直流电机调速驱动电路本科毕业设计

摘 要本文介绍了一种基于PWM信号，采用H桥对直流电机进行调压调速的驱动电路。mega64单片机发出PWM信号，先经CPLD（保护作用）,然后经光耦隔离、放大后，控制功率管的导通和关断，从而对电机进行调压调速。两路PWM信号控制电机两个不同的转向。本文还采用模拟电路以及CPLD为驱动电路设计了一种巧妙的过流欠压保护方案，对CPLD保护以及欠压、过流、过热保护电路都作了详细的介绍。关键词：脉宽调制 ； H桥驱动电路 ； 过流保护；欠压保护 ； AbstractA drive circuit which is based on the PWM signals and used H bridge to adjust the voltage and speed of DC motor is presented in this paper. The mega64 MCU send PWM signals which firstly go through the CPLD (protective effect)and then pass by the coupler isolation、amplification .They control the on and off of the power management so as to adjust the voltage and speed of DC motor . Two PWM signals controlled the two different motor shift. A clever overcurrent and undervoltage protection program that consists of analog circuit and CPLD which is designed for the drive circuit in this paper .And then the CPLD protection and undervoltage 、overcurrent 、thermal protection circuit is detailly introduced.Keywords: pulse width modulation; H bridge driver circuit; overcurrent protection; undervoltage protection目录摘 要I1前 言12 基本原理22.1 直流电机工作原理及基本结构22.1.1直流电机基本工作原理22.1.2直流电机结构32.2 PWM控制调速原理53电源模块及PWM驱动电路设计73.1 电源模块的确定73.2 H桥驱动原理103.3 H桥驱动使能控制及方向逻辑113.4 PWM驱动电路设计123.4.1直流电机双极性驱动PWM系统123.4.2 MOSFET的选择123.4.3栅极驱动电路及主要接口电路133.5 功率开关管散热及保护143.5.1功率开关管散热143.5.2功率管过热检测保护电路154 检测电路设计174.1 霍尔传感器原理174.2 霍尔传感器分类及特性184.3 电流检测电路214.4 电压检测电路225保护电路设计235.1 CPLD介绍235.2 CPLD作用及优点235.3 CPLD保护算法245.3.1 MAX7000S器件介绍245.3.2 MAX+PLUS开发系统265.3.3 CPLD程序编写275.4过流保护设计305.5欠压保护设计316 结 论33总结与体会34致 谢35参考文献36IV1前 言 上个世纪50年代，美国通用电气公司发明的硅晶闸管的问世，标志着电力电子技术的开端。此后，晶闸管(SCR)的派生器件越来越多，到了70年代，已经派生了快速晶闸管、逆导晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等半控型器件，功率越来越大，性能日益完善。但是由于晶闸管本身工作频率较低（一般低于400Hz），大大限制了它的应用。此外，关断这些器件，需要强迫换相电路，使得整体重量和体积增大、效率和可靠性降低。目前，国内生产的电力电子器件仍以晶闸管为主。随着关键技术的突破以及需求的发展，早期的小功率、低频、半控型器件发展到了现在的超大功率、高频、全控型器件。由于全控型器件可以控制开通和关断，大大提高了开关控制的灵活性。自70年代后期以来，可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR或BJT)及其模块相继实用化。此后各种高频全控型器件不断问世，并得到迅速发展。这些器件主要有电力场控晶体管(即功率MOSFET)、绝缘栅极双极晶体管(IGT或IGBT)、静电感应晶体管(SIT)和静电感应晶闸管(SITH)等。与此同时，脉冲宽度调制（PWM）技术与开关功率电路成为功率应用中的主流技术；长期以来，直流电机以其良好的线性特性，优异的控制性能、低成本等特点成为大多是变速运动控制系统和闭环位置伺服系统的最佳选择。因此，基于PWM（Pulse Width Modulation）的直流电机调速技术在现代电气传动系统中被广泛运用。电机调速系统采用微机实现数字化控制，是电气传动发展的主要方向。而驱动电路则是调速电路的重要组成部分，其处在主电路和控制电路之间，将控制电路的信号进行放大。