直流電機調速驅動電路本科畢業(yè)設計

1、 摘 要本文介紹了一種基于pwm信號，采用h橋對直流電機進行調壓調速的驅動電路。mega64單片機發(fā)出pwm信號，先經cpld（保護作用）,然后經光耦隔離、放大后，控制功率管的導通和關斷，從而對電機進行調壓調速。兩路pwm信號控制電機兩個不同的轉向。本文還采用模擬電路以及cpld為驅動電路設計了一種巧妙的過流欠壓保護方案，對cpld保護以及欠壓、過流、過熱保護電路都作了詳細的介紹。關鍵詞：脈寬調制 ； h橋驅動電路 ； 過流保護；欠壓保護 ； abstracta drive circuit which is based on the pwm signals and used h bridge

2、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

3、 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 protec

4、tion circuit is detailly introduced.keywords: pulse width modulation; h bridge driver circuit; overcurrent protection; undervoltage protection目錄摘 要i1前 言12 基本原理22.1 直流電機工作原理及基本結構22.1.1直流電機基本工作原理22.1.2直流電機結構32.2 pwm控制調速原理53電源模塊及pwm驅動電路設計73.1 電源模塊的確定73.2 h橋驅動原理103.3 h橋驅動使能控制及方向邏輯113.4 pwm驅動電路設計123.4.1直

5、流電機雙極性驅動pwm系統(tǒng)123.4.2 mosfet的選擇123.4.3柵極驅動電路及主要接口電路133.5 功率開關管散熱及保護143.5.1功率開關管散熱143.5.2功率管過熱檢測保護電路154 檢測電路設計174.1 霍爾傳感器原理174.2 霍爾傳感器分類及特性184.3 電流檢測電路214.4 電壓檢測電路225保護電路設計235.1 cpld介紹235.2 cpld作用及優(yōu)點235.3 cpld保護算法245.3.1 max7000s器件介紹245.3.2 max+plus開發(fā)系統(tǒng)265.3.3 cpld程序編寫275.4過流保護設計305.5欠壓保護設計316 結 論33總結

6、與體會34致 謝35參考文獻36iv1前 言 上個世紀50年代，美國通用電氣公司發(fā)明的硅晶閘管的問世，標志著電力電子技術的開端。此后，晶閘管(scr)的派生器件越來越多，到了70年代，已經派生了快速晶閘管、逆導晶閘管、雙向晶閘管、不對稱晶閘管等半控型器件，功率越來越大，性能日益完善。但是由于晶閘管本身工作頻率較低（一般低于400hz），大大限制了它的應用。此外，關斷這些器件，需要強迫換相電路，使得整體重量和體積增大、效率和可靠性降低。目前，國內生產的電力電子器件仍以晶閘管為主。隨著關鍵技術的突破以及需求的發(fā)展，早期的小功率、低頻、半控型器件發(fā)展到了現(xiàn)在的超大功率、高頻、全控型器件。由于全控型器

7、件可以控制開通和關斷，大大提高了開關控制的靈活性。自70年代后期以來，可關斷晶閘管(gto)、電力晶體管(gtr或bjt)及其模塊相繼實用化。此后各種高頻全控型器件不斷問世，并得到迅速發(fā)展。這些器件主要有電力場控晶體管(即功率mosfet)、絕緣柵極雙極晶體管(igt或igbt)、靜電感應晶體管(sit)和靜電感應晶閘管(sith)等。與此同時，脈沖寬度調制（pwm）技術與開關功率電路成為功率應用中的主流技術；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、低成本等特點成為大多是變速運動控制系統(tǒng)和閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)的最佳選擇。因此，基于pwm（pulse width modulation）

8、的直流電機調速技術在現(xiàn)代電氣傳動系統(tǒng)中被廣泛運用。電機調速系統(tǒng)采用微機實現(xiàn)數(shù)字化控制，是電氣傳動發(fā)展的主要方向。而驅動電路則是調速電路的重要組成部分，其處在主電路和控制電路之間，將控制電路的信號進行放大。保護電路以及檢測電路是對電機速度精確控制的前提，本次畢業(yè)設計是對直流電機調速驅動電路進行設計，目前，隨著形勢的發(fā)展，驅動技術已日趨成熟，國內外許多公司都生產出了不同型號的驅動芯片，但在保護電路方面均不理想，當出現(xiàn)突然短路或者超大過流的情況時，芯片極易損壞，基于這種情況，本文是用cpld做驅動電路保護電路的驅動電路，其重點是保護電路，由于cpld內部是由復雜的開關邏輯器件組成的，因此具有速度快、

9、可預測性高等特點。當電路過流欠壓等情況發(fā)生時，能在極短的時間內作出保護反應。只有精確的保護電路，才能實現(xiàn)真正的電機調速驅動的數(shù)字化簡單化以及可靠性的更高。下面是驅動電路設計的具體過程。2 基本原理2.1 直流電機工作原理及基本結構2.1.1直流電機基本工作原理在電工課程中，我們已經知道通電導體在磁場中會受到電磁力的作用-電磁力定律。電動機就是應用這個定律工作的。圖2.1是直流電動機的原理圖。圖2.1 直流電機原理圖電樞繞組通過電刷接到直流電源上，繞組的旋轉軸與機械負載相聯(lián)。電流從電刷 a流入電樞繞組，從電刷b流出。電樞電流ia與磁場相互作用產生電磁力f，其方向可用左手定則判定。這一對電磁力所形

