直流電機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)電路本科畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、 摘 要本文介紹了一種基于pwm信號(hào)，采用h橋?qū)χ绷麟姍C(jī)進(jìn)行調(diào)壓調(diào)速的驅(qū)動(dòng)電路。mega64單片機(jī)發(fā)出pwm信號(hào)，先經(jīng)cpld（保護(hù)作用）,然后經(jīng)光耦隔離、放大后，控制功率管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)壓調(diào)速。兩路pwm信號(hào)控制電機(jī)兩個(gè)不同的轉(zhuǎn)向。本文還采用模擬電路以及cpld為驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)了一種巧妙的過流欠壓保護(hù)方案，對(duì)cpld保護(hù)以及欠壓、過流、過熱保護(hù)電路都作了詳細(xì)的介紹。關(guān)鍵詞：脈寬調(diào)制 ； h橋驅(qū)動(dòng)電路 ； 過流保護(hù)；欠壓保護(hù) ； 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(jī)工作原理及基本結(jié)構(gòu)22.1.1直流電機(jī)基本工作原理22.1.2直流電機(jī)結(jié)構(gòu)32.2 pwm控制調(diào)速原理53電源模塊及pwm驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)73.1 電源模塊的確定73.2 h橋驅(qū)動(dòng)原理103.3 h橋驅(qū)動(dòng)使能控制及方向邏輯113.4 pwm驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)123.4.1直

5、流電機(jī)雙極性驅(qū)動(dòng)pwm系統(tǒng)123.4.2 mosfet的選擇123.4.3柵極驅(qū)動(dòng)電路及主要接口電路133.5 功率開關(guān)管散熱及保護(hù)143.5.1功率開關(guān)管散熱143.5.2功率管過熱檢測保護(hù)電路154 檢測電路設(shè)計(jì)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(hù)電路設(shè)計(jì)235.1 cpld介紹235.2 cpld作用及優(yōu)點(diǎn)235.3 cpld保護(hù)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(hù)設(shè)計(jì)305.5欠壓保護(hù)設(shè)計(jì)316 結(jié) 論33總結(jié)

6、與體會(huì)34致 謝35參考文獻(xiàn)36iv1前 言 上個(gè)世紀(jì)50年代，美國通用電氣公司發(fā)明的硅晶閘管的問世，標(biāo)志著電力電子技術(shù)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(jīng)派生了快速晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管、雙向晶閘管、不對(duì)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(yīng)用。此外，關(guān)斷這些器件，需要強(qiáng)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(nèi)生產(chǎn)的電力電子器件仍以晶閘管為主。隨著關(guān)鍵技術(shù)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(guān)斷，大大提高了開關(guān)控制的靈活性。自70年代后期以來，可關(guān)斷晶閘管(gto)、電力晶體管(gtr或bjt)及其模塊相繼實(shí)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(yīng)晶體管(sit)和靜電感應(yīng)晶閘管(sith)等。與此同時(shí)，脈沖寬度調(diào)制（pwm）技術(shù)與開關(guān)功率電路成為功率應(yīng)用中的主流技術(shù)；長期以來，直流電機(jī)以其良好的線性特性，優(yōu)異的控制性能、低成本等特點(diǎn)成為大多是變速運(yùn)動(dòng)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(jī)調(diào)速技術(shù)在現(xiàn)代電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中被廣泛運(yùn)用。電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制，是電氣傳動(dòng)發(fā)展的主要方向。而驅(qū)動(dòng)電路則是調(diào)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(hào)進(jìn)行放大。保護(hù)電路以及檢測電路是對(duì)電機(jī)速度精確控制的前提，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)直流電機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，目前，隨著形勢的發(fā)展，驅(qū)動(dòng)技術(shù)已日趨成熟，國內(nèi)外許多公司都生產(chǎn)出了不同型號(hào)的驅(qū)動(dòng)芯片，但在保護(hù)電路方面均不理想，當(dāng)出現(xiàn)突然短路或者超大過流的情況時(shí)，芯片極易損壞，基于這種情況，本文是用cpld做驅(qū)動(dòng)電路保護(hù)電路的驅(qū)動(dòng)電路，其重點(diǎn)是保護(hù)電路，由于cpld內(nèi)部是由復(fù)雜的開關(guān)邏輯器件組成的，因此具有速度快、