保护电路以及检测电路是对电机速度精确控制的前提，本次毕业设计是对直流电机调速驱动电路进行设计，目前，随着形势的发展，驱动技术已日趋成熟，国内外许多公司都生产出了不同型号的驱动芯片，但在保护电路方面均不理想，当出现突然短路或者超大过流的情况时，芯片极易损坏，基于这种情况，本文是用CPLD做驱动电路保护电路的驱动电路，其重点是保护电路，由于CPLD内部是由复杂的开关逻辑器件组成的，因此具有速度快、可预测性高等特点。当电路过流欠压等情况发生时，能在极短的时间内作出保护反应。只有精确的保护电路，才能实现真正的电机调速驱动的数字化简单化以及可靠性的更高。下面是驱动电路设计的具体过程。2 基本原理2.1 直流电机工作原理及基本结构2.1.1直流电机基本工作原理在电工课程中，我们已经知道通电导体在磁场中会受到电磁力的作用-电磁力定律。电动机就是应用这个定律工作的。图2.1是直流电动机的原理图。图2.1 直流电机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联。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，其方向可用左手定则判定。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。如上图a所示。 当电枢转到上图b所示位置时，由于换向器的作用，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，割切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，电动机起着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TT2十T0。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，直流电机作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。2.1.2直流电机结构 我们讨论电机及其它电器的结构，目的在于了解它们各主要部件的名称、作用、相互组装及动作关系。以利正确选用和使用。 电机的结构是由以下几方面的要求来确定的。首先是电磁方面的要求:使电机产生足够的磁场，感应出一定的电动势，通过一定的电流，产生一定的电磁转矩，要有一定的绝缘强度。其次是机械方面的要求：电机能传递一定的转矩，保持机械上的坚固稳定。此外，还要满足冷却的要求，温升不能过高；还要考虑便于检修，运行可靠等。从电机的基本工作原理知道，电机的磁极和电枢之间必须有相对运动，因此，任何电机都有固定不动的定子和旋转的转子两部分组成，在这两部分之间的间隙叫空气隙。下面介绍直流电机的结构。图2.2是直流电机结构图。图2.2 直流电机结构图1风扇 2机座 3电枢 4主磁极 5刷架6换向器 7接线板 8出线盒 9换向磁极 10端盖主磁极： 主磁极的作用是产生主磁通，主磁极铁心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If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，不致使换向器烧坏。 主磁极中性面内的磁感应强度本应为零值，但是，由于电枢电流通过电枢绕组时所产生的电枢磁场，使主磁极中性面的磁感应强度不能为零值。于是使转到中性面内进行电流换向的绕组产生感应电动势，使得电刷与换向器之间产生较大的火花。 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。 电刷装置： 电刷装置主要由用碳一石墨制成导电块的电刷、加压弹簧和刷盒等组成。固定在机座上(小容量电机装在端盖上)不动的电刷，借助于加压弹簧的压力和旋转的换向器保持滑动接触，使电枢绕组与外电路接通。 电刷数一般等于主磁极数，各同极性的电刷经软线汇在一起，再引到接线盒内的接线板上，作为电枢绕组的引出端。 机座： 机座用铸钢或铸铁制成。用来固定主磁极、换向磁极和端盖等，它是电机磁路的一部分。机座上的接线盒有励磁绕组和电枢绕组的接线端，用来对外接线。 端盖： 端盖由铸铁制成，用螺钉固定在底座的两端，盖内有轴承用以支撑旋转的电枢。转子又称电枢，是电机的旋转部分。它由电枢铁心、绕组、换向器等组成。 电枢铁心： 电枢铁心由硅钢片冲制迭压而成，在外圆上有分布均匀的槽用来嵌放绕组。铁心也作为电机磁路的一部分。 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心槽内和换向片相连，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。 换向器： 换向器由许多铜制换向片组成，外形呈圆柱形，片与片之间用云母绝缘。 为了使电机安全而有效地运行，制造厂对电机的工作条件都加以技术规定。按照规定的工作条件进行运行的状态叫做额定工作状态。电机在额定工作时的各种技术数据叫做额定值，一般加下标 e表示。这些额定值都列在电机的铭牌上，使用电机前，应熟悉铭牌。使用中的实际值，一般不应超过铭牌所规定的额定值。2.2 PWM控制调速原理直流电机PWM调速的基本原理图如图2.3。可控开关S以固定的周期重复地接通和断开，当开关S接通时，直流供电电源U通过开关S施加到直流电机两端，电机在电源作用下转动，同时电机电枢电感储存能量；当开关S断开时，供电电源停止向电动机提供能量，但此时电枢电感所储存的能量将通过续流二极管VD使电机电枢电流继续维持，电枢电流仍然产生电磁转矩使得电机继续旋转。