电力电子课程设计(定稿)

PAGEPAGE2课程设计报告基于IGBT斩波控制的直流电机调速系统设计课程名称电力电子课程设计组长梁剑龙组员朱健明，周永财，傅龙辉，黄毅专业07电气工程及其自动化成绩指导教师许俊云2010年6摘要本设计报告主要涉及两个方案。第一个方案是基于ATmega16单片机作控制器控制L298集成芯片来调节电机的转速。第二个方案是基于ATmega16单片机作控制器控制型号为FGA25N120ANTD的IGBT的输出斩波信号来控制直流电机调速。描叙了基本的原理和控制方式，方案的比较和选择，调试时遇到的问题和解决方法，收获和建议。关键词IGBT直流电机直流电机调速系统设计ATmega16单片机目录1任务与要求…………………42直流电机的正反转及速度控制……………42.1功能分析…………………42.2方案比较与选择…………42.2.1芯片选择………………42.2.2电机驱动电路…………42.3方案的原理………………52.3.1系统框图………………52.3.2电路原理图……………52.3.3PWM的原理……………2.3.4电机驱动电路…………62.3.5控制电机转速…………83电路调试……………………84收获体会……………………105存在问题和进一步的改进意见……………10参考文献………………………121任务与要求电力电子技术是一门实践性很强的技术，由电力电子器件构成的直流电机斩波调速电路由于其节能，先进，灵活等特点在工业控制中得到了广泛应用，本着加强对电气工程专业学生综合性工程训练的原则，结合专业特点，特安排了基于IGBT的直流电机脉宽调速与转速检测这一课程设计，以达到深化对学生运用先进的电力电子技术解决实际问题能力的培养。1.选用合适的IGBT设计制作一个斩波调速器，使占空比可调，设频率设定为5.7kHz,占空比调节范围为10%~90%。2.斩波调速器负载选用额定电压为220V，额定电流为1.2A的它励直流电动机（即把实验室的并励直流电动机做它励接法做实验）实现电机的单向调速，即电机的单象限运行。2直流电机的正反转及速度控制2.1功能分析本设计主要采用ATmega16单片机，系统主要有PWM波产生电路、测速电路、调速电路、电机驱动电路、串口显示及串口调速电路。首先利用单片机的定时器1产生两路PWM信号，交错控制输出到直流电机作为其控制脉冲。采用桥型光电开关作为测速器件。另外设计主要采用了串口进行人机的数据交互。通过串口输入命令字，单片机对命令字进行解析，分别完成以下功能：加速、减速、正转、反转、获取转速、设定速度。2.2方案比较与选择2.2.1芯片选择AVR单片机具有良好的集成性能，作为控制电路的核心在控制系统中起到了至关重要的作用，基于控制性能和成本的考虑，在本设计中使用了性价比较高的ATMEL公司的ATmega16单片机。此单片机是一种高性能、低功耗的8位AVR微处理器，采用Harvard结构，拥有1MIPS/MHz处理速度，最高可以工作在16MHz的晶振频率下，两个串行通信接口和外部总线系统等丰富的外围接口为系统的开发提供了方便。本系统主要使用了ATmega16单片机的PWM功能。2.2.2方案1：使用多个功率放大器件例如达林顿三极管，驱动电机通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大的要求，放大后能够得到较大的功率。但是由于使用的是二相的步进电机，使用三极管干扰较大，固不采用这种方案。方案2：使用L298N芯片驱动电机。L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片，最高电压可达到46V,最大电流可以达到5A。结合高速的肖特基二极管可以驱动两个二相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。另外该芯片具有高效的电路隔离功能。使用L298N芯片充分发挥了它的功能，能稳定地驱动步进电机，且价格不高，故选用L298N驱动电机。而使用时，可以用L297来提供时序信号以节省单片机IO口的使用；也可以直接用单片机模拟出时序信号，由于控制并不复杂，故选用后者。另外也使用光耦进行电路隔离，提高系统抗干扰能力。方案3：采用型号为FGA25N120ANTD的IGBT作斩波电压信号输出。IGBT是一种大功率，能耐大电流和高电压的电力电子器件。而型号为FGA25N120ANTD的IGBT能承受的最高电压为1200V，最大电流为40A。而本设计目的是通过控制IGBT的斩波输出占空比从而调节负载为额定电压为220V，额定电流为1.2A的他励直流电动机，型号为FGA25N120ANTD的IGBT能够满足哦要求。通过对比，采取方案2,3不同的电机驱动电路来比较实物制作的实际情况和运行测试时的实际效果。2.3方案的原理2.3.1系统框图AAtmega16单片机主控芯片电机驱动电路串口显示、控制测速电路PWM波形电机图1系统框图2.3.2电路原理图图L298集成芯片调节电机电路图图LM339芯片做IGBT的驱动电路调节电机电路图2.3.3PPWM的实质是：调制占空比，占空比就是波形中高电平的长度与整个波长的比值。通过改变一个周期内高低电平的比值实现脉宽的调制。PWM产生的波形，通过RC低通滤波，就得到一个确定的电压。PWM的占空比决定电压的大小。2.3.4电机驱动电路方案2L298N芯片结合高速的肖特基二极管驱动电机。