第一章 前言
1. 引言 1.1開發(fā)背景 現代工業(yè)生產中，電動機是主要的驅動設備，伴隨著電子技術的高度發(fā)展，促使直流電機正反向調速驅動逐步從模擬化向數字化轉變，特別是單片機技術的應用，使其又進入到一個新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢。長期以來，直流電機以其良好的線性特性、優(yōu)異的控制性能等特點成為大多數變速運動控制和閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)的最佳選擇。特別隨著計算機在控制領域，高開關頻率、全控型第二代電力半導體器件(GTR、GTO、MOSFET、IGBT等)的發(fā)展，以及脈寬調制(PWM)直流調速技術的應用，直流電機得到廣泛應用。為適應小型直流電機的使用需求，各半導體廠商推出了直流電機控制專用集成電路，構成基于微處理器控制的直流電機伺服系統(tǒng)。但是，專用集成電路構成的直流電機驅動器的輸出功率有限，不適合大功率直流電機驅動需求。因此采用N溝道增強型場效應管構建H橋，實現大功率直流電機驅動控制。該驅動電路能夠滿足各種類型直流電機需求，并具有快速、精確、高效、低功耗等特點，可直接與微處理器接口，可應用PWM技術實現直流電機調速控制。 PWM控制的基本原理很早就已經提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀80年代以前一直未能實現。直到進入上世紀80年代，隨著全控型電力電子器件的出現和迅速發(fā)展，PWM控制技術才真正得到應用。隨著電力電子技術、微電子技術和自動控制技術的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現代控制理論、非線性系統(tǒng)控制思想的應用，PWM控制技術獲得了空前的發(fā)展，到目前為止，已經出現了多種PWM控制技術。
1.2選題的目的和意義 直流電動機具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，在許多需要調速或快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。從控制的角度來看，直流調速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎。早期直流電動機的控制均以模擬電路為基礎，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調試困難，阻礙了直流電動機控制技術的發(fā)展和應用范圍的推廣。隨著單片機技術的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件技術來完成，為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達到更高的性能。采用單片機構成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率。 傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用模擬元件，雖在一定程度上滿足了生產要求，但是因為元件容易老化和在使用中易受外界干擾影響，并且線路復雜、通用性差，控制效果受到器件性能、溫度等因素的影響，故系統(tǒng)的運行可靠性及準確性得不到保證，甚至出現事故。 目前，直流電動機調速系統(tǒng)數字化已經走向實用化，伴隨著電子技術的高度發(fā)展，促使直流電機調速逐步從模擬化向數字化轉變，特別是單片機技術的應用，使直流電機調速技術又進入到一個新的階段，智能化、高可靠性已成為它發(fā)展的趨勢。
1.3 研究方法 直流電機控制系統(tǒng)是動力系統(tǒng)的“CPU”，其具有十分重要的作用，對直流電機控制系統(tǒng)的設計必須要高度重視，準確把握系統(tǒng)功能與性能要求，提高設計的質量。對于單向的電機驅動，只要用一個大功率三極管或場效應管或繼電器直接帶動電機即可，當電機需要雙向轉動時，可以使用由4 個功率元件組成的H 橋電路或者使用一個雙刀雙擲的繼電器。如果不需要調速，只要使用繼電器即可；但如果需要調速，可以使用三極管，場效應管等開關元件實現PWM（脈沖寬度調制）調速。對于PWM 調速的電機控制系統(tǒng)要滿足以下性能指標：輸出電流和電壓范圍滿足需要，它決定著電路能驅動多大功率的電機；效率高能耗低，要提高電路的效率，可以從保證功率器件的開關工作狀態(tài)和防止共態(tài)導通（H 橋或推挽電路可能出現的一個問題，即2 個功率器件同時導通使電源短路）入手；功率電路對其輸入端應有良好的信號隔離，防止有高電壓大電流進入主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實現隔離；關注對電源的影響，共態(tài)導通可以引起電源電壓的瞬間下降造成高頻電源污染，大的電流可能會導致地線電位浮動；同時，還要充分考慮系統(tǒng)的可靠性，以避免發(fā)生故障。
第二章 電路及軟件設計
2. 總體設計概述 2.1直流電機驅動控制電路總體結構 2.1.1直流電機的基本工作原理