10、成的電磁轉矩t，使電動機電樞逆時針方向旋轉。如上圖a所示。 當電樞轉到上圖b所示位置時，由于換向器的作用，電源電流ia仍由電刷a流入繞組，由電刷b流出。電磁力和電磁轉矩的方向仍然使電動機電樞逆時針方向旋轉。 電樞轉動時，割切磁力線而產生感應電動勢，這個電動勢(用右手定則判定)的方向與電樞電流ia和外加電壓u的方向總是相反的，稱為反電動勢ea。它與發(fā)電機的電動勢 e的作用不同。發(fā)電機的電動勢是電源電動勢，在外電路產生電流。而ea是反電動勢，電源只有克服這個反電動勢才能向電動機輸入電流。 可見，電動機向負載輸出機械功率的同時，電源卻向電動機輸入電功率，電動機起著將電能轉換為機械能的作用。發(fā)電機和電

11、動機兩者的電磁轉矩t的作用是不同的。發(fā)電機的電磁轉矩是阻轉矩，它與原動機的驅動轉矩t1的方向是相反的。電動機的電磁轉矩是驅動轉矩，它使電樞轉動。電動機的電磁轉矩t必須與機械負載轉矩t2及空載損耗轉矩t0相平衡，即tt2十t0。當電動機軸上的機械負載發(fā)生變化時，則電動機的轉速、反電動勢、電流及電磁轉矩將自動進行調整，以適應負載的變化，保持新的平衡?？梢?，直流電機作發(fā)電機運行和作電動機運行時，雖然都產生電動勢和電磁轉矩，但兩者作用截然相反。2.1.2直流電機結構 我們討論電機及其它電器的結構，目的在于了解它們各主要部件的名稱、作用、相互組裝及動作關系。以利正確選用和使用。 電機的結構是由以下幾方面

12、的要求來確定的。首先是電磁方面的要求:使電機產生足夠的磁場，感應出一定的電動勢，通過一定的電流，產生一定的電磁轉矩，要有一定的絕緣強度。其次是機械方面的要求：電機能傳遞一定的轉矩，保持機械上的堅固穩(wěn)定。此外，還要滿足冷卻的要求，溫升不能過高；還要考慮便于檢修，運行可靠等。從電機的基本工作原理知道，電機的磁極和電樞之間必須有相對運動，因此，任何電機都有固定不動的定子和旋轉的轉子兩部分組成，在這兩部分之間的間隙叫空氣隙。下面介紹直流電機的結構。圖2.2是直流電機結構圖。圖2.2 直流電機結構圖1風扇 2機座 3電樞 4主磁極 5刷架6換向器 7接線板 8出線盒 9換向磁極 10端蓋主磁極： 主磁極

13、的作用是產生主磁通，主磁極鐵心包括極心和極掌兩部分。極心上套有勵磁繞組，各主磁極上的繞組一般都是串聯(lián)的。直流電機的磁極如圖所示。極掌的作用是使空氣隙中磁感應強度分布最為合適。 改變勵磁電流if的方向，就可改變主磁極極性，也就改變了磁場方向。 換向磁極： 在兩個相鄰的主磁極之間中性面內有一個小磁極，這就是換向磁極。它的構造與主磁極相似，它的勵磁繞組與主磁極的勵磁繞組相串聯(lián)。換向磁極的作用是產生附加磁場，改善電機的換向，減小電刷與換向器之間的火花，不致使換向器燒壞。 主磁極中性面內的磁感應強度本應為零值，但是，由于電樞電流通過電樞繞組時所產生的電樞磁場，使主磁極中性面的磁感應強度不能為零值。于是使

14、轉到中性面內進行電流換向的繞組產生感應電動勢，使得電刷與換向器之間產生較大的火花。 用換向磁極的附加磁場來抵消電樞磁場，使主磁極中性面內的磁感應強度接近于零，這樣就改善了電樞繞組的電流換向條件，減小了電刷與換向器之間的火花。 電刷裝置： 電刷裝置主要由用碳一石墨制成導電塊的電刷、加壓彈簧和刷盒等組成。固定在機座上(小容量電機裝在端蓋上)不動的電刷，借助于加壓彈簧的壓力和旋轉的換向器保持滑動接觸，使電樞繞組與外電路接通。 電刷數(shù)一般等于主磁極數(shù)，各同極性的電刷經軟線匯在一起，再引到接線盒內的接線板上，作為電樞繞組的引出端。 機座： 機座用鑄鋼或鑄鐵制成。用來固定主磁極、換向磁極和端蓋等，它是電機

15、磁路的一部分。機座上的接線盒有勵磁繞組和電樞繞組的接線端，用來對外接線。 端蓋： 端蓋由鑄鐵制成，用螺釘固定在底座的兩端，蓋內有軸承用以支撐旋轉的電樞。轉子又稱電樞，是電機的旋轉部分。它由電樞鐵心、繞組、換向器等組成。 電樞鐵心： 電樞鐵心由硅鋼片沖制迭壓而成，在外圓上有分布均勻的槽用來嵌放繞組。鐵心也作為電機磁路的一部分。 繞組： 繞組是產生感應電動勢或電磁轉矩，實現(xiàn)能量轉換的主要部件。它是由許多繞組元件構成，按一定規(guī)則嵌放在鐵心槽內和換向片相連，使各組線圈的電動勢相加。繞組端部用鍍鋅鋼絲箍住，防止繞組因離心力而發(fā)生徑向位移。 換向器： 換向器由許多銅制換向片組成，外形呈圓柱形，片與片之間用

