很难达到这个要求,因此在这里建议选择光耦隔离。本文选择了在驱动电路与单片机控制电路之间增加一个光耦6N136芯片来进行传感器的隔离,光耦对其进行隔离的工作电路如图8所示。因为本文选用PWM方式调制调速，其工作频率一般较高，达到20KHZ，电磁隔离的方式难以达到要求，因此这里选用光耦隔离方式。本文选择在驱动电路和单片机控制电路之间加光耦6N136芯片进行隔离，光耦隔离电路如图8所示。因为本文选用PWM方式调制调速，所以在芯片6N136的3引脚接口PWM输入信号为高电平时，其输出端6引脚PWM也输出高电平;相反，当3引脚输入低电平时，6引脚亦输出低电平。图8光耦隔离电路图三、检测电路1．电流检测由于该系统是采用电流、转速双闭环控制,故在设计时需要针对各个电动机中心回路上的电流及发动机的转速做出相应的取样。对于电流的采样具有两个多方面的作用,一方面是应用于对系统中各个电流循环的控制,另外一方面也可以通过对采集的电流信号进行分析判断系统是否电流过大。若电流过大可以控制微控制器发出指令使系统工作停止。检测电流方法一般有两种分别是有霍尔传感器检测法和采样电阻检测法。虽然霍尔传感器的各种检测原理方法一般具有检测精度高、电路简单等几大特点,但它们的使用成本不是太高一般都只是在那些同时需要较高检测精度的专门电子技术检测场所中得到应用。采样交流电阻计算法的工作原理不仅是简便而且可以快速执行。本次电流控制管理系统测试选择了一种采用多样式直流电阻补偿方法计算测得的最大电流。其中的电路检测控制电路设计框图整体结构设计如下文框图所示,本次电路设计中我们分别采用0.01欧康明斯铜丝芯片来对两个主检测电路电流进行了两个电流的二次采样,康明斯铜丝将主电路检测控制电路的两个电流运算信号转换成小型的电压放大信号,电压放小信号在LM258构成的电流运算波和放大滤波电路中对于两个电压放小信号的放大值分别进行了再次放大至3.3V,通过将两个电压放大信号的运算滤波和放大限流再次分别送入ADC0809进行了模数转换,最后将限流值再次送入单片机。图9电流检测电路图2.电压检测 在本设计中，加入了电压检测的功能，以便对电机电枢电压的实时监测。此外，为保护在电机在快速减速的过程中不被过电压损害，也需要加入一个受电压量控制的耗能制动电路。本设计采用采样电阻法对电机电枢端电压进行检测。电机电枢端电压经采样电阻R1、R2分压后，得到的电压信号经LM285组成的运算放大电路放大到3.3V，再经过滤波后送入AD转换器ADC0809。图10电压检测电路3.转速检测 直流调速系统中，速度一般有三种转速采样方法:测速发电机、脉冲编码器、对电枢电压采样。(1)使用测速发电机测速机测转速法是利用直流发电机在恒定励磁下，测速电机的电压和轴上的转速成正比。所以在测速时只需将测速机和被测转速轴直接连接，就能得相应的电压，该电压信号和转速有线性关系。所以测速发电机测转速法是将速度信号转换成电压信号的一种方法。(2)对电枢电压采样电枢电压信号采样需要接在电动机电枢两端的电位器上，这种连线方式比较简单，但是容易把功率地与控制回路地串连在一起，容易发生事故。所以从安全角度上考虑一般不采用此种办法。(3)脉冲编码器测速发脉冲编码,是一种在圆周上均匀刻着有光栅的小圆盘。将码盘与电机的轴相互连接,当码盘跟着电机一起旋转时,码盘上的激励信号光栅会在电子或者其他传感器的激励信号作用下转变为脉冲,而这个脉冲的振荡频率与电机的转速大小成正比。对比其他两种自动测速系统方式由于这种脉冲信号编码器在自动测速时将结果直接输出为一个转速数字信号,所以我们通常可以直接用这种脉冲信号来快速确定各种电动机的工作转速,因此在这种测速情况下我在控制的各种电动机测速系统中就大多采用了这种脉冲信号编码器方式来进行测速。转速脉冲采样的信号反馈控制电路基本结构如软件图10所示,H2B6为光电信号传感器,由H2B6检测后所得到的一组脉冲采样信号经三极管构成的电路进行放大处理后,再经过电容与光耦隔离芯片PC817对脉冲信号的放大转速采样进行了滤波处理和光电隔离,接着从光耦隔离芯片PC817输出的脉冲信号为5V,经电容滤波后再通过连接ADC0809进行了模数信号变换,最后将脉冲信号的数值送入单片机。图10转速检测电路图四键盘电路根据本设计的任务要求,本次控制系统中采用4×4键盘来实现对驱动电机的转速与正反方向旋转的自动控制,以及电机的启动、停止、暂时、继续等方式的控制,其工作原理电路图如下图11所示。图中L0~L3为4×4键盘的列表信号,H0~H3为4×4键盘的行信号。在本次测试系统中,用P1.0~P1.3连接到该键盘上的各种类型的列信号L0~L3;用P1.4~P1.7连接到该键盘上的行信号H0~H3。按照需求来设计的操作界面板结构如图11所示:图11键盘电路图五．显示电路 在本设计中，需要对电机的各项参数与运行状态进行显示，而考虑到一般的LED数码管显示汉字与字母，1602LCD液晶屏显示资源较少，而本设计需显示参数较多，因此，LED与1602LCD均不能很好的满足本设计的需求。故选用12864LCD液晶显示屏作为本设计的显示器。LCD12864是一种图形点阵液晶显示器,主要由行驱动器、列驱动器及128×64全点阵液晶显示器组成，