开关S重复动作时，在电机电枢两端就形成了一系列的电压脉冲波形，如图2.4所示。 电枢电压平均值Uav的理论计算式为: （1）其中为占空比，即导通时间与脉冲周期之比。由式（1）可知，平均电压由占空比及电源电压决定，保持开关频率恒定，改变占空比能够相应地改变平均电压，从而实现了直流电动机的调压调速。 图2.3 简单直流PWM控制电路 图2.4 电压及电流波形本章详细的介绍了直流电机工作原理及其基本机构，以及PWM控制调速原理，对直流电机的各个结构及工作原理都作了详细深入的了解。并确定了PWM直流电机调速的关键是调整占空比来调节平均电压从而达到调节转速的目的。3电源模块及PWM驱动电路设计3.1 电源模块的确定AC/DC电源模块的确定：由于整流电路部分需要的电源是输入为220V的交流电，而输出电压48V，输出10A以上的直流电，输出电压纹波小于2-3V。因此，选赛思德电源有限公司生产的SAS-500600-S系列的SAS-500-48-S电源，此电源采用无工频变压器的开关电源技术，因而具备交、直流兼容输入功能，而且输入电压范围宽；采用先进的开关电源控制技术和元器件，以及精心的设计，整机体积小、重量轻、效率高，确保了长期满负荷运行的稳定、可靠。 设有完善的保护功能。内置温控散热风扇，既能有效散热，又能有效延长风扇寿命；过热自动关机保护；输出过压、过流和短路保护。开机延时软启动，避免开机输出电压过冲。电源广泛应用于电力直流屏系统、工控、通信、科研、蓄电池充电等设备。SAS-500-48-S外形如图3.1所示：图3.1 AC/DC,220V/48V技术指标：输入范围：（165-265VAC）。输出电压：电压48VDC；电流10A。纹波电压：1%工作环境温度：(-1045)此系列电源精度高，功率和技术要求均能达到本次设计要求。DC/DC电源模块的选择：由于设计中的运放和电压跟随器以及某修芯片需要15V的直流电源，因此选择赛思德电源公司生产的WRA_S-1W/2W系列的WRA4815S-2W电源。其技术指标为，宽电压输入（3648V），而输出为双路稳压输出：15V，隔离电压1000VDC，短路/过流保护，自恢复，国际标准引脚,小型SIP封装。这种电源可提供后面设计需要的15V。如下图所示：图3.2 15V电源模块5V的DC/DC选择：因此选择赛思德电源公司生产的WRA_S-1W/2W系列的WRA4805S-1W电源。的DC/DC电源，其输入为48V，输出为5V，其封装形式和15V电源模块一样，都是赛思德电源公司的WRA_S-1W/2W系列。-1.65V电压的电源的设计：由于电流检测部分的一个求和电路中需要-1.65V的电压，故此，得设计一个能输出连续可调的负电压的电源。综合各种因素考虑，此处选择三端集成稳压器CW337，如下图所示:图3.3 输出连续可调负电压电源CW337稳压器内部含有过热、过流保护。R25和R26组成电压输出调节电路。输出压V0=1.25(1+R26R25)R25的值一般为120-240，流经R25的泄放电流为5mA-10mA。R26为精密可调电位器，电容C2和R26并联组成滤波电路，以减小输出的纹波电压。二极管的作用是防止输出端与地短路时，损坏稳压器。集成稳压器的输出电压V0与稳压电源的输出电源相同。稳压器的输入电压Vi范围为：Vmax+(Vi-V0)minViV0min+(Vi-V0)max其中，V0max为最大输出电压，V0min为最小输出电压，(Vi-V0)min为稳压器的最小输入输出压差，(Vi-V0)max为稳压器的最大输入输出压差。3.2 H桥驱动原理图4.12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（注意：图3.1及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，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图3.4 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。例如，如图3.5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（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。图3.5 H桥电路驱动电机顺时针转动图3.3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导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。图3.6 H桥驱动电机逆时针转动3.3 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（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。3.4 PWM驱动电路设计3.4.1直流电机双极性驱动PWM系统图3.7 H型双极性PWM驱动系统 本设计采用H型双极性可逆PWM系统，如图3.7所示。H型驱动电路的开关器件分为Ql，Q4和Q2，Q3两组进行通、断控制。组内两器件Q1，Q4同时导通或关断，两组间的器件Q1，Q4和Q2，Q3则是交替的导通和关断。前面提到， 平均电压由占空比及电源电压决定，保持开关（此处即为功率管）频率恒定，改变占空比能够相应地改变平均电压，从而实现了直流电动机的调压调速。