16、云母絕緣。 為了使電機安全而有效地運行，制造廠對電機的工作條件都加以技術規(guī)定。按照規(guī)定的工作條件進行運行的狀態(tài)叫做額定工作狀態(tài)。電機在額定工作時的各種技術數(shù)據(jù)叫做額定值，一般加下標 e表示。這些額定值都列在電機的銘牌上，使用電機前，應熟悉銘牌。使用中的實際值，一般不應超過銘牌所規(guī)定的額定值。2.2 pwm控制調速原理直流電機pwm調速的基本原理圖如圖2.3?？煽亻_關s以固定的周期重復地接通和斷開，當開關s接通時，直流供電電源u通過開關s施加到直流電機兩端，電機在電源作用下轉動，同時電機電樞電感儲存能量；當開關s斷開時，供電電源停止向電動機提供能量，但此時電樞電感所儲存的能量將通過續(xù)流二極管vd

17、使電機電樞電流繼續(xù)維持，電樞電流仍然產生電磁轉矩使得電機繼續(xù)旋轉。開關s重復動作時，在電機電樞兩端就形成了一系列的電壓脈沖波形，如圖2.4所示。 電樞電壓平均值uav的理論計算式為: （1）其中為占空比，即導通時間與脈沖周期之比。由式（1）可知，平均電壓由占空比及電源電壓決定，保持開關頻率恒定，改變占空比能夠相應地改變平均電壓，從而實現(xiàn)了直流電動機的調壓調速。 圖2.3 簡單直流pwm控制電路 圖2.4 電壓及電流波形本章詳細的介紹了直流電機工作原理及其基本機構，以及pwm控制調速原理，對直流電機的各個結構及工作原理都作了詳細深入的了解。并確定了pwm直流電機調速的關鍵是調整占空比來調節(jié)平均電

18、壓從而達到調節(jié)轉速的目的。3電源模塊及pwm驅動電路設計3.1 電源模塊的確定ac/dc電源模塊的確定：由于整流電路部分需要的電源是輸入為220v的交流電，而輸出電壓48v，輸出10a以上的直流電，輸出電壓紋波小于2-3v。因此，選賽思德電源有限公司生產的sas-500600-s系列的sas-500-48-s電源，此電源采用無工頻變壓器的開關電源技術，因而具備交、直流兼容輸入功能，而且輸入電壓范圍寬；采用先進的開關電源控制技術和元器件，以及精心的設計，整機體積小、重量輕、效率高，確保了長期滿負荷運行的穩(wěn)定、可靠。 設有完善的保護功能。內置溫控散熱風扇，既能有效散熱，又能有效延長風扇壽命；過熱自

19、動關機保護；輸出過壓、過流和短路保護。開機延時軟啟動，避免開機輸出電壓過沖。電源廣泛應用于電力直流屏系統(tǒng)、工控、通信、科研、蓄電池充電等設備。sas-500-48-s外形如圖3.1所示：圖3.1 ac/dc,220v/48v技術指標：輸入范圍：（165-265vac）。輸出電壓：電壓48vdc；電流10a。紋波電壓：1%工作環(huán)境溫度：(-1045)此系列電源精度高，功率和技術要求均能達到本次設計要求。dc/dc電源模塊的選擇：由于設計中的運放和電壓跟隨器以及某修芯片需要15v的直流電源，因此選擇賽思德電源公司生產的wra_s-1w/2w系列的wra4815s-2w電源。其技術指標為，寬電壓輸入

20、（3648v），而輸出為雙路穩(wěn)壓輸出：15v，隔離電壓1000vdc，短路/過流保護，自恢復，國際標準引腳,小型sip封裝。這種電源可提供后面設計需要的15v。如下圖所示：圖3.2 15v電源模塊5v的dc/dc選擇：因此選擇賽思德電源公司生產的wra_s-1w/2w系列的wra4805s-1w電源。的dc/dc電源，其輸入為48v，輸出為5v，其封裝形式和15v電源模塊一樣，都是賽思德電源公司的wra_s-1w/2w系列。-1.65v電壓的電源的設計：由于電流檢測部分的一個求和電路中需要-1.65v的電壓，故此，得設計一個能輸出連續(xù)可調的負電壓的電源。綜合各種因素考慮，此處選擇三端集成穩(wěn)壓器

21、cw337，如下圖所示:圖3.3 輸出連續(xù)可調負電壓電源cw337穩(wěn)壓器內部含有過熱、過流保護。r25和r26組成電壓輸出調節(jié)電路。輸出壓v0=1.25(1+r26r25)r25的值一般為120-240，流經r25的泄放電流為5ma-10ma。r26為精密可調電位器，電容c2和r26并聯(lián)組成濾波電路，以減小輸出的紋波電壓。二極管的作用是防止輸出端與地短路時，損壞穩(wěn)壓器。集成穩(wěn)壓器的輸出電壓v0與穩(wěn)壓電源的輸出電源相同。穩(wěn)壓器的輸入電壓vi范圍為：vmax+(vi-v0)minviv0min+(vi-v0)max其中，v0max為最大輸出電壓，v0min為最小輸出電壓，(vi-v0)min為穩(wěn)壓

22、器的最小輸入輸出壓差，(vi-v0)max為穩(wěn)壓器的最大輸入輸出壓差。3.2 h橋驅動原理圖4.12中所示為一個典型的直流電機控制電路。電路得名于“h橋驅動電路”是因為它的形狀酷似字母h。4個三極管組成h的4條垂直腿，而電機就是h中的橫杠（注意：圖3.1及隨后的兩個圖都只是示意圖，而不是完整的電路圖，其中三極管的驅動電路沒有畫出來）。如圖所示，h橋式電機驅動電路包括4個三極管和一個電機。要使電機運轉，必須導通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉向圖3.4 h橋驅動電路要使電機運轉，必須使對角線上的一對三極管導通。例如，如圖3.