圖2.1.1 直流電機工作原理圖
如果直流電機的轉子不用原動機拖動，而把它的電刷A、B接在電壓為U的直流電源上（如圖所示），那么會發(fā)生什么樣的情況呢？從圖上可以看出，電刷A是正電位，B是負電位，在N極范圍內的導體ab中的電流是從a流向b，在S極范圍內的導體cd中的電流是從c流向d。前面已經說過，載流導體在磁場中要受到電磁力的作用，因此，ab和cd兩導體都要受到電磁力Fde的作用。根據磁場方向和導體中的電流方向，利用電動機左手定則判斷，ab邊受力的方向是向左，而cd邊則是向右。由于磁場是均勻的，導體中流過的又是相同的電流，所以，ab邊和cd邊所受電磁力的大小相等。這樣，線圈上就受到了電磁力的作用而按逆時針方向轉動了。當線圈轉到磁極的中性面上時，線圈中的電流等于零，電磁力等于零，但是由于慣性的作用，線圈繼續(xù)轉動。線圈轉過半州之后，雖然ab與cd的位置調換了，ab邊轉到S極范圍內，cd邊轉到N極范圍內，但是，由于換向片和電刷的作用，轉到N極下的cd邊中電流方向也變了，是從d流向c，在S極下的ab邊中的電流則是從b流向a。因此，電磁力Fdc的方向仍然不變，線圈仍然受力按逆時針方向轉動。可見，分別處在N、S極范圍內的導體中的電流方向總是不變的，因此，線圈兩個邊的受力方向也不變，這樣，線圈就可以按照受力方向不停的旋轉了，通過齒輪或皮帶等機構的傳動，便可以帶動其它工作機械。
從以上的分析可以看到，要使線圈按照一定的方向旋轉，關鍵問題是當導體從一個磁極范圍內轉到另一個異性磁極范圍內時（也就是導體經過中性面后），導體中電流的方向也要同時改變。換向器和電刷就是完成這個任務的裝置。在直流發(fā)電機中，換向器和電刷的任務是把線圈中的交流電變?yōu)橹绷麟娤蛲廨敵觯欢谥绷麟妱訖C中，則用換向器和電刷把輸入的直流電變?yōu)榫€圈中的交流電。可見，換向器和電刷是直流電機中不可缺少的關鍵性部件。 當然，在實際的直流電動機中，也不只有一個線圈，而是有許多個線圈牢固地嵌在轉子鐵芯槽中，當導體中通過電流、在磁場中因受力而轉動，就帶動整個轉子旋轉。這就是直流電動機的基本工作原理。 比較直流發(fā)電機和直流電動機的工作原理可以看出，它們的輸入和輸出的能量形式不同的。正如前面已經說過，直流發(fā)電機由原動機拖動，輸入的是機械能，輸出的是電能；直流電動機則是由直流電源供電，輸入的是電能，輸出的是機械能。
2.2.2直流電機驅動控制結構 直流電機驅動控制電路分為光電隔離電路、電機驅動邏輯電路、驅動信號放大電路、H橋功率驅動電路等四部分，其電路框圖如下圖:直流電機驅動控制電路組成如圖2.1所示。由圖2.1 可看出電機驅動電路主要控制信號有電機轉向控制信號DIR, 電機轉速控制信號PWM,E1為驅動邏輯電路部分提供電源;E2 和E3為電機驅動電源, 采用雙電源供電; M+ , M- 為直流電機接口。 圖2.2.2 直流電機驅動控制電路總圖 在大功率驅動系統(tǒng)中，將驅動回路與控制回路電氣隔離，減少驅動控制電路對外部控制電路的干擾。隔離后的控制信號經電機驅動邏輯電路產生電機邏輯控制信號，分別控制H橋的上下臂。由于H橋由大功率N溝道增強型場效應管構成，不能由電機邏輯控制信號直接驅動，必須經驅動信號放大電路對控制信號進行放大，然后驅動H橋功率驅動電路來驅動直流電機。
2.2 Ｈ橋驅動電路設計 直流電機驅動使用最廣泛的就是H 型全橋式電路, 這種驅動電路方便實現直流電機的四象限運行, 分別對應正轉、正轉制動、反轉和反轉制動。H橋式功率驅動原理如圖2.2 所示, 組成H 橋驅動電路的4 只開關管工作在斬波狀態(tài), S1, S4 為1 組, S2, S3 為1 組, 這2 組狀態(tài)互補, 當1 組導通時, 另1 組必須截止。當S1, S4 導通時, S2, S3 截止, 電機兩端加正向電壓實現電機的正轉或反轉制動; 當Sl, S4截止, S2, S3 導通時, 電機兩端為反向電壓, 電機反轉或正轉制動。
圖2.2 H橋驅動原理圖 實際控制中, 需要不斷使電機在4 個象限之間切換, 也即在S1, S4 導通且S2, S3 截止, 到S1, S4截止且S2, S3 導通這2 種狀態(tài)間轉換。這種情況理論上要求2 組控制信號完全互補。但由于實際的開關器件都存在導通和截止時間, 絕對互補控制會導致上下橋臂直通短路。為避免直通短路且保證各個開關管動作的協同性和同步性, 2 組控制信號理論上要求互為倒相, 而實際必須相差一個一定長的死區(qū)時間, 這個校正過程既可通過硬件實現, 即在上下橋臂的2 組控制信號之間增加延時( 本文即采用這種方法) , 也可通過軟件實現。圖2.2 中D1~ D4 為4個續(xù)流二極管, 為電機線圈繞組提供續(xù)流回路。在各種開關元件中, 由于功率MOSFET 是壓控元件, 具有輸入阻抗大、開關速度快和無二次擊穿現象等特點, 滿足高速開關動作的需求, 因此常用功率MOSFET 為H 橋的開關元件, 構成H 橋電路的橋臂。H 橋電路中的4 個功率MOSFET 可分別采用N 溝道型和P 溝道型。P 溝道功率MOSFET 一般用于上橋臂驅動電機, 這樣有2 種可行方案: 一種是上下橋臂分別用2 個P 溝道和2 個N 溝道功率MOSFET; 另一種是上下橋臂均用N 溝道功率MOSFET。由于加工工藝原因, P 溝道功率MOS |