9、可預(yù)測性高等特點(diǎn)。當(dāng)電路過流欠壓等情況發(fā)生時(shí)，能在極短的時(shí)間內(nèi)作出保護(hù)反應(yīng)。只有精確的保護(hù)電路，才能實(shí)現(xiàn)真正的電機(jī)調(diào)速驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化簡單化以及可靠性的更高。下面是驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的具體過程。2 基本原理2.1 直流電機(jī)工作原理及基本結(jié)構(gòu)2.1.1直流電機(jī)基本工作原理在電工課程中，我們已經(jīng)知道通電導(dǎo)體在磁場中會(huì)受到電磁力的作用-電磁力定律。電動(dòng)機(jī)就是應(yīng)用這個(gè)定律工作的。圖2.1是直流電動(dòng)機(jī)的原理圖。圖2.1 直流電機(jī)原理圖電樞繞組通過電刷接到直流電源上，繞組的旋轉(zhuǎn)軸與機(jī)械負(fù)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(chǎn)生電磁力f，其方向可用左手定則判定。這一對(duì)電磁力所形

10、成的電磁轉(zhuǎn)矩t，使電動(dòng)機(jī)電樞逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。如上圖a所示。 當(dāng)電樞轉(zhuǎn)到上圖b所示位置時(shí)，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(zhuǎn)矩的方向仍然使電動(dòng)機(jī)電樞逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。 電樞轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，割切磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，這個(gè)電動(dòng)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(dòng)勢ea。它與發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢 e的作用不同。發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢是電源電動(dòng)勢，在外電路產(chǎn)生電流。而ea是反電動(dòng)勢，電源只有克服這個(gè)反電動(dòng)勢才能向電動(dòng)機(jī)輸入電流。 可見，電動(dòng)機(jī)向負(fù)載輸出機(jī)械功率的同時(shí)，電源卻向電動(dòng)機(jī)輸入電功率，電動(dòng)機(jī)起著將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的作用。發(fā)電機(jī)和電

11、動(dòng)機(jī)兩者的電磁轉(zhuǎn)矩t的作用是不同的。發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是阻轉(zhuǎn)矩，它與原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩t1的方向是相反的。電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，它使電樞轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩t必須與機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩t2及空載損耗轉(zhuǎn)矩t0相平衡，即tt2十t0。當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸上的機(jī)械負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、反電動(dòng)勢、電流及電磁轉(zhuǎn)矩將自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)負(fù)載的變化，保持新的平衡?？梢?，直流電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行和作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，雖然都產(chǎn)生電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩，但兩者作用截然相反。2.1.2直流電機(jī)結(jié)構(gòu) 我們討論電機(jī)及其它電器的結(jié)構(gòu)，目的在于了解它們各主要部件的名稱、作用、相互組裝及動(dòng)作關(guān)系。以利正確選用和使用。 電機(jī)的結(jié)構(gòu)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(jī)產(chǎn)生足夠的磁場，感應(yīng)出一定的電動(dòng)勢，通過一定的電流，產(chǎn)生一定的電磁轉(zhuǎn)矩，要有一定的絕緣強(qiáng)度。其次是機(jī)械方面的要求：電機(jī)能傳遞一定的轉(zhuǎn)矩，保持機(jī)械上的堅(jiān)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(yùn)行可靠等。從電機(jī)的基本工作原理知道，電機(jī)的磁極和電樞之間必須有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此，任何電機(jī)都有固定不動(dòng)的定子和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)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(jī)的結(jié)構(gòu)。圖2.2是直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖。圖2.2 直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖1風(fēng)扇 2機(jī)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(chǎn)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(lì)磁繞組，各主磁極上的繞組一般都是串聯(lián)的。直流電機(jī)的磁極如圖所示。極掌的作用是使空氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)度分布最為合適。 改變勵(lì)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(gè)相鄰的主磁極之間中性面內(nèi)有一個(gè)小磁極，這就是換向磁極。它的構(gòu)造與主磁極相似，它的勵(lì)磁繞組與主磁極的勵(lì)磁繞組相串聯(lián)。換向磁極的作用是產(chǎn)生附加磁場，改善電機(jī)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(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度本應(yīng)為零值，但是，由于電樞電流通過電樞繞組時(shí)所產(chǎn)生的電樞磁場，使主磁極中性面的磁感應(yīng)強(qiáng)度不能為零值。于是使

14、轉(zhuǎn)到中性面內(nèi)進(jìn)行電流換向的繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，使得電刷與換向器之間產(chǎn)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(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)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(dǎo)電塊的電刷、加壓彈簧和刷盒等組成。固定在機(jī)座上(小容量電機(jī)裝在端蓋上)不動(dòng)的電刷，借助于加壓彈簧的壓力和旋轉(zhuǎn)的換向器保持滑動(dòng)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(jīng)軟線匯在一起，再引到接線盒內(nèi)的接線板上，作為電樞繞組的引出端。 機(jī)座： 機(jī)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(jī)