23、5所示，當q1管和q4管導通時，電流就從電源正極經q1從左至右穿過電機，然后再經 q4回到電源負極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅動電機順時針轉動。當三極管q1和q4導通時，電流將從左至右流過電機，從而驅動電機按特定方向 轉動（電機周圍的箭頭指示為順時針方向）。圖3.5 h橋電路驅動電機順時針轉動圖3.3所示為另一對三極管q2和q3導通的情況，電流將從右至左流過電機。當三極管q2和q3導通時，電流將從右至左流過電機，從而驅動電機沿另一方向轉動（電機周圍的箭頭表示為逆時針方向）。圖3.6 h橋驅動電機逆時針轉動3.3 h橋驅動使能控制及方向邏輯 驅動電機時，保證h橋上兩個同側的三極管不會同

24、時導通非常重要。如果三極管q1和q2同時導通，那么電流就會從正極穿過兩個三極管直接回到負極。此時，電路中除了三極管外沒有其他任何負載，因此電路上的電流就可能達到最大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞三極管。基于上述原因，在實際驅動電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開關。3.4 pwm驅動電路設計3.4.1直流電機雙極性驅動pwm系統(tǒng)圖3.7 h型雙極性pwm驅動系統(tǒng) 本設計采用h型雙極性可逆pwm系統(tǒng)，如圖3.7所示。h型驅動電路的開關器件分為ql，q4和q2，q3兩組進行通、斷控制。組內兩器件q1，q4同時導通或關斷，兩組間的器件q1，q4和q2，q3則是交替的導通和關斷。前面提到

25、， 平均電壓由占空比及電源電壓決定，保持開關（此處即為功率管）頻率恒定，改變占空比能夠相應地改變平均電壓，從而實現(xiàn)了直流電動機的調壓調速。由于功率半導體器件并非理想開關，斬波器橋路同側兩元件切換時必須要等到導通元件確實關斷之后才能開通另一元件，否則勢必造成同側對應管直通，將電源短路。為了避免直通短路，必須引入開通延時死區(qū)，延時時間必須大于mosfet管的存儲時間。3.4.2 mosfet的選擇mosfet器件的選擇主要從其開關特性、功耗要求和耐壓等方面考慮。mosfet的開關頻率決定了pwm功率轉換裝置頻率的最高限;功率損耗決定了其使用的壽命長短；h型pwm功率轉換電路中的mosfet上施加的

26、電壓約為電源電壓的兩倍，而電源電壓則是由直流電機的最大工作電壓決定的，為此，必須考慮耐壓問題。結合上述因素，mosfet我們采用ir公司的n一溝道增強型vmos功率管irf64o。它是一種電壓控制器件，沒有少數(shù)載流子的儲存效應，輸入阻抗高，因而開關速度可以很高。irf64o的最小漏源擊穿電壓為200v，最大柵源電壓為20v。最高溫度為130攝氏度。3.4.3柵極驅動電路及主要接口電路圖3.8 柵極驅動電路本次設計的柵極驅動電路用的是三極管，三極管選2sa1078,其icm=2a，bvceo=120v, 50。當信號經過光電二極管，對應的光電三極管將導通，從而使得對應的三極管工作在放大區(qū)，從而使

27、得對應的mos管導通。由前面所訴可得到，mos管導通和關斷的頻率和電壓vcc共同決定電機的速率，此處vcc恒定，則pwm波的占空比就調節(jié)電機的速度。上一節(jié)提到，功率半導體器件并非理想開關，h橋同側兩組mos管切換時必須要等到導通的mos管確實關斷之后才能開通另一組mos管，否則勢必造成同側mos管直通，將電源短路。為了避免直通短路，引入了開通延時死區(qū)，延時時間必須大于mosfet管的存儲時間。3.5 功率開關管散熱及保護3.5.1功率開關管散熱當做成電路板后，功率管都是集中在一個散熱片上面，功率模塊的所有損耗都需要由散熱器來轉移，散熱器通過直接傳導或借助于傳熱介質將熱量傳遞給冷卻介質。傳熱介質

28、可以是空氣、水或者絕緣油，它們通過自身的重力或通過風扇以及泵來實現(xiàn)循環(huán)過程。常用的冷卻方式有：自然空氣冷卻（自然對流）、強制空氣冷卻以及水冷系統(tǒng)。其它更為復雜的冷卻方式，如熱管或蒸發(fā)冷卻，一般在具體應用時特別設計。自然空冷（自然對流）多用于功耗低于50w、電流20a以下的系統(tǒng)，以及不允許應用風扇或者器件散熱面積特別大的大功率系統(tǒng)，安裝時葉片應垂直于空氣自然對流的防線。在安裝面和環(huán)境空氣之間的溫差為50k時，自然冷卻方式下黑化后的散熱器熱阻降低約15%。與自然空冷相比，強制風冷時散熱器的熱阻可以降低到10%20%，溫升降低510 0c（風速為26m/s）。這時散熱材料的傳導系數(shù)對冷卻的效果影響極

29、大，所以要選擇較厚的根部和盡可能多的翼片數(shù)目。由于熱量主要通過對流而散發(fā)，因此對于強制風冷方式，對散熱器黑化處理幾乎沒有什么效果。對于一些常用驅動模塊的功率電路，許多廠家都生產出了強制風冷的標準結構（如圖3.9為semikron功率模塊的標準結構）圖3.9 semikron功率模塊風冷的標準結構3.5.2功率管過熱檢測保護電路散熱器的設計是保證功率管在正常情況下可靠工作的關鍵，但如果周圍環(huán)境惡劣或功率管與散熱器接觸不良等情況，也能造成功率管過熱損壞，所以在控制電路上加過熱檢測保護電路。我們知道，功率管的結溫與散熱片的溫度存在一定的關系，所以，可以在功率管散熱片上或者出風口處安裝熱敏電阻，然后通

