簡析直流數(shù)字控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)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(shù)字控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)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(tǒng)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(xiàn)控制，取代傳統(tǒng)的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)用一臺單片機及外部擴展設(shè)備代替原模擬系統(tǒng)中電壓調(diào)節(jié)器、觸發(fā)器、鎖零單元和電流自適應(yīng)調(diào)節(jié)器等，從而使直流調(diào)速系統(tǒng)實現(xiàn)全數(shù)字化。測速電路利用光電編碼器產(chǎn)生占空比變化的PWM波，送入單片機進行轉(zhuǎn)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(shè)置使晶閘管關(guān)斷的輔助換電路。帶反電勢的阻負(fù)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(guān)斷時給負(fù)載中電感電流提供通道，設(shè)置了續(xù)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(fù)載，兩種情況下負(fù)載中均會出現(xiàn)反電動勢，如圖中EM所示。

工作原理

t=0時刻驅(qū)動V導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，負(fù)載電壓uo=E，負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升。

t=t1時刻控制V關(guān)斷，負(fù)載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動小通常使串接的電感L值較大。

電流連續(xù)時，負(fù)載電壓平均值

ton——V通的時間 toff——V斷的時間 a--導(dǎo)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(jù)對輸出電壓平均值進行調(diào)制的方式不同而劃分）有：T不變，變ton —脈沖寬度調(diào)制（PWM）；ton不變，變T —頻率調(diào)制；ton和T都可調(diào)，改變占空比—混合型。本課題采用第一型即由單片機產(chǎn)生的占空比可變的PWM波對降壓斬波電路進行控制。

2 系統(tǒng)控制電路

控制電路部分起到信號隔離和電平轉(zhuǎn)換的作用，因為單片機輸出的是TTL電平(0V～5V），而驅(qū)動部分采用的是MOS管IRFP450，它的觸發(fā)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(jīng)74LS04芯片后接進光耦，通過5V電源給發(fā)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(fā)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(dāng)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(fā)出不同的信號，如圖4所示。由光電式旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生與被測轉(zhuǎn)速成正比的脈沖，測速裝置將輸入脈沖轉(zhuǎn)換為以數(shù)字形式表示的轉(zhuǎn)速值。

圖3 槽型光耦立體圖

圖4 光電測速裝置結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)的實現(xiàn)

圖5 系統(tǒng)主電路

系統(tǒng)電路原理如圖5所示，整個系統(tǒng)分為：軟件部分、硬件電路部分、反饋環(huán)節(jié)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(guān)斷與導(dǎo)通來控制輸出的電壓值。直流電機轉(zhuǎn)速的大小取決于其輸入電壓的大小，轉(zhuǎn)速經(jīng)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(jīng)PID調(diào)節(jié)后經(jīng)T0定時器控制高低電平時間來改變PWM波的占空比，PWM波經(jīng)P2.4口輸出實現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)直流調(diào)速。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.077