15、磁路的一部分。機(jī)座上的接線盒有勵(lì)磁繞組和電樞繞組的接線端，用來對(duì)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(nèi)有軸承用以支撐旋轉(zhuǎn)的電樞。轉(zhuǎn)子又稱電樞，是電機(jī)的旋轉(zhuǎn)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(jī)磁路的一部分。 繞組： 繞組是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢或電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的主要部件。它是由許多繞組元件構(gòu)成，按一定規(guī)則嵌放在鐵心槽內(nèi)和換向片相連，使各組線圈的電動(dòng)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(jī)安全而有效地運(yùn)行，制造廠對(duì)電機(jī)的工作條件都加以技術(shù)規(guī)定。按照規(guī)定的工作條件進(jìn)行運(yùn)行的狀態(tài)叫做額定工作狀態(tài)。電機(jī)在額定工作時(shí)的各種技術(shù)數(shù)據(jù)叫做額定值，一般加下標(biāo) e表示。這些額定值都列在電機(jī)的銘牌上，使用電機(jī)前，應(yīng)熟悉銘牌。使用中的實(shí)際值，一般不應(yīng)超過銘牌所規(guī)定的額定值。2.2 pwm控制調(diào)速原理直流電機(jī)pwm調(diào)速的基本原理圖如圖2.3?？煽亻_關(guān)s以固定的周期重復(fù)地接通和斷開，當(dāng)開關(guān)s接通時(shí)，直流供電電源u通過開關(guān)s施加到直流電機(jī)兩端，電機(jī)在電源作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)電樞電感儲(chǔ)存能量；當(dāng)開關(guān)s斷開時(shí)，供電電源停止向電動(dòng)機(jī)提供能量，但此時(shí)電樞電感所儲(chǔ)存的能量將通過續(xù)流二極管vd

17、使電機(jī)電樞電流繼續(xù)維持，電樞電流仍然產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩使得電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。開關(guān)s重復(fù)動(dòng)作時(shí)，在電機(jī)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(jì)算式為: （1）其中為占空比，即導(dǎo)通時(shí)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(guān)頻率恒定，改變占空比能夠相應(yīng)地改變平均電壓，從而實(shí)現(xiàn)了直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)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(xì)的介紹了直流電機(jī)工作原理及其基本機(jī)構(gòu)，以及pwm控制調(diào)速原理，對(duì)直流電機(jī)的各個(gè)結(jié)構(gòu)及工作原理都作了詳細(xì)深入的了解。并確定了pwm直流電機(jī)調(diào)速的關(guān)鍵是調(diào)整占空比來調(diào)節(jié)平均電

18、壓從而達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。3電源模塊及pwm驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)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(chǎn)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(guān)電源技術(shù)，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(jìn)的開關(guān)電源控制技術(shù)和元器件，以及精心的設(shè)計(jì)，整機(jī)體積小、重量輕、效率高，確保了長期滿負(fù)荷運(yùn)行的穩(wěn)定、可靠。 設(shè)有完善的保護(hù)功能。內(nèi)置溫控散熱風(fēng)扇，既能有效散熱，又能有效延長風(fēng)扇壽命；過熱自

19、動(dòng)關(guān)機(jī)保護(hù)；輸出過壓、過流和短路保護(hù)。開機(jī)延時(shí)軟啟動(dòng)，避免開機(jī)輸出電壓過沖。電源廣泛應(yīng)用于電力直流屏系統(tǒng)、工控、通信、科研、蓄電池充電等設(shè)備。sas-500-48-s外形如圖3.1所示：圖3.1 ac/dc,220v/48v技術(shù)指標(biāo)：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(shù)要求均能達(dá)到本次設(shè)計(jì)要求。dc/dc電源模塊的選擇：由于設(shè)計(jì)中的運(yùn)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(chǎn)的wra_s-1w/2w系列的wra4815s-2w電源。其技術(shù)指標(biāo)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(hù)，自恢復(fù)，國際標(biāo)準(zhǔn)引腳,小型sip封裝。這種電源可提供后面設(shè)計(jì)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(chǎn)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(shè)計(jì)：由于電流檢測部分的一個(gè)求和電路中需要-1.65v的電壓，故此，得設(shè)計(jì)一個(gè)能輸出連續(xù)可調(diào)的負(fù)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(diào)負(fù)電壓電源cw337穩(wěn)壓器內(nèi)部含有過熱、過流保護(hù)。r25和r26組成電壓輸出調(diào)節(jié)電路。輸出壓v0=1.25(1+r26r25)r25的值一般為120-240，流經(jīng)r25的泄放電流為5ma-10ma。r26為精密可調(diào)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(shí)，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(qū)動(dòng)原理圖4.12中所示為一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路。電路得名于“h橋驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜竓。4個(gè)三極管組成h的4條垂直腿，而電機(jī)就是h中的橫杠（注意：圖3.1及隨后的兩個(gè)圖都只是示意圖，而不是完整的電路圖，其中三極管的驅(qū)動(dòng)電路沒有畫出來）。如圖所示，h橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向圖3.4 h橋驅(qū)動(dòng)電路要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。例如，如圖3.