30、過邏輯判斷電路給出信號供cpld處理，檢測原理如圖3.10所示。圖3.10 過熱保護原理u11為lm393an比較器，jp5處接上具有負溫度系數(shù)的熱敏電阻rt（不使用該保護時可以用跳線短接），thref為參考電壓，可以通過調節(jié)電位器rp1來調節(jié)動作門檻值。應用時將熱敏電阻rt貼在功率管的散熱片上，電路正常工作時，2點電位比3點電位高，1點輸出信號thp為低電平，經過一非門變?yōu)楦唠娖剑俳沜pld與pwm信號相與，驅動電路繼續(xù)正常工作；當器件超過溫度極限時，熱敏電阻阻值降低，2點電位低于3點電位，1點輸出高電平， 經非門變?yōu)榈碗娖?，cpld封鎖pwm脈沖信號，驅動輸出低電平，從而關斷功率管，使裝

31、置退出運行，實現(xiàn)過熱保護。熱敏電阻是對溫度敏感的半導體元件，主要特征是隨著外界環(huán)境溫度的變化，其阻值會相應發(fā)生較大改變。電阻值對溫度的依賴關系稱為阻溫特性。熱敏電阻根據(jù)溫度系數(shù)分為兩類：正溫度系數(shù)熱敏電阻和負溫度系數(shù)熱敏電阻。由于特性上的區(qū)別，應用場合互不相同。正溫度系數(shù)熱敏電阻簡稱ptc（是positive temperature coefficient 的縮寫），超過一定的溫度時，它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的增高。其原理是在陶瓷材料中引入微量稀土元素，如la、nb.等，可使其電阻率下降到10.cm以下，成為良好的半導體陶瓷材料。這種材料具有很大的正電阻溫度系數(shù)，在居里溫度以上幾十度的

32、溫度范圍內，其電阻率可增大410個數(shù)量級，即產生所謂ptc效應。目前大量被使用的ptc熱敏電阻種類：恒溫加熱用ptc熱敏電阻；低電壓加熱用ptc熱敏電阻；空氣加熱用熱敏電阻；過電流保護用ptc熱敏電阻；過熱保護用ptc熱敏電阻；溫度傳感用ptc熱敏電阻；延時啟動用ptc熱敏電阻；負溫度系數(shù)熱敏電阻簡稱ntc（是negative temperature coefficient 的縮寫），它的阻值是隨著溫度的升高而下降的。主要是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料，采用陶瓷工藝制造而成的。這些金屬氧化物材料都具有半導體性質，因為在導電方式上完全類似鍺、硅等半導體材料。 ntc熱敏電阻器溫度系數(shù)-

33、2%-6.5%， 可廣泛應用于溫度測量、溫度補償、抑制浪涌電流等場合。此處過熱保護選的熱敏電阻信號為mf58502f327，熱敏電阻的計算公司為rt = r *exp(b*(1/t1-1/t2)rt 是熱敏電阻在t1溫度下的阻值； r是熱敏電阻在t2常溫下的標稱阻值； b值是熱敏電阻的重要參數(shù)； exp是e的n次方； 這里t1和t2指的是k度即開爾文溫度，k度=273.15(絕對溫度)+攝氏度；而此處選的熱敏電阻是mf58502f327，其各參數(shù)意義為：mf58 型號玻璃封裝 502 常溫25度的標稱阻值為5k f 允許偏差為1% 327 b值為3270k的ntc熱敏電阻則那它的r=5000,

34、 t2=273.15+25，b=3270rt=5000*exp(3270*(1/t1-1/(273.15+25),本次功率管的最高耐溫為130，因此，此時的rt=287。調節(jié)rp1就可滿足設計要求了。4 檢測電路設計4.1 霍爾傳感器原理霍爾傳感器是一種磁傳感器。用它可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用?；魻杺鞲衅饕曰魻栃獮槠涔ぷ骰A，是由霍爾元件和它的附屬電路組成的集成傳感器?；魻杺鞲衅髟诠I(yè)生產、交通運輸和日常生活中有著非常廣泛的應用?；魻栃喝鐖D4.1所示，在半導體薄片兩端通以控制電流i，并在薄片的垂直方向施加磁感應強度為b的勻強磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將

35、產生電勢差為uh的霍爾電壓，它們之間的關系為：圖4.1式中d 為薄片的厚度，k稱為霍爾系數(shù)，它的大小與薄片的材料有關?；魻栐焊鶕?jù)霍爾效應，人們用半導體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對磁場敏感、結構簡單、體積小、頻率響應寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點，因此，在測量、自動化、計算機和信息技術等領域得到廣泛的應用?；魻杺鞲衅鳎河捎诨魻栐a生的電勢差很小，故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成在一個芯片上，稱之為霍爾傳感器。圖4.2霍爾傳感器也稱為霍爾集成電路，其外形較小，如圖4.2所示，是其中一種型號的外形圖。4.2 霍爾傳感器分類及特性霍爾傳感器分為線性型霍爾

