簡析直流數字控制系統硬件電路設計

張海濤 閆桂良 東營市供熱管理處，山東 東營 257091

簡析直流數字控制系統硬件電路設計

張海濤 閆桂良 東營市供熱管理處，山東 東營 257091

降壓斬波；控制電路；光耦

引言

本系統主電路采用直流降壓斬波電路供電方案，斬波電路中MOS管由軟件實現控制，取代傳統的閉環調速系統。系統用一臺單片機及外部擴展設備代替原模擬系統中電壓調節器、觸發器、鎖零單元和電流自適應調節器等，從而使直流調速系統實現全數字化。測速電路利用光電編碼器產生占空比變化的PWM波，送入單片機進行轉速計算。

1 降壓式直流斬波電路

圖1 降壓斬波電路的原理圖及波形

降壓式斬波電路的原理如圖1a）所示。該電路使用一個全控型器件，V圖中為MOS管,也可使用其他器件，若采用晶閘管，需設置使晶閘管關斷的輔助換電路。帶反電勢的阻負載中的L通常為平波電感、有利于間小電流脈動。圖1a）中，為在V關斷時給負載中電感電流提供通道，設置了續流二極管VD。斬波電路的典型用途之一是拖動直流電動機，也可帶蓄電池負載，兩種情況下負載中均會出現反電動勢，如圖中EM所示。

工作原理

t=0時刻驅動V導通，電源E向負載供電，負載電壓uo=E，負載電流io按指數曲線上升。

t=t1時刻控制V關斷，負載電流經二極管VD續流，負載電壓uo近似為零，負載電流呈指數曲線下降。為了使負載電流連續且脈動小通常使串接的電感L值較大。

電流連續時，負載電壓平均值

ton——V通的時間 toff——V斷的時間 a--導通占空比

U最大為E，減小占空比a，Uo隨之減小。因此稱為降壓斬波電路。

斬波電路三種控制方式（根據對輸出電壓平均值進行調制的方式不同而劃分）有：T不變，變ton —脈沖寬度調制（PWM）；ton不變，變T —頻率調制；ton和T都可調，改變占空比—混合型。本課題采用第一型即由單片機產生的占空比可變的PWM波對降壓斬波電路進行控制。

2 系統控制電路

控制電路部分起到信號隔離和電平轉換的作用，因為單片機輸出的是TTL電平(0V～5V），而驅動部分采用的是MOS管IRFP450，它的觸發信號要求是9V～12V，所以要求的輸入電平在0V～10V之間，在此選高速光耦TLP521芯片。因為TLP521絕緣電壓為2500V(最小值），具有可兼容的TTL電路邏輯低電平和邏輯高電平的傳輸延遲時間都是0.5us(帶寬2MHz），供電電壓5V～24V，其耐壓和速度都符合電路要求。原理圖如圖2所示。PWM波信號經74LS04芯片后接進光耦，通過5V電源給發光二極管供電，用10V電源與上拉電阻R2提供幅值為10V的電壓，這樣由光耦輸出的電平就是0V～10V之間的了。

圖2 光耦電路原理

3 槽型光耦測速電路

槽形光偶形如凹字形，凹字的左右兩個凸出部分，一邊裝有紅外發光二極管，另一邊裝有接收紅外光的光電二極管，或光電三極管，如圖3所示。當凹槽中有遮光物體時，光被遮斷。紅外接收管在有光或無光時發出不同的信號，如圖4所示。由光電式旋轉編碼器產生與被測轉速成正比的脈沖，測速裝置將輸入脈沖轉換為以數字形式表示的轉速值。

圖3 槽型光耦立體圖

圖4 光電測速裝置結構圖

4 系統的實現

圖5 系統主電路

系統電路原理如圖5所示，整個系統分為：軟件部分、硬件電路部分、反饋環節及直流電機部分。單片機輸出的信號由P2.4口輸出，通過光耦電路后來控制主電路的MOS管，MOS管的關斷與導通來控制輸出的電壓值。直流電機轉速的大小取決于其輸入電壓的大小，轉速經光電編碼盤測量后輸入單片機進行計算。實測值與給定值的偏差經PID調節后經T0定時器控制高低電平時間來改變PWM波的占空比，PWM波經P2.4口輸出實現轉速閉環直流調速。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.077