由于功率半导体器件并非理想开关，斩波器桥路同侧两元件切换时必须要等到导通元件确实关断之后才能开通另一元件，否则势必造成同侧对应管直通，将电源短路。为了避免直通短路，必须引入开通延时死区，延时时间必须大于MOSFET管的存储时间。3.4.2 MOSFET的选择MOSFET器件的选择主要从其开关特性、功耗要求和耐压等方面考虑。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我们采用IR公司的N一沟道增强型VMOS功率管IRF64O。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。IRF64O的最小漏源击穿电压为200V，最大栅源电压为20V。最高温度为130摄氏度。3.4.3栅极驱动电路及主要接口电路图3.8 栅极驱动电路本次设计的栅极驱动电路用的是三极管，三极管选2SA1078,其Icm=2A，BVceo=120V, 50。当信号经过光电二极管，对应的光电三极管将导通，从而使得对应的三极管工作在放大区，从而使得对应的MOS管导通。由前面所诉可得到，MOS管导通和关断的频率和电压Vcc共同决定电机的速率，此处Vcc恒定，则PWM波的占空比就调节电机的速度。上一节提到，功率半导体器件并非理想开关，H桥同侧两组MOS管切换时必须要等到导通的MOS管确实关断之后才能开通另一组MOS管，否则势必造成同侧MOS管直通，将电源短路。为了避免直通短路，引入了开通延时死区，延时时间必须大于MOSFET管的存储时间。3.5 功率开关管散热及保护3.5.1功率开关管散热当做成电路板后，功率管都是集中在一个散热片上面，功率模块的所有损耗都需要由散热器来转移，散热器通过直接传导或借助于传热介质将热量传递给冷却介质。传热介质可以是空气、水或者绝缘油，它们通过自身的重力或通过风扇以及泵来实现循环过程。常用的冷却方式有：自然空气冷却（自然对流）、强制空气冷却以及水冷系统。其它更为复杂的冷却方式，如热管或蒸发冷却，一般在具体应用时特别设计。自然空冷（自然对流）多用于功耗低于50W、电流20A以下的系统，以及不允许应用风扇或者器件散热面积特别大的大功率系统，安装时叶片应垂直于空气自然对流的防线。在安装面和环境空气之间的温差为50K时，自然冷却方式下黑化后的散热器热阻降低约15%。与自然空冷相比，强制风冷时散热器的热阻可以降低到10%20%，温升降低510 0C（风速为26m/s）。这时散热材料的传导系数对冷却的效果影响极大，所以要选择较厚的根部和尽可能多的翼片数目。由于热量主要通过对流而散发，因此对于强制风冷方式，对散热器黑化处理几乎没有什么效果。对于一些常用驱动模块的功率电路，许多厂家都生产出了强制风冷的标准结构（如图3.9为SEMIKRON功率模块的标准结构）图3.9 SEMIKRON功率模块风冷的标准结构3.5.2功率管过热检测保护电路散热器的设计是保证功率管在正常情况下可靠工作的关键，但如果周围环境恶劣或功率管与散热器接触不良等情况，也能造成功率管过热损坏，所以在控制电路上加过热检测保护电路。我们知道，功率管的结温与散热片的温度存在一定的关系，所以，可以在功率管散热片上或者出风口处安装热敏电阻，然后通过逻辑判断电路给出信号供CPLD处理，检测原理如图3.10所示。图3.10 过热保护原理U11为LM393AN比较器，JP5处接上具有负温度系数的热敏电阻RT（不使用该保护时可以用跳线短接），Thref为参考电压，可以通过调节电位器RP1来调节动作门槛值。应用时将热敏电阻RT贴在功率管的散热片上，电路正常工作时，2点电位比3点电位高，1点输出信号THP为低电平，经过一非门变为高电平，再经CPLD与PWM信号相与，驱动电路继续正常工作；当器件超过温度极限时，热敏电阻阻值降低，2点电位低于3点电位，1点输出高电平， 经非门变为低电平，CPLD封锁PWM脉冲信号，驱动输出低电平，从而关断功率管，使装置退出运行，实现过热保护。热敏电阻是对温度敏感的半导体元件，主要特征是随着外界环境温度的变化，其阻值会相应发生较大改变。电阻值对温度的依赖关系称为阻温特性。热敏电阻根据温度系数分为两类：正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻。由于特性上的区别，应用场合互不相同。正温度系数热敏电阻简称PTC（是Positive Temperature Coefficient 的缩写），超过一定的温度时，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。其原理是在陶瓷材料中引入微量稀土元素，如La、Nb.等，可使其电阻率下降到10.cm以下，成为良好的半导体陶瓷材料。这种材料具有很大的正电阻温度系数，在居里温度以上几十度的温度范围内，其电阻率可增大410个数量级，即产生所谓PTC效应。目前大量被使用的PTC热敏电阻种类：恒温加热用PTC热敏电阻；低电压加热用PTC热敏电阻；空气加热用热敏电阻；过电流保护用PTC热敏电阻；过热保护用PTC热敏电阻；温度传感用PTC热敏电阻；延时启动用PTC热敏电阻；负温度系数热敏电阻简称NTC（是Negative Temperature Coefficient 的缩写），它的阻值是随着温度的升高而下降的。主要是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料，采用陶瓷工艺制造而成的。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。 