36、傳感器和開關型霍爾傳感器兩種。 （一）線性型霍爾傳感器由霍爾元件、線性放大器和射極跟隨器組成，它輸出模擬量。 （二）開關型霍爾傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件、差分放大器，斯密特觸發(fā)器和輸出級組成，它輸出數(shù)字量?；魻杺鞲衅鞯奶匦裕海ㄒ唬?線性型霍爾傳感器的特性圖4.3輸出電壓與外加磁場強度呈線性關系，如圖4.3所示，可見，在b1b2的磁感應強度范圍內有較好的線性度，磁感應強度超出此范圍時則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。（二） 開關型霍爾傳感器的特性如圖4.4所示，其中bop為工作點“開”的磁感應強度，brp為釋放點“關”的磁感應強度。圖4.4當外加的磁感應強度超過動作點bop時，傳感器輸出低電平，當磁感應強度降到動作

37、點bop以下時，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點brp時，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖?。bop與brp之間的滯后使開關動作更為可靠。另外還有一種“鎖鍵型”（或稱“鎖存型”）開關型霍爾傳感器，其特性如圖4.5所示。圖4.5當磁感應強度超過動作點bop時，傳感器輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖剑谕獯艌龀废?，其輸出狀態(tài)保持不變（即鎖存狀態(tài)），必須施加反向磁感應強度達到brp時，才能使電平產生變化?；魻杺鞲衅鞯膽冒幢粰z測對象的性質可將它們的應用分為：直接應用和間接應用。前者是直接檢測受檢對象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對象上人為設置的磁場，這個磁場是被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非

38、磁的物理量，例如速度、加速度、角度、角速度、轉數(shù)、轉速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時間等，轉變成電學量來進行檢測和控制。（一） 線性型霍爾傳感器主要用于一些物理量的測量。例如：1電流傳感器由于通電螺線管內部存在磁場，其大小與導線中的電流成正比，故可以利用霍爾傳感器測量出磁場，從而確定導線中電流的大小。利用這一原理可以設計制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點是不與被測電路發(fā)生電接觸，不影響被測電路，不消耗被測電源的功率，特別適合于大電流傳感。圖4.6霍爾電流傳感器工作原理如圖4.6所示，標準圓環(huán)鐵芯有一個缺口，將霍爾傳感器插入缺口中，圓環(huán)上繞有線圈，當電流通過線圈時產生磁場，則霍爾傳感器有信號輸出。2位移測量如

39、圖4.7所示，兩塊永久磁鐵同極性相對放置，將線性型霍爾傳感器置于中間，其磁感應強度為零，這個點可作為位移的零點，當霍爾傳感器在z軸上作z位移時，傳感器有一個電壓輸出，電壓大小與位移大小成正比。圖4.7如果把拉力、壓力等參數(shù)變成位移，便可測出拉力及壓力的大小，如圖4.8所示，是按這一原理制成的力傳感器。圖4.8（二） 開關型霍爾傳感器主要用于測轉數(shù)、轉速、風速、流速、接近開關、關門告知器、報警器、自動控制電路等。4.3 電流檢測電路本設計采用霍爾元件對電機電流進行采樣，電流采樣檢測電路通過把電流傳感器檢測到的電流信號轉換成單片機可識別的數(shù)字信號。即將霍爾傳感器檢測到的電流進行放大偏置輸出到單片機

40、的a/d接口。電流檢測最好精度高、速度快，一般的電流互感器很難做到這一點，為此本設計采用霍爾傳感器模塊來檢測電流。霍爾傳感器與普通傳感器相比具有絕緣性好、過載能力強、頻帶寬、精度高、線性度好、動態(tài)性能好、抗外磁場干擾能力強的特點。設計中采用的霍爾電流傳感器型號為南京茶花電子公司的cs025lx，其工作電壓為12v15v，額定測量電流25a，輸出電壓為4v。用傳感器檢測母線電流，得到電流的檢測信號，經轉換電路，變成-1.65v到+1.65v的電壓信號，然后經過偏置電路得到0到3.3v的電壓信號送到到單片機的a/d轉換模塊。圖4.9 電流檢測電路如圖4.9所示，反向放大環(huán)節(jié)，反向端為虛地點，則vn

41、=0,霍爾電流傳感器輸出電壓為v0,流過r11后，其右端電壓為vi，故此，由虛短的概念（ip=in=0）可知，流過r11的電流和流過r11的電流相等，得vi-vnr11=vn-v0r17,則電壓增益av=v0vi=-r17r11轉換電路環(huán)節(jié)，運用求和電路，利用虛短（vp-vn=0）,虛斷（ii=0）和虛地(vn=0)的概念，對反向輸入節(jié)點有i1+i2=i3，其中i1為流過r13的電流，i2為流過r15的電流，i3為流過r16的電流，讓r13,r15,r16取相同的阻值，再輸入一個-1.65v的電壓，則可轉換為輸出為0-3.3v的電壓。4.4 電壓檢測電路在本設計中，直流母線電壓是一個重要的輸入

42、量，直流電壓的大小與mos管的安全以及電機的安全直接相關。為了保證系統(tǒng)的安全可靠，以及電機的安全，檢測直流電壓的大小是必須的，這也是直流母線過壓欠壓的依據(jù)。本次設計采用精度較高的霍爾電壓傳感器，選用lem公司的lv100霍爾傳感器，lv系列霍爾電壓傳感器是應用霍爾效應的閉環(huán)（補償）電壓傳感器，原邊回路和副邊回路之間高度絕緣隔離，可用于測量直流、交流、脈沖以及各種不規(guī)則波形的電流，副邊輸出能真實反映原邊電流的波形和線性比例。廣泛應用于交流變頻調速、伺服電機牽引、直流電機牽引的靜態(tài)轉換、電池電源、不間斷電源、開關電源、電焊機電源。采用轉換比kn=10ma/50ma，霍爾傳感器輸出的是電流信號，需要