23、5所示，當(dāng)q1管和q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)q1從左至右穿過電機(jī)，然后再經(jīng) q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管q1和q4導(dǎo)通時(shí)，電流將從左至右流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向 轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周圍的箭頭指示為順時(shí)針方向）。圖3.5 h橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)圖3.3所示為另一對(duì)三極管q2和q3導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過電機(jī)。當(dāng)三極管q2和q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周圍的箭頭表示為逆時(shí)針方向）。圖3.6 h橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)3.3 h橋驅(qū)動(dòng)使能控制及方向邏輯 驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，保證h橋上兩個(gè)同側(cè)的三極管不會(huì)同

24、時(shí)導(dǎo)通非常重要。如果三極管q1和q2同時(shí)導(dǎo)通，那么電流就會(huì)從正極穿過兩個(gè)三極管直接回到負(fù)極。此時(shí)，電路中除了三極管外沒有其他任何負(fù)載，因此電路上的電流就可能達(dá)到最大值（該電流僅受電源性能限制），甚至燒壞三極管?；谏鲜鲈?，在實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開關(guān)。3.4 pwm驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)3.4.1直流電機(jī)雙極性驅(qū)動(dòng)pwm系統(tǒng)圖3.7 h型雙極性pwm驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 本設(shè)計(jì)采用h型雙極性可逆pwm系統(tǒng)，如圖3.7所示。h型驅(qū)動(dòng)電路的開關(guān)器件分為ql，q4和q2，q3兩組進(jìn)行通、斷控制。組內(nèi)兩器件q1，q4同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷，兩組間的器件q1，q4和q2，q3則是交替的導(dǎo)通和關(guān)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(guān)（此處即為功率管）頻率恒定，改變占空比能夠相應(yīng)地改變平均電壓，從而實(shí)現(xiàn)了直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。由于功率半導(dǎo)體器件并非理想開關(guān)，斬波器橋路同側(cè)兩元件切換時(shí)必須要等到導(dǎo)通元件確實(shí)關(guān)斷之后才能開通另一元件，否則勢必造成同側(cè)對(duì)應(yīng)管直通，將電源短路。為了避免直通短路，必須引入開通延時(shí)死區(qū)，延時(shí)時(shí)間必須大于mosfet管的存儲(chǔ)時(shí)間。3.4.2 mosfet的選擇mosfet器件的選擇主要從其開關(guān)特性、功耗要求和耐壓等方面考慮。mosfet的開關(guān)頻率決定了pwm功率轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jī)的最大工作電壓決定的，為此，必須考慮耐壓問題。結(jié)合上述因素，mosfet我們采用ir公司的n一溝道增強(qiáng)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(chǔ)存效應(yīng)，輸入阻抗高，因而開關(guān)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(qū)動(dòng)電路及主要接口電路圖3.8 柵極驅(qū)動(dòng)電路本次設(shè)計(jì)的柵極驅(qū)動(dòng)電路用的是三極管，三極管選2sa1078,其icm=2a，bvceo=120v, 50。當(dāng)信號(hào)經(jīng)過光電二極管，對(duì)應(yīng)的光電三極管將導(dǎo)通，從而使得對(duì)應(yīng)的三極管工作在放大區(qū)，從而使