NTC热敏电阻器温度系数-2%-6.5%， 可广泛应用于温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流等场合。此处过热保护选的热敏电阻信号为MF58502F327，热敏电阻的计算公司为Rt = R *EXP(B*(1/T1-1/T2)Rt 是热敏电阻在T1温度下的阻值； R是热敏电阻在T2常温下的标称阻值； B值是热敏电阻的重要参数； EXP是e的n次方； 这里T1和T2指的是K度即开尔文温度，K度=273.15(绝对温度)+摄氏度；而此处选的热敏电阻是MF58502F327，其各参数意义为：MF58 型号玻璃封装 502 常温25度的标称阻值为5K F 允许偏差为1% 327 B值为3270K的NTC热敏电阻则那它的R=5000, T2=273.15+25，B=3270RT=5000*EXP(3270*(1/T1-1/(273.15+25),本次功率管的最高耐温为130，因此，此时的RT=287。调节RP1就可满足设计要求了。4 检测电路设计4.1 霍尔传感器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其工作基础，是由霍尔元件和它的附属电路组成的集成传感器。霍尔传感器在工业生产、交通运输和日常生活中有着非常广泛的应用。霍尔效应：如图4.1所示，在半导体薄片两端通以控制电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的匀强磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差为UH的霍尔电压，它们之间的关系为：图4.1式中d 为薄片的厚度，k称为霍尔系数，它的大小与薄片的材料有关。霍尔元件：根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。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器电路、温度补偿电路及稳压电源电路等集成在一个芯片上，称之为霍尔传感器。图4.2霍尔传感器也称为霍尔集成电路，其外形较小，如图4.2所示，是其中一种型号的外形图。4.2 霍尔传感器分类及特性霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。 （一）线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。 （二）开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。霍尔传感器的特性：（一） 线性型霍尔传感器的特性图4.3输出电压与外加磁场强度呈线性关系，如图4.3所示，可见，在B1B2的磁感应强度范围内有较好的线性度，磁感应强度超出此范围时则呈现饱和状态。（二） 开关型霍尔传感器的特性如图4.4所示，其中BOP为工作点“开”的磁感应强度，BRP为释放点“关”的磁感应强度。图4.4当外加的磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点Bop以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点BRP时，传感器才由低电平跃变为高电平。Bop与BRP之间的滞后使开关动作更为可靠。另外还有一种“锁键型”（或称“锁存型”）开关型霍尔传感器，其特性如图4.5所示。图4.5当磁感应强度超过动作点Bop时，传感器输出由高电平跃变为低电平，而在外磁场撤消后，其输出状态保持不变（即锁存状态），必须施加反向磁感应强度达到BRP时，才能使电平产生变化。霍尔传感器的应用按被检测对象的性质可将它们的应用分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测受检对象本身的磁场或磁特性，后者是检测受检对象上人为设置的磁场，这个磁场是被检测的信息的载体，通过它，将许多非电、非磁的物理量，例如速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电学量来进行检测和控制。（一） 线性型霍尔传感器主要用于一些物理量的测量。例如：1电流传感器由于通电螺线管内部存在磁场，其大小与导线中的电流成正比，故可以利用霍尔传感器测量出磁场，从而确定导线中电流的大小。利用这一原理可以设计制成霍尔电流传感器。其优点是不与被测电路发生电接触，不影响被测电路，不消耗被测电源的功率，特别适合于大电流传感。图4.6霍尔电流传感器工作原理如图4.6所示，标准圆环铁芯有一个缺口，将霍尔传感器插入缺口中，圆环上绕有线圈，当电流通过线圈时产生磁场，则霍尔传感器有信号输出。2位移测量如图4.7所示，两块永久磁铁同极性相对放置，将线性型霍尔传感器置于中间，其磁感应强度为零，这个点可作为位移的零点，当霍尔传感器在Z轴上作Z位移时，传感器有一个电压输出，电压大小与位移大小成正比。图4.7如果把拉力、压力等参数变成位移，便可测出拉力及压力的大小，如图4.8所示，是按这一原理制成的力传感器。图4.8（二） 开关型霍尔传感器主要用于测转数、转速、风速、流速、接近开关、关门告知器、报警器、自动控制电路等。4.3 电流检测电路本设计采用霍尔元件对电机电流进行采样，电流采样检测电路通过把电流传感器检测到的电流信号转换成单片机可识别的数字信号。