43、根據(jù)所需要的電壓范圍選擇合適的電阻進行采樣，同時還需要進行阻抗匹配處理。如圖4.10所示。圖4.10 電壓檢測電路運放ar4此處是做電壓跟隨器，其輸入電阻無窮大，起阻抗匹配的作用。然后再經過運算放大，最終得到一個與直流電壓成正比例的電壓輸出信號。lv100，其輸入電流為0-10ma，輸出電流為0-50ma，為了獲得正向輸出電流，原邊電流必須按ht到ht方向流動，使用時，應先接通工作電源及輸出電路，再接通被測電流。二極管的作用是保證輸出的電壓在0-3.3v之間。5保護電路設計5.1 cpld介紹cpld(complex programmable logic device)復雜可編程邏輯器件，是從

44、pal和gal器件發(fā)展出來的器件，相對而言規(guī)模大，結構復雜，屬于大規(guī)模集成電路范圍。是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設計方法是借助集成開發(fā)軟件平臺，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應的目標文件，通過下載電纜（“在系統(tǒng)”編程）將代碼傳送到目標芯片中，實現(xiàn)設計的數(shù)字系統(tǒng)。 cpld主要是由可編程邏輯宏單元(mc，macro cell)圍繞中心的可編程互連矩陣單元組成。其中mc結構較復雜，并具有復雜的i/o單元互連結構，可由用戶根據(jù)需要生成特定的電路結構，完成一定的功能。由于cpld內部采用固定長度的金屬線進行各邏輯塊的互連，所以設計的邏輯電路具有時間可預測性，避免

45、了分段式互連結構時序不完全預測的缺點。 發(fā)展歷史及應用領域： 20世紀70年代，最早的可編程邏輯器件-pld誕生了。其輸出結構是可編程的邏輯宏單元，因為它的硬件結構設計可由軟件完成（相當于房子蓋好后人工設計局部室內結構），因而它的設計比純硬件的數(shù)字電路具有很強的靈活性，但其過于簡單的結構也使它們只能實現(xiàn)規(guī)模較小的電路。為彌補pld只能設計小規(guī)模電路這一缺陷，20世紀80年代中期，推出了復雜可編程邏輯器件-cpld。目前應用已深入網絡、儀器儀表、汽車電子、數(shù)控機床、航天測控設備等方面。5.2 cpld作用及優(yōu)點可編程邏輯器件的兩種主要類型是現(xiàn)場可編程門陣列（fpga）和復雜可編程邏輯器件（cpl

46、d）。 在這兩類可編程邏輯器件中，fpga提供了最高的邏輯密度、最豐富的特性和最高的性能。 現(xiàn)在最新的fpga器件，如xilinx virtex系列中的部分器件，可提供八百萬系統(tǒng)門（相對邏輯密度）。 這些先進的器件還提供諸如內建的硬連線處理器（如ibm power pc）、大容量存儲器、時鐘管理系統(tǒng)等特性，并支持多種最新的超快速器件至器件（device-to-device）信號技術。 fpga被應用于范圍廣泛的應用中，從數(shù)據(jù)處理和存儲，以及到儀器儀表、電信和數(shù)字信號處理等。 與此相比，cpld提供的邏輯資源少得多 ， 最高約1萬門。 但是，cpld提供了非常好的可預測性，因此對于關鍵的控制應用

47、非常理想。 而且如xilinx coolrunner系列cpld器件需要的功耗極低，并且價格低廉，從而使其對于成本敏感的、電池供電的便攜式應用（如移動電話和數(shù)字手持助理）非常理想。cpld的出現(xiàn)是超大規(guī)模集成電路(vlsi) 技術和計算機輔助設計(cad) 技術發(fā)展的結果，cpld 器件集成度高，體積小，具有通過用戶編程實現(xiàn)專門應用的功能，它允許電路設計者利用基于計算機的開發(fā)平臺,經過設計輸入、仿真、測試和校驗,直到達到預期的結果，使用cpld 器件可以大大縮短系統(tǒng)的研制周期，減少資金投入， 更吸引人的是，采用cpld 器件可以將原來的電路板級產品集成為芯片級產品,從而降低了功耗,提高了可靠性

48、，同時還可以很方便地對設計進行在線修改，因此，cpld 器件特別適合于產品的樣機開發(fā)和小批量生產。5.3 cpld保護算法5.3.1 max7000s器件介紹本次設計的邏輯控制采用max7000s系列的cpld，完成pwm信號處理、故障閉鎖、輸出死區(qū)控制等功能，可以通過撥碼開關方便地調節(jié)死區(qū)時間定值（16s）；功率驅動部分接收經過cpld處理的兩路pwm信號，經過功率放大和電平的匹配，分別去驅動各自對應的功率管。如圖5.1所示圖5.1 信號輸入與輸出thp為過熱保護信號，bit2(引腳6)、bit1（引腳5）、bit0（引腳4） 為撥碼開關連接口，pwm1（引腳41）、pwm2（引腳40）為信

49、號輸入端口，out1(引腳18)、out2(引腳17)為信號輸出端口，引腳26是過流信號輸入端口，引腳37是欠壓信號端口。引腳43是外部時鐘信號輸入端口。max7000s系列是高密度、高性能的cmos cpld，它是在altera公司第二代max結構的基礎上改進制造的。max7000s系列可提供600到5000個可用邏輯門，引腳到引腳的延時為5ns，計數(shù)器的工作頻率可達175.4mhz，可以實現(xiàn)多種復雜邏輯。以靈活的描述語言代替復雜的ttl或cmos邏輯電路，大大提高了系統(tǒng)的可靠性，并使得用戶版圖的面積顯著減小。max7000s器件可以100%地模仿ttl，并且可以將ssi、msi、lsi的邏

