基本单元电路设计(三)

基本单元电路设计

（三）功率驱动电路直流电动机驱动接口电路直流电动机电枢的调速原理根据电机学可知，直流电动机转速n的表达式为：其中U为电枢端电压I为电枢电流R为电枢电路总电阻Φ为每极磁通量K为电动机结构参数功率驱动电路直流电动机驱动接口电路直流电动机转速控制方法对励磁磁通进行控制的励磁控制法控制受到限制，动态响应差对电枢电压进行控制的电枢控制法控制方便，此为常用控制法通常情况下，采用PWM(脉宽调制)来实现直流电动机的调速利用电枢电压控制的方法中，半导体功率器件在使用上可以分为两种方式：线性放大驱动方式开关驱动方式功率驱动电路直流电动机驱动接口电路线性放大驱动方式控制原理简单、输入波动小、线性好、对邻近电路干扰小；由于工作在线性区，效率低、发热严重不常采用开关驱动方式使半导体功率器件工作于开关状态，通过脉宽调制(PWM)来控制电动机电压，从而实现电动机转速的控制。功率驱动电路直流电动机PWM调速原理功率驱动电路直流电动机PWM调速原理电枢绕组两端电压为：D为占空比，表示在一个周期T里开关管导通的时间与周期的比值，电枢两端电压取决于D的大小，从而达到调速的目的改变占空比的方法定宽调频法调宽调频法定频调宽法功率驱动电路直流电动机电枢调速典型电路H桥PWM电路（分立元件）功率驱动电路直流电动机电枢调速波形功率驱动电路直流电动机调速注意事项PWM频率不能太低，一般在1KHz以上起动扭矩与占空比之间的关系负载、转速与占空比的关系过流保护功率驱动电路直流电动机电枢调速典型电路L298，双H桥（集成电路）功率驱动电路步进电机及驱动电路步进电机是数字信号控制的电动设备，每输入一个脉冲信号，步进电机的转子就旋转一步按相数分类单相两相三相功率驱动电路步进电机及驱动电路步进电机的工作方式单三拍工作方式A-B-C-A双三拍工作方式AB-BC-CA-AB功率驱动电路步进电机及驱动电路步进电机的工作方式六拍工作方式A-AB-B-BC-C-CA-A功率驱动电路步进电机及驱动电路驱动电路单电压驱动集成步进电机驱动器根据不同性质的步进电机，设计专用的驱动器。功率驱动电路与步进电机相关的几个问题步数指步进电机运转一周所需要的脉冲数：200、400集成步进电机驱动器可对步数设置失步通俗的讲，就是步进电机行进的步数比给予的脉冲数少的现象原因：驱动脉冲频率与步进电机运转频率不匹配驱动脉冲频率步进电机驱动脉冲频率，慢——快——慢，呈梯形曲线功率驱动电路继电器电路典型的电磁继电器驱动电路功率驱动电路可控硅电路单向可控硅A阳极K阴极G门极导通让门极相对阴极成正极性，使产生门极电流，当门极电压达到阀值电压VGT，并导致门极电流达到阀值IGT，经过很短时间tgt（称作门极控制导通时间）负载电流从正极流向阴极。当负载电流达到闸流管的闩锁电流值IL时，即使断开门极电流，负载电流将维持不变。只要有足够的电流继续流动，闸流管将继续在没有门极电流的条件下导通。这种状态称作闩锁状态。功率驱动电路可控硅电路单向可控硅截止要断开闸流管的电流，需把负载电流降到维持电流IH之下，并历经必要时间，让所有的载流子撤出结。在直流电路中可用“强迫换向”，而在交流电路中则在导通半周终点实现。（负载电路使负载电流降到零，导致闸流管断开，称作强迫换向。）然后，闸流管将回复至完全截止的状态功率驱动电路可控硅电路双向可控硅G门极MT2主端子MT1主端子导通可用门极和MT1的正向或负向电流触发，在负载电流过零时，门极用直流或单极脉冲触发，优先采用负的门极电流截止交流电路中在导通半周终点实现强迫换向。然后，闸流管将回复至完全截止的状态功率驱动电路可控硅应用电路——弱电控制强电单向可控硅控制门极的电平就可以控制可控硅的通断双向可控硅利用光耦实现隔离驱动随机触发型可控硅驱动光耦过零触发型可控硅驱动光耦功率驱动电路固态继电器电路固态继电器是一种无触点通断型电子开关，四端口有源器件采用高耐压的专用耦合器实现输入与输出之间的电气隔离并可以实现类似电磁继电器的开关功能显示电路LED显示静态显示显示电路LED显示静态显示方法直接用可编程芯片I/O口驱动利用并行扩展芯片或串行扩展芯片驱动常用的并行扩展芯片MSM8255SN74HC245、SN74HC573常用的串行扩展芯片SN74HC164SN74HC595显示电路LED显示动态显示（非译码方式）显示电路LED显示动态显示（非译码方式）显示电路LED显示动态显示（非译码方式）显示电路LED显示动态显示（译码方式）利用74HC48、74HC49、CD4511等LED译码驱动电路来控制显示，节约I/O口资源。