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

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(fēng)扇以及泵來實(shí)現(xiàn)循環(huán)過程。常用的冷卻方式有：自然空氣冷卻（自然對(duì)流）、強(qiáng)制空氣冷卻以及水冷系統(tǒng)。其它更為復(fù)雜的冷卻方式，如熱管或蒸發(fā)冷卻，一般在具體應(yīng)用時(shí)特別設(shè)計(jì)。自然空冷（自然對(duì)流）多用于功耗低于50w、電流20a以下的系統(tǒng)，以及不允許應(yīng)用風(fēng)扇或者器件散熱面積特別大的大功率系統(tǒng)，安裝時(shí)葉片應(yīng)垂直于空氣自然對(duì)流的防線。在安裝面和環(huán)境空氣之間的溫差為50k時(shí)，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(qiáng)制風(fēng)冷時(shí)散熱器的熱阻可以降低到10%20%，溫升降低510 0c（風(fēng)速為26m/s）。這時(shí)散熱材料的傳導(dǎo)系數(shù)對(duì)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(duì)流而散發(fā)，因此對(duì)于強(qiáng)制風(fēng)冷方式，對(duì)散熱器黑化處理幾乎沒有什么效果。對(duì)于一些常用驅(qū)動(dòng)模塊的功率電路，許多廠家都生產(chǎn)出了強(qiáng)制風(fēng)冷的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)（如圖3.9為semikron功率模塊的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)）圖3.9 semikron功率模塊風(fēng)冷的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)3.5.2功率管過熱檢測保護(hù)電路散熱器的設(shè)計(jì)是保證功率管在正常情況下可靠工作的關(guān)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(hù)電路。我們知道，功率管的結(jié)溫與散熱片的溫度存在一定的關(guān)系，所以，可以在功率管散熱片上或者出風(fēng)口處安裝熱敏電阻，然后通

30、過邏輯判斷電路給出信號(hào)供cpld處理，檢測原理如圖3.10所示。圖3.10 過熱保護(hù)原理u11為lm393an比較器，jp5處接上具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻rt（不使用該保護(hù)時(shí)可以用跳線短接），thref為參考電壓，可以通過調(diào)節(jié)電位器rp1來調(diào)節(jié)動(dòng)作門檻值。應(yīng)用時(shí)將熱敏電阻rt貼在功率管的散熱片上，電路正常工作時(shí)，2點(diǎn)電位比3點(diǎn)電位高，1點(diǎn)輸出信號(hào)thp為低電平，經(jīng)過一非門變?yōu)楦唠娖?，再?jīng)cpld與pwm信號(hào)相與，驅(qū)動(dòng)電路繼續(xù)正常工作；當(dāng)器件超過溫度極限時(shí)，熱敏電阻阻值降低，2點(diǎn)電位低于3點(diǎn)電位，1點(diǎn)輸出高電平， 經(jīng)非門變?yōu)榈碗娖?，cpld封鎖pwm脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)輸出低電平，從而關(guān)斷功率管，使裝

31、置退出運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)。熱敏電阻是對(duì)溫度敏感的半導(dǎo)體元件，主要特征是隨著外界環(huán)境溫度的變化，其阻值會(huì)相應(yīng)發(fā)生較大改變。電阻值對(duì)溫度的依賴關(guān)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(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。由于特性上的區(qū)別，應(yīng)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(shí)，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(dǎo)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(nèi)，其電阻率可增大410個(gè)數(shù)量級(jí)，即產(chǎn)生所謂ptc效應(yīng)。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(hù)用ptc熱敏電阻；過熱保護(hù)用ptc熱敏電阻；溫度傳感用ptc熱敏電阻；延時(shí)啟動(dòng)用ptc熱敏電阻；負(fù)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(dǎo)體性質(zhì)，因?yàn)樵趯?dǎo)電方式上完全類似鍺、硅等半導(dǎo)體材料。 ntc熱敏電阻器溫度系數(shù)-

33、2%-6.5%， 可廣泛應(yīng)用于溫度測量、溫度補(bǔ)償、抑制浪涌電流等場合。此處過熱保護(hù)選的熱敏電阻信號(hào)為mf58502f327，熱敏電阻的計(jì)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(biāo)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(duì)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(hào)玻璃封裝 502 常溫25度的標(biāo)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(shí)的rt=287。調(diào)節(jié)rp1就可滿足設(shè)計(jì)要求了。4 檢測電路設(shè)計(jì)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(guān)的場合中使用?；魻杺鞲衅饕曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)，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(chǎn)、交通運(yùn)輸和日常生活中有著非常廣泛的應(yīng)用?；魻栃?yīng)：如圖4.1所示，在半導(dǎo)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(yīng)強(qiáng)度為b的勻強(qiáng)磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將