在输入方面做得比较严谨，采用了光耦，把电机的输入部分和单片机的输出部分完全隔离。光耦采用了6N137，按照PDF对应的接法，输出相当于是一个OC门，所以在设计上要取非。光耦的后级接L298驱动芯片，完全满足电机输出1.5A电流的要求。电机的两端需要接一瓷片电容(104)，进行滞后补偿，提高功率因素，使得电机工作效率更高。通过控制L298N芯片从而控制输出PWM脉宽的占空比。单片机控制298N芯片的的使能端从而控制298N芯片是否工作。当298N芯片工作时，输入的占空比使298N芯片输出的PWM波形改变，控制输出到电机两端电压的改变，从而控制电机转速的调节。输入信号功能使能端Ven=H输入端口1=H；输入端口2=L正转输入端口1=L；输入端口2=H反转输入端口1=输入端口2停转使能端Ven=L输入端口1=X；输入端口2=X不控制L：低电平；H：高电平；X=任意高低电平表1L298N芯片使能端工作方式方案3：型号为FGA25N120ANTD的IGBT只是一个斩波的电力电子器件，需要额外的驱动电路来驱动IGBT的开断和导通。本设计采用LM339芯片做IGBT的驱动芯片，通过输出双电源供电来实现IGBT的正向导通和反向关断。图LM339芯片做IGBT的驱动电路调节电机电路图2.3.5控制电机转速本设计采用了ATmega16内部的相位修正PWM的功能，通过设置OCR1A,OCR1B的值，可以控制脉冲的占空比，从而实现功率控制，进而控制电机的转速。相位修正PWM的原理是，既定TOP和BOTTOM，当TCNT从BOTTOM计算到OCR时，OC脚置位；相反的TCNT从OCR计算到TOP时，OC脚清零，这样就实现了PWM的输出，通过控制OCR的值，便可以控制占空比。由于经过光耦的OC门，这里要取非，就是占空比越小，电机速度越快。在经过通过一系列的数据，得到PWM控制字和转速之间的关系(呈现线性关系)。当我们需要设定某一个转速的时候，只需要带入对应的线性公式，得到对应的PWM控制字，写入OCR即可。3电路调试调试时测量的数据如下：输入占空比0.30.50.60.650.7实际占空比0.4570.6540.7450.7890.810转速（r/min）00210351564输入占空比0.750.80.850.90.95实际占空比0.8410.8760.8970.9210.978转速（r/min）8091021109012451278

表2占空比与转速图制作和调试时遇到的问题和解决方法如下：1.通过单片机来设定的占空比与实际输出的占空比的误差比较大。单片机ATmega16编写时程序没有编的很完善。通过键盘输入的设定占空比是要经过数学算式转变成二进制的数值，故存在一定的误差。检查程序是否有问题，使用更加精确地数学算法计算，可以经过一定的软件修正来修正线性误差。2.从单片机输出的控制信号经过20欧姆电阻后接三极管的b极后，输出由直流变成交流。由模拟电子技术和电力电子技术可知，三极管进入完全饱和区，输出电压就是输入电压，实现不了器件的开通和关断。经许俊云老师的指导，把20欧姆的电阻换成1千欧姆的电阻，这样就可以实现三极管的正常导通和关断。3.尝试使用单电源供电给IGBT来实现IGBT的关断和导通，但是尝试了7、8个方案和电路设计都还是不能让IGBT实现反向关断。方案1：单三极管8050实现IGBT的驱动;方案2：单三极管8050实现IGBT的驱动，再在8050的b极和e极间加两个稳压二极管；方案3：单三极管8050实现IGBT的驱动，提高c极的输入电压，拉高电平；方案4：对管三极管8050来实现IGBT的驱动；方案5：尝试使用大功率的三极管或MOSFET来实现IGBT的驱动；方案6：采用双三极管来实现单电源供电IGBT的关断和导通；方案7：采用双三极管来实现单电源供电IGBT的关断和导通。这些方案中，只有方案7最后是成功实现IGBT的关断和导通的，其他的方案都是经过我组的讨论和研究，以及资料的收集得出的，原理和理论应该是没有问题的，但是当实际制作时就出了很多问题，都是以失败结束。而IGBT用双电源供电比较容易实现开关。4.单片机输出的PWM波形不稳，有尖端出现可以采用斯密特电路来稳定波形，通过反向极性输出来稳定波形，使波形更加完好。5.采用双电源供电后还是不能是IGBT导通。检查电路是否有虚焊或者短路断路，而IGBT的导通电压在15V至20V之间，此时要注意给定的电压是否足够，注意不要电压过高烧坏芯片LM339。6.供给三极管8050，8550电源时使烧坏甚至冒烟。注意千万不要把直流电的正负极接反，导致器件的烧坏。7.调试时太过于心急或兴奋，导致芯片，器件甚至是液晶显示屏的烧坏。一定要冷静，不要过于浮躁，以良好的心态应对。4收获体会 这次是电力电子技术课程设计，我们小组成员都觉得收获不少。虽然我们小组很快就已经做完了第一个方案的实物，并且完成了调试。但是在做第二方案的时候，我们小组就犯了不小的错误。对自己设计的电路图过于执着，过于心急和兴奋，还有对模拟电子技术了解不透彻，理论跟实际接不上等等，都是我们小组成员犯过的错误。当然，收获还是不少的。我们小组学会了如何使用大功率的IGBT，制作了用弱电控制强电的实际实物，并且成功实现了设计要求的基本功能。对IGBT和三极管的使用更加有心得和体会。对单片机的编程更加熟悉，对数学算法的选择也有进一步的认识。进一步深化认