利用集成LED显示控制芯片显示MAX7219MSM82C79ZLG7290显示电路LCD显示采用成品液晶显示电路字符型控制器：HD4478016×2、20×2、20×4、40×4图形型T6963C、HD61202、SED1335128×64、240×64、240×128、320×240触摸屏型A/D转换电路分类积分型将输入电压转换成时间（脉冲宽度信号）或频率（脉冲频率），然后由定时器/计数器获得数字值；优点：分辨率高，达16位以上缺点：转换精度依赖于积分时间，转换速率低典型芯片：TLC7135A/D转换电路分类逐次逼近型由一个比较器和D/A转换器通过逐次比较逻辑构成，从高位开始，顺序的对每一位将输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经过N次比较而输出数字值优点：速度高、功耗低、价格便宜（<12位）缺点：高精度（>12位）价格很高典型芯片：TLC0831A/D转换电路分类并行比较型采用多个比较器，仅做一次比较而实行转换，由于转换速率极高，适用于视频A/D转换等速度要求特别高的领域优点：速度极高缺点：N位的转换需要2N－1个比较器，电路规模极大，价格高典型芯片：TLC5510（20M）A/D转换电路分类Σ－Δ调制型由积分器、比较器、1位D/A转换器和数字滤波器等组成，将输入电压信号转换成时间信号，用数字滤波器处理后得到数字值优点：高分辨率，适合做测量缺点：速度较慢典型芯片：AD7705（24位）A/D转换电路主要技术指标分辨率数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义位满刻度与2N的比值，又称精度转换速率完成一次从模拟转换到数字的A/D转换所需的时间的倒数积分型转换时间是毫秒级逐次比较型转换时间是微秒级并行可达纳秒级采样时间（采样速率）指两次转换的时间间隔，为了保证转换的正确完成，采样速率必须小于或等于转换速率，常用单位ks/s，Ms/sA/D转换电路主要技术指标量化误差由A/D的有限分辨率而引起的误差偏移误差输入信号为零时输出信号不为零的值满刻度误差满度输出时对应的输入信号与理想信号值之差线性度实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，但不包括以上三种误差A/D转换电路不同类型A/D转换器的比较A/D转换电路A/D转换器的选用依据A/D转换器用于什么系统、输出的数据位数、系统的精度、线性输入的模拟信号类型，包括模拟输入信号的范围、极性（单、双）、信号的驱动能力、信号的变化快慢后续电路对A/D转换器输出数字逻辑电平的要求、输出方式（串并）、是否需要数据锁存、与哪种CPU或数字电路（三态门逻辑、TTL还是CMOS）接口、驱动电路系统工作在动态条件还是静态条件、带宽要求、要求A/D转换器的转换时间、采样速率、是高速应用还是低速应用等基准电压源的来源。基准电压源的幅度、极性及稳定性、电压是固定的还是可调的，外部提供还是A/D转换芯片内部提供成本及芯片来源等因素A/D转换电路A/D转换器配套应用芯片放大器电路大多数A/D的模拟输入电压在1~10V，而外输入电压较小，需使用模拟放大器，一般采用集成运算放大器，也可使用仪表放大器和隔离放大器多路模拟开关三选一、四选一、八选一注意模拟开关的电阻，有必要时要在A/D输入端加入高输入阻抗的电压跟随器CD4051、CD4053、AD7501、AD7506，MAX4501采样/保持器保持前一次采样结束时刻的瞬间输入模拟信号，直到下一次采样状态结束有利于保证A/D转换芯片转换的准确性A/D转换电路A/D转换器使用注意事项电源和接地A/D是模拟信号和数字信号混合电路。数字信号的脉冲信号工作，信号幅度