35、產(chǎn)生電勢差為uh的霍爾電壓，它們之間的關(guān)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(guān)。霍爾元件：根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對(duì)磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因此，在測量、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用?；魻杺鞲衅鳎河捎诨魻栐a(chǎn)生的電勢差很小，故通常將霍爾元件與放大器電路、溫度補(bǔ)償電路及穩(wěn)壓電源電路等集成在一個(gè)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(hào)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(guān)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(guān)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(jí)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(qiáng)度呈線性關(guān)系，如圖4.3所示，可見，在b1b2的磁感應(yīng)強(qiáng)度范圍內(nèi)有較好的線性度，磁感應(yīng)強(qiáng)度超出此范圍時(shí)則呈現(xiàn)飽和狀態(tài)。（二） 開關(guān)型霍爾傳感器的特性如圖4.4所示，其中bop為工作點(diǎn)“開”的磁感應(yīng)強(qiáng)度，brp為釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。圖4.4當(dāng)外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)作點(diǎn)bop時(shí)，傳感器輸出低電平，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度降到動(dòng)作

37、點(diǎn)bop以下時(shí)，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點(diǎn)brp時(shí)，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(guān)動(dòng)作更為可靠。另外還有一種“鎖鍵型”（或稱“鎖存型”）開關(guān)型霍爾傳感器，其特性如圖4.5所示。圖4.5當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)作點(diǎn)bop時(shí)，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(yīng)強(qiáng)度達(dá)到brp時(shí)，才能使電平產(chǎn)生變化?；魻杺鞲衅鞯膽?yīng)用按被檢測對(duì)象的性質(zhì)可將它們的應(yīng)用分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。前者是直接檢測受檢對(duì)象本身的磁場或磁特性，后者是檢測受檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場，這個(gè)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(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉(zhuǎn)變成電學(xué)量來進(jìn)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(nèi)部存在磁場，其大小與導(dǎo)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(dǎo)線中電流的大小。利用這一原理可以設(shè)計(jì)制成霍爾電流傳感器。其優(yōu)點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)圓環(huán)鐵芯有一個(gè)缺口，將霍爾傳感器插入缺口中，圓環(huán)上繞有線圈，當(dāng)電流通過線圈時(shí)產(chǎn)生磁場，則霍爾傳感器有信號(hào)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(duì)放置，將線性型霍爾傳感器置于中間，其磁感應(yīng)強(qiáng)度為零，這個(gè)點(diǎn)可作為位移的零點(diǎn)，當(dāng)霍爾傳感器在z軸上作z位移時(shí)，傳感器有一個(gè)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(guān)型霍爾傳感器主要用于測轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、流速、接近開關(guān)、關(guān)門告知器、報(bào)警器、自動(dòng)控制電路等。4.3 電流檢測電路本設(shè)計(jì)采用霍爾元件對(duì)電機(jī)電流進(jìn)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(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。即將霍爾傳感器檢測到的電流進(jìn)行放大偏置輸出到單片機(jī)

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(diǎn)，為此本設(shè)計(jì)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(qiáng)、頻帶寬、精度高、線性度好、動(dòng)態(tài)性能好、抗外磁場干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)中采用的霍爾電流傳感器型號(hào)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(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路，變成-1.65v到+1.65v的電壓信號(hào)，然后經(jīng)過偏置電路得到0到3.3v的電壓信號(hào)送到到單片機(jī)的a/d轉(zhuǎn)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(diǎn)，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(zhuǎn)換電路環(huán)節(jié)，運(yùn)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(duì)反向輸入節(jié)點(diǎn)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(gè)-1.65v的電壓，則可轉(zhuǎn)換為輸出為0-3.3v的電壓。4.4 電壓檢測電路在本設(shè)計(jì)中，直流母線電壓是一個(gè)重要的輸入

42、量，直流電壓的大小與mos管的安全以及電機(jī)的安全直接相關(guān)。為了保證系統(tǒng)的安全可靠，以及電機(jī)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(shè)計(jì)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(yīng)用霍爾效應(yīng)的閉環(huán)（補(bǔ)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(shí)反映原邊電流的波形和線性比例。廣泛應(yīng)用于交流變頻調(diào)速、伺服電機(jī)牽引、直流電機(jī)牽引的靜態(tài)轉(zhuǎn)換、電池電源、不間斷電源、開關(guān)電源、電焊機(jī)電源。采用轉(zhuǎn)換比kn=10ma/50ma，霍爾傳感器輸出的是電流信號(hào)，需要