即将霍尔传感器检测到的电流进行放大偏置输出到单片机的A/D接口。电流检测最好精度高、速度快，一般的电流互感器很难做到这一点，为此本设计采用霍尔传感器模块来检测电流。霍尔传感器与普通传感器相比具有绝缘性好、过载能力强、频带宽、精度高、线性度好、动态性能好、抗外磁场干扰能力强的特点。设计中采用的霍尔电流传感器型号为南京茶花电子公司的CS025LX，其工作电压为12V15V，额定测量电流25A，输出电压为4V。用传感器检测母线电流，得到电流的检测信号，经转换电路，变成-1.65V到+1.65V的电压信号，然后经过偏置电路得到0到3.3V的电压信号送到到单片机的A/D转换模块。图4.9 电流检测电路如图4.9所示，反向放大环节，反向端为虚地点，则VN=0,霍尔电流传感器输出电压为V0,流过R11后，其右端电压为Vi，故此，由虚短的概念（ip=in=0）可知，流过R11的电流和流过R11的电流相等，得Vi-VnR11=Vn-V0R17,则电压增益Av=V0Vi=-R17R11转换电路环节，运用求和电路，利用虚短（Vp-Vn=0）,虚断（ii=0）和虚地(Vn=0)的概念，对反向输入节点有i1+i2=i3，其中i1为流过R13的电流，i2为流过R15的电流，i3为流过R16的电流，让R13,R15,R16取相同的阻值，再输入一个-1.65V的电压，则可转换为输出为0-3.3V的电压。4.4 电压检测电路在本设计中，直流母线电压是一个重要的输入量，直流电压的大小与MOS管的安全以及电机的安全直接相关。为了保证系统的安全可靠，以及电机的安全，检测直流电压的大小是必须的，这也是直流母线过压欠压的依据。本次设计采用精度较高的霍尔电压传感器，选用LEM公司的LV100霍尔传感器，LV系列霍尔电压传感器是应用霍尔效应的闭环（补偿）电压传感器，原边回路和副边回路之间高度绝缘隔离，可用于测量直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电流，副边输出能真实反映原边电流的波形和线性比例。广泛应用于交流变频调速、伺服电机牵引、直流电机牵引的静态转换、电池电源、不间断电源、开关电源、电焊机电源。采用转换比Kn=10Ma/50mA，霍尔传感器输出的是电流信号，需要根据所需要的电压范围选择合适的电阻进行采样，同时还需要进行阻抗匹配处理。如图4.10所示。图4.10 电压检测电路运放AR4此处是做电压跟随器，其输入电阻无穷大，起阻抗匹配的作用。然后再经过运算放大，最终得到一个与直流电压成正比例的电压输出信号。LV100，其输入电流为0-10mA，输出电流为0-50mA，为了获得正向输出电流，原边电流必须按HT到HT方向流动，使用时，应先接通工作电源及输出电路，再接通被测电流。二极管的作用是保证输出的电压在0-3.3V之间。5保护电路设计5.1 CPLD介绍CPLD(Complex Programmable Logic Device)复杂可编程逻辑器件，是从PAL和GAL器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。 CPLD主要是由可编程逻辑宏单元(MC，Macro Cell)围绕中心的可编程互连矩阵单元组成。其中MC结构较复杂，并具有复杂的I/O单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。由于CPLD内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连，所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点。 发展历史及应用领域： 20世纪70年代，最早的可编程逻辑器件-PLD诞生了。其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因为它的硬件结构设计可由软件完成（相当于房子盖好后人工设计局部室内结构），因而它的设计比纯硬件的数字电路具有很强的灵活性，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。为弥补PLD只能设计小规模电路这一缺陷，20世纪80年代中期，推出了复杂可编程逻辑器件-CPLD。目前应用已深入网络、仪器仪表、汽车电子、数控机床、航天测控设备等方面。5.2 CPLD作用及优点可编程逻辑器件的两种主要类型是现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）。 在这两类可编程逻辑器件中，FPGA提供了最高的逻辑密度、最丰富的特性和最高的性能。 现在最新的FPGA器件，如Xilinx Virtex系列中的部分器件，可提供八百万系统门（相对逻辑密度）。 这些先进的器件还提供诸如内建的硬连线处理器（如IBM Power PC）、大容量存储器、时钟管理系统等特性，并支持多种最新的超快速器件至器件（device-to-device）信号技术。 FPGA被应用于范围广泛的应用中，从数据处理和存储，以及到仪器仪表、电信和数字信号处理等。 与此相比，CPLD提供的逻辑资源少得多 ， 最高约1万门。 但是，CPLD提供了非常好的可预测性，因此对于关键的控制应用非常理想。 而且如Xilinx CoolRunner系列CPLD器件需要的功耗极低，并且价格低廉，从而使其对于成本敏感的、电池供电的便携式应用（如移动电话和数字手持助理）非常理想。