50、輯函數(shù)高密度地集成。max7000s采用cmos eeprom單元實現(xiàn)邏輯函數(shù)，用戶程序掉電后不會丟失。用戶可以通過編程實現(xiàn)多種多樣的組合邏輯和時序邏輯函數(shù)。在設計開發(fā)和調整階段，max7000s器件可以利用pc機和bit blaster或byte blaster下載線，通過jatg口快速有效地重新編程，并保證編程和擦除次數(shù)在100次以上。圖5.2 epm7064s的封裝形式epm7064s是max7000s系列的成員之一，包含64個宏單元。具有plcc、pqfp、tqfp等多種封裝形式，引腳數(shù)目有44、68、84、100四種（參見圖52），可以根據(jù)對i/o數(shù)量的要求進行選用。本次設計根據(jù)設計

51、需要選擇使用了44腳的plcc片式載體封裝，芯片型號為emp7064slc-44，器件使用5v單電源供電，采用50mhz的晶體振蕩器作為全局時鐘輸入。5.3.2 max+plus開發(fā)系統(tǒng) max7000s系列器件得到了altera公司max+plus開發(fā)系統(tǒng)的支持，該開發(fā)系統(tǒng)是一種將設計輸入、處理、校驗全集成化的可編程邏輯設計環(huán)境。它支持不同結構的器件，能夠在多種平臺上運行，具有易于使用的界面。支持電路圖、文本和波形等多種形式的輸入方式，可以執(zhí)行編譯和邏輯綜合、仿真和定時分析以及對器件編程等工作。支持多種硬件描述語言（hdl），包括vhdl、verilog hdl和altera的ahdl描述語

52、言。ahdl硬件描述語言是一種基于文本的、在cpld設計方面功能強而靈活的語言，支持板極應用，可以建立完整的層次設計方案，也可以按層次混合使用多種描述方法。ahdl特別適合于描述復雜的組合邏輯、狀態(tài)機和真值表等。5.3.3 cpld程序編寫圖5.3 epm7064slc-44型cpld管腳分配及定義本文基于epm7064slc-44型cpld，使用ahdl描述語言，對驅動邏輯、保護邏輯、故障鎖定與復位邏輯以及死區(qū)控制等進行了統(tǒng)一編程實現(xiàn)。epm7064s的管腳分配定義如圖5.3所示。對該圖中各個管腳的說明如下：vin1、vin2：從控制板來的兩路pwm控制信號；bit0bit3：從撥碼開關來的

53、死區(qū)時間調節(jié)值；pf11、pf12、pf21、pf22：從電源監(jiān)視來的正負電源過低信號（備用）；/prot1（2）：從電流檢測來的過流保護動作信號；thp：從過熱保護電路來的溫度過高信號；jp2：外部來的驅動封鎖信號e_off；blk2_dy：欠壓動作信號；blk1_bh：其它保護動作信號（備用）；error1：控制電路故障信號；out1、out2：cpld輸出的驅動信號（到驅動放大電路）；clock：全局時鐘信號（接外部晶振）；global clear：全局清除信號；global oe：全局輸出使能信號；vcc：工作電源、邏輯信號電源；gnd：工作電源地、邏輯信號地。tdi、tms、tck、

54、tdo：內置的jtag在線編程（isp）接口。cpld邏輯控制單元功能圖如圖5.4所示主回路主回路主回路功率管電壓電流檢測欠壓過流信號驅動信號主回路電流電壓采樣溫度檢測電路功率管柵極驅動電路過熱信號經過邏輯運算后的pwm信號pwm信號以及控制信號mega64單片機cpld圖5.4 cpld邏輯控制單元功能圖如下圖所示程序流程圖如圖5.5所示：開始是否有全局開始信號oeny是否有pwm信號pwm1orpwm2控制電路nny停止過流檢測電路信號yn溫度檢測信號停止ny停止欠壓信號y死區(qū)時間處理輸出out1,out2圖5.5 程序流程圖開始后，當cpld接受到全局開始信號后，再和pwm信號作與運算，

55、再和過流檢測電路的高電平作與運算，再和溫度檢測電路欠壓信號的高電平依次作與運算，再進行死區(qū)時間處理，然后輸出相應的out1或者out2。5.4過流保護設計過流保護分為分散式過流保護和集中式過流保護。分散式過流保護是通過檢測驅動電路中各個功率管的單管的電流，發(fā)現(xiàn)過流故障后關斷相應功率管的保護方法。在分散式過流保護方法中，一般都通過檢測功率管的通態(tài)壓降的方法來判斷功率管是否過流，一旦發(fā)現(xiàn)功率管的通態(tài)壓降超過設定的閾值，過流保護電路就開始動作。這種保護也稱為退飽和檢測保護，因為故障時通態(tài)壓降的顯著增加使功率管的運行區(qū)域離開了飽和區(qū)。由于功率管的通態(tài)壓降除了與集電極電流有關外，還與驅動電壓、模塊溫度等有關，而且模塊參數(shù)間還存在分散性，使得分散式過流保護的閾值不易整定。分散式過流保護使用于電路復雜，元器件多以及功率很大的電路，而本設計電路不算復雜，元器件偏少，主回路功率偏大外，驅動部分功率都較小，因此，本次設計采用的是集中式過流保護?？梢酝ㄟ^快速電流霍爾直接檢測直流母線上的電流，當超過設定值時，發(fā)送故障信號給cpld，立即封鎖驅動輸出，關斷功率管。由于采用了硬關斷方式，大電流時可能由于關斷過快而導致過電壓損壞功率管，所以，這種方式常常使用于過負荷電流的保護，針對小于1.21.5倍的過流。而本