43、根據(jù)所需要的電壓范圍選擇合適的電阻進(jìn)行采樣，同時(shí)還需要進(jìn)行阻抗匹配處理。如圖4.10所示。圖4.10 電壓檢測電路運(yùn)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(jīng)過運(yùn)算放大，最終得到一個(gè)與直流電壓成正比例的電壓輸出信號(hào)。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(dòng)，使用時(shí)，應(yīng)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(hù)電路設(shè)計(jì)5.1 cpld介紹cpld(complex programmable logic device)復(fù)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(duì)而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)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(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開發(fā)軟件平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過下載電纜（“在系統(tǒng)”編程）將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)較復(fù)雜，并具有復(fù)雜的i/o單元互連結(jié)構(gòu)，可由用戶根據(jù)需要生成特定的電路結(jié)構(gòu)，完成一定的功能。由于cpld內(nèi)部采用固定長度的金屬線進(jìn)行各邏輯塊的互連，所以設(shè)計(jì)的邏輯電路具有時(shí)間可預(yù)測性，避免

45、了分段式互連結(jié)構(gòu)時(shí)序不完全預(yù)測的缺點(diǎn)。 發(fā)展歷史及應(yīng)用領(lǐng)域： 20世紀(jì)70年代，最早的可編程邏輯器件-pld誕生了。其輸出結(jié)構(gòu)是可編程的邏輯宏單元，因?yàn)樗挠布Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可由軟件完成（相當(dāng)于房子蓋好后人工設(shè)計(jì)局部室內(nèi)結(jié)構(gòu)），因而它的設(shè)計(jì)比純硬件的數(shù)字電路具有很強(qiáng)的靈活性，但其過于簡單的結(jié)構(gòu)也使它們只能實(shí)現(xiàn)規(guī)模較小的電路。為彌補(bǔ)pld只能設(shè)計(jì)小規(guī)模電路這一缺陷，20世紀(jì)80年代中期，推出了復(fù)雜可編程邏輯器件-cpld。目前應(yīng)用已深入網(wǎng)絡(luò)、儀器儀表、汽車電子、數(shù)控機(jī)床、航天測控設(shè)備等方面。5.2 cpld作用及優(yōu)點(diǎn)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(fù)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(duì)邏輯密度）。 這些先進(jìn)的器件還提供諸如內(nèi)建的硬連線處理器（如ibm power pc）、大容量存儲(chǔ)器、時(shí)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(hào)技術(shù)。 fpga被應(yīng)用于范圍廣泛的應(yīng)用中，從數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)，以及到儀器儀表、電信和數(shù)字信號(hào)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(yù)測性，因此對(duì)于關(guān)鍵的控制應(yīng)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(jià)格低廉，從而使其對(duì)于成本敏感的、電池供電的便攜式應(yīng)用（如移動(dòng)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(shù)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(cad) 技術(shù)發(fā)展的結(jié)果，cpld 器件集成度高，體積小，具有通過用戶編程實(shí)現(xiàn)專門應(yīng)用的功能，它允許電路設(shè)計(jì)者利用基于計(jì)算機(jī)的開發(fā)平臺(tái),經(jīng)過設(shè)計(jì)輸入、仿真、測試和校驗(yàn),直到達(dá)到預(yù)期的結(jié)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(jí)產(chǎn)品集成為芯片級(jí)產(chǎn)品,從而降低了功耗,提高了可靠性

48、，同時(shí)還可以很方便地對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行在線修改，因此，cpld 器件特別適合于產(chǎn)品的樣機(jī)開發(fā)和小批量生產(chǎn)。5.3 cpld保護(hù)算法5.3.1 max7000s器件介紹本次設(shè)計(jì)的邏輯控制采用max7000s系列的cpld，完成pwm信號(hào)處理、故障閉鎖、輸出死區(qū)控制等功能，可以通過撥碼開關(guān)方便地調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間定值（16s）；功率驅(qū)動(dòng)部分接收經(jīng)過cpld處理的兩路pwm信號(hào)，經(jīng)過功率放大和電平的匹配，分別去驅(qū)動(dòng)各自對(duì)應(yīng)的功率管。如圖5.1所示圖5.1 信號(hào)輸入與輸出thp為過熱保護(hù)信號(hào)，bit2(引腳6)、bit1（引腳5）、bit0（引腳4） 為撥碼開關(guān)連接口，pwm1（引腳41）、pwm2（引腳40）為信