CPLD的出现是超大规模集成电路(VLSI) 技术和计算机辅助设计(CAD) 技术发展的结果，CPLD 器件集成度高，体积小，具有通过用户编程实现专门应用的功能，它允许电路设计者利用基于计算机的开发平台,经过设计输入、仿真、测试和校验,直到达到预期的结果，使用CPLD 器件可以大大缩短系统的研制周期，减少资金投入， 更吸引人的是，采用CPLD 器件可以将原来的电路板级产品集成为芯片级产品,从而降低了功耗,提高了可靠性，同时还可以很方便地对设计进行在线修改，因此，CPLD 器件特别适合于产品的样机开发和小批量生产。5.3 CPLD保护算法5.3.1 MAX7000S器件介绍本次设计的逻辑控制采用MAX7000S系列的CPLD，完成PWM信号处理、故障闭锁、输出死区控制等功能，可以通过拨码开关方便地调节死区时间定值（16s）；功率驱动部分接收经过CPLD处理的两路PWM信号，经过功率放大和电平的匹配，分别去驱动各自对应的功率管。如图5.1所示图5.1 信号输入与输出THP为过热保护信号，bit2(引脚6)、bit1（引脚5）、bit0（引脚4） 为拨码开关连接口，PWM1（引脚41）、PWM2（引脚40）为信号输入端口，OUT1(引脚18)、OUT2(引脚17)为信号输出端口，引脚26是过流信号输入端口，引脚37是欠压信号端口。引脚43是外部时钟信号输入端口。MAX7000S系列是高密度、高性能的CMOS CPLD，它是在ALTERA公司第二代MAX结构的基础上改进制造的。MAX7000S系列可提供600到5000个可用逻辑门，引脚到引脚的延时为5ns，计数器的工作频率可达175.4MHz，可以实现多种复杂逻辑。以灵活的描述语言代替复杂的TTL或CMOS逻辑电路，大大提高了系统的可靠性，并使得用户版图的面积显著减小。MAX7000S器件可以100%地模仿TTL，并且可以将SSI、MSI、LSI的逻辑函数高密度地集成。MAX7000S采用CMOS EEPROM单元实现逻辑函数，用户程序掉电后不会丢失。用户可以通过编程实现多种多样的组合逻辑和时序逻辑函数。在设计开发和调整阶段，MAX7000S器件可以利用PC机和Bit Blaster或Byte Blaster下载线，通过JATG口快速有效地重新编程，并保证编程和擦除次数在100次以上。图5.2 EPM7064S的封装形式EPM7064S是MAX7000S系列的成员之一，包含64个宏单元。具有PLCC、PQFP、TQFP等多种封装形式，引脚数目有44、68、84、100四种（参见图52），可以根据对I/O数量的要求进行选用。本次设计根据设计需要选择使用了44脚的PLCC片式载体封装，芯片型号为EMP7064SLC-44，器件使用5V单电源供电，采用50MHz的晶体振荡器作为全局时钟输入。5.3.2 MAX+PLUS开发系统 MAX7000S系列器件得到了ALTERA公司MAX+PLUS开发系统的支持，该开发系统是一种将设计输入、处理、校验全集成化的可编程逻辑设计环境。它支持不同结构的器件，能够在多种平台上运行，具有易于使用的界面。支持电路图、文本和波形等多种形式的输入方式，可以执行编译和逻辑综合、仿真和定时分析以及对器件编程等工作。支持多种硬件描述语言（HDL），包括VHDL、Verilog HDL和ALTERA的AHDL描述语言。AHDL硬件描述语言是一种基于文本的、在CPLD设计方面功能强而灵活的语言，支持板极应用，可以建立完整的层次设计方案，也可以按层次混合使用多种描述方法。AHDL特别适合于描述复杂的组合逻辑、状态机和真值表等。5.3.3 CPLD程序编写图5.3 EPM7064SLC-44型CPLD管脚分配及定义本文基于EPM7064SLC-44型CPLD，使用AHDL描述语言，对驱动逻辑、保护逻辑、故障锁定与复位逻辑以及死区控制等进行了统一编程实现。EPM7064S的管脚分配定义如图5.3所示。对该图中各个管脚的说明如下：vin1、vin2：从控制板来的两路PWM控制信号；bit0bit3：从拨码开关来的死区时间调节值；pf11、pf12、pf21、pf22：从电源监视来的正负电源过低信号（备用）；/prot1（2）：从电流检测来的过流保护动作信号；thp：从过热保护电路来的温度过高信号；jp2：外部来的驱动封锁信号E_OFF；blk2_dy：欠压动作信号；blk1_bh：其它保护动作信号（备用）；error1：控制电路故障信号；out1、out2：CPLD输出的驱动信号（到驱动放大电路）；clock：全局时钟信号（接外部晶振）；Global Clear：全局清除信号；Global OE：全局输出使能信号；VCC：工作电源、逻辑信号电源；GND：工作电源地、逻辑信号地。TDI、TMS、TCK、TDO：内置的JTAG在线编程（ISP）接口。CPLD逻辑控制单元功能图如图5.4所示主回路主回路主回路功率管电压电流检测欠压过流信号驱动信号主回路电流电压采样温度检测电路功率管栅极驱动电路过热信号经过逻辑运算后的PWM信号PWM信号以及控制信号MEGA64单片机CPLD图5.4 CPLD逻辑控制单元功能图如下图所示程序流程图如图5.5所示：开始是否有全局开始信号OENY是否有PWM信号PWM1orPWM2控制电路NNY停止过流检测电路信号YN温度检测信号停止NY停止欠压信号Y死区时间处理输出OUT1,OUT2图5.5 程序流程图开始后，当CPLD接受到全局开始信号后，再和PWM信号作与运算，再和过流检测电路的高电平作与运算，再和温度检测电路欠压信号的高电平依次作与运算，再进行死区时间处理，然后输出相应的OUT1或者OUT2。5.4过流保护设计过流保护分为分散式过流保护和集中式过流保护。分散式过流保护是通过检测驱动电路中各个功率管的单管的电流，发现过流故障后关断相应功率管的保护方法。在分散式过流保护方法中，一般都通过检测功率管的通态压降的方法来判断功率管是否过流，一旦发现功率管的通态压降超过设定的阈值，过流保护电路就开始动作。这种保护也称为退饱和检测保护，因为故障时通态压降的显著增加使功率管的运行区域离开了饱和区。由于功率管的通态压降除了与集电极电流有关外，还与驱动电压、模块温度等有关，而且模块参数间还存在分散性，使得分散式过流保护的阈值不易整定。分散式过流保护使用于电路复杂，元器件多以及功率很大的电路，而本设计电路不算复杂，元器件偏少，主回路功率偏大外，驱动部分功率都较小，因此，本次设计采用的是集中式过流保护。可以通过快速电流霍尔直接检测直流母线上的电流，当超过设定值时，发送故障信号给CPLD，立即封锁驱动输出，关断功率管。由于采用了硬关断方式，大电流时可能由于关断过快而导致过电压损坏功率管，所以，这种方式常常使用于过负荷电流的保护，针对小于1.21.5倍的过流。而本次设计的直流母线的上限电流为12.5A。因此选择集中式过流保护符合设计的要求。图5.6 过流保护电路设计如图5.6所示，当流过霍尔传感器的电流达到传感器的上限电流25A时，霍尔传感器输出的电流经过转换偏置后，输出的电压为3.3V，而此次设计所准许的上限电流为12.5A，故，当流过电流霍尔传感器的电流为12.5A时，输出的电压约为1.65V。在电流检测电路输出端接上一个电压比较器，比较器输出端接CPLD的过流信号端口，如下图右侧部分所示，调节R18的阻值，使得放大器同相输入端的电压约为1.65V。正常工作时，同相输入端的点位高于反向输入端的电压，比较器输出高电平；此高电平经CPLD和PWM信号相与，驱动正常工作。当母线电流过流时，同相输入端的电压低于反向输入端的电压时，比较器输出低电平发向CPLD，由于CPLD得外部时钟频率为50MBHZ，因此CPLD将在20ns左右关断PWM信号的输出，从而关断功率管，使电机停车达到过流保护的目的。5.5欠压保护设计欠压保护原理图如图5.7图5.7 欠压保护原理图欠压保护原理和过流保护原理一样，在电压检测电路后加一个比较器。本次设计的电压下限是35V，当电压霍尔输入电流达到额定值10mA的时候，输出电流经过电压跟随器然后经过放大后，输出的电压为3.3V，此时的输入电压为200V。因此当电压低于35V的时候，经过电压检测电路后输出的电压约为0.5V。因此，调节电阻R24，使AR6的同相输入端的电压为0.5V，正常工作时，同相输入端的电压低于反向输入端的电压，比较器输出低电平，经非门变为高电平，然后再经CPLD和PWM信号相与，CPLD然后输出高电平。当欠压后，同相输入端的电压高于反向输入端的电压，比较器输出高电平经非门后变为低电平，CPLD输出低电平，因此CPLD将在20ns左右关断PWM信号的输出，从而关断功率管，使电机停车，从而实现欠压保护。6 结 论 我这次毕业设计主要是对调速器驱动电路设计，对驱动电路电源以及驱动电路的确定，以及过流欠压误操作保护电路的设计。同时，由于毕业设计时间紧，设计者能力水平有限，设计中仍有不少错误的地方或有更优化的方案。通过本次设计，我细化的了解了直流电机调速驱动电路的知识，掌握了H桥驱动电路双向调速的原理，对功率管的散热及热保护以及驱动电路的过流欠压保护有了全新认识。初步了解了CPLD的优劣及保护算法原理。从本次设计基本满足了设计的要求，实现了各项保护及正反转调速驱动。通过这次的毕业设计，通过解决设计过程中遇到的各种问题，培养综合运用所学知识解决实际技术问题的能力；熟悉机电工程的行业行规，掌握资料查询的基本方法，培养自己学习及独立思考解决问题的的能力，并融会贯通知识体系，对设计过程有一个总体的设计思路，才是设计成功的关键。总结与体会通过本次毕业设计，我对本专业的认识更加深刻了，同时加强了对专业知识的掌握，提高了运用能力，积累了一些相关的设计经验。首先：通过对直流电机驱动电路的设计，我掌握了驱动电路和保护电路的设计方向、思路、方法。对CPLD保护有了进一步的认识其次：本次毕业设计内容比较丰富，用到的设计资料、书籍和设计工具也比较多。本次设计锻炼了自己的动手能力，树立了理论联系实际的理念，并且使自己进一步熟练了对Microsoft office和protel以及各种辅助应用软件的使用，对我有大有裨益。设计过程中与大家交流是非常必要的。合理的交流能够迅速地发现自己的不足，同时够吸纳别人的长处，避免自己在设计中走弯路，也能给自己、他人动力和信心。我认为做设计要独立自主、主动进取，同时兼容并包，积极的采纳大家的良意，并虚心向他人学习。最后，欢迎各位老师和同学们对设计中存在的错误和不足之处给予指出。致 谢首先感谢宋昌林老师给我的指导,在毕业设计过程中我始终得到宋老师的悉心指导和认真指点,使我的理论知识和动手操作能力都有了较大的提高,在宋老师身上,我看到了科研工作者所特有的严谨求实的教学风范，勇于探索的工作态度和求同思变、不断创新的治学理念。不知疲倦的敬业精神和精益求精的治学要求，端正了我的学习态度，使我受益匪浅。另外我要感谢我这个组的其他几位同学,在设计过程中,他们在许多方面给了我很大的帮助,同时我也明白了团队合作精神的重要性。再次我要感谢学校和学院给了我提供了一个能顺利完成毕业设计的环境，使我在设计中所需的参考文献都能在图书馆和资料室找到。最后感谢所有在这次毕业设计中给予我关心和帮助的老师和同学。