49、號(hào)輸入端口，out1(引腳18)、out2(引腳17)為信號(hào)輸出端口，引腳26是過流信號(hào)輸入端口，引腳37是欠壓信號(hào)端口。引腳43是外部時(shí)鐘信號(hào)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(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上改進(jìn)制造的。max7000s系列可提供600到5000個(gè)可用邏輯門，引腳到引腳的延時(shí)為5ns，計(jì)數(shù)器的工作頻率可達(dá)175.4mhz，可以實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜邏輯。以靈活的描述語言代替復(fù)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(shí)現(xiàn)邏輯函數(shù)，用戶程序掉電后不會(huì)丟失。用戶可以通過編程實(shí)現(xiàn)多種多樣的組合邏輯和時(shí)序邏輯函數(shù)。在設(shè)計(jì)開發(fā)和調(diào)整階段，max7000s器件可以利用pc機(jī)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(gè)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(duì)i/o數(shù)量的要求進(jìn)行選用。本次設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)

51、需要選擇使用了44腳的plcc片式載體封裝，芯片型號(hào)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(shí)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(shè)計(jì)輸入、處理、校驗(yàn)全集成化的可編程邏輯設(shè)計(jì)環(huán)境。它支持不同結(jié)構(gòu)的器件，能夠在多種平臺(tái)上運(yùn)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(shí)分析以及對(duì)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(shè)計(jì)方面功能強(qiáng)而靈活的語言，支持板極應(yīng)用，可以建立完整的層次設(shè)計(jì)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(fù)雜的組合邏輯、狀態(tài)機(jī)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(duì)驅(qū)動(dòng)邏輯、保護(hù)邏輯、故障鎖定與復(fù)位邏輯以及死區(qū)控制等進(jìn)行了統(tǒng)一編程實(shí)現(xiàn)。epm7064s的管腳分配定義如圖5.3所示。對(duì)該圖中各個(gè)管腳的說明如下：vin1、vin2：從控制板來的兩路pwm控制信號(hào)；bit0bit3：從撥碼開關(guān)來的

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

54、tdo：內(nèi)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(hào)驅(qū)動(dòng)信號(hào)主回路電流電壓采樣溫度檢測電路功率管柵極驅(qū)動(dòng)電路過熱信號(hào)經(jīng)過邏輯運(yùn)算后的pwm信號(hào)pwm信號(hào)以及控制信號(hào)mega64單片機(jī)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(hào)oeny是否有pwm信號(hào)pwm1orpwm2控制電路nny停止過流檢測電路信號(hào)yn溫度檢測信號(hào)停止ny停止欠壓信號(hào)y死區(qū)時(shí)間處理輸出out1,out2圖5.5 程序流程圖開始后，當(dāng)cpld接受到全局開始信號(hào)后，再和pwm信號(hào)作與運(yùn)算，

55、再和過流檢測電路的高電平作與運(yùn)算，再和溫度檢測電路欠壓信號(hào)的高電平依次作與運(yùn)算，再進(jìn)行死區(qū)時(shí)間處理，然后輸出相應(yīng)的out1或者out2。5.4過流保護(hù)設(shè)計(jì)過流保護(hù)分為分散式過流保護(hù)和集中式過流保護(hù)。分散式過流保護(hù)是通過檢測驅(qū)動(dòng)電路中各個(gè)功率管的單管的電流，發(fā)現(xiàn)過流故障后關(guān)斷相應(yīng)功率管的保護(hù)方法。在分散式過流保護(hù)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(shè)定的閾值，過流保護(hù)電路就開始動(dòng)作。這種保護(hù)也稱為退飽和檢測保護(hù)，因?yàn)楣收蠒r(shí)通態(tài)壓降的顯著增加使功率管的運(yùn)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(guān)外，還與驅(qū)動(dòng)電壓、模塊溫度等有關(guān)，而且模塊參數(shù)間還存在分散性，使得分散式過流保護(hù)的閾值不易整定。分散式過流保護(hù)使用于電路復(fù)雜，元器件多以及功率很大的電路，而本設(shè)計(jì)電路不算復(fù)雜，元器件偏少，主回路功率偏大外，驅(qū)動(dòng)部分功率都較小，因此，本次設(shè)計(jì)采用的是集中式過流保護(hù)?？梢酝ㄟ^快速電流霍爾直接檢測直流母線上的電流，當(dāng)超過設(shè)定值時(shí)，發(fā)送故障信號(hào)給cpld，立即封鎖驅(qū)動(dòng)輸出，關(guān)斷功率管。由于采用了硬關(guān)斷方式，大電流時(shí)可能由于關(guān)斷過快而導(dǎo)致過電壓損壞功率管，所以，這種方式常常使用于過負(fù)荷電流的保護(hù)，針對(duì)小于1.21.5倍的過流。而本