電力電子課程設(shè)計(jì)(定稿)

PAGEPAGE2課程設(shè)計(jì)報(bào)告基于IGBT斬波控制的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程名稱電力電子課程設(shè)計(jì)組長(zhǎng)梁劍龍組員朱健明，周永財(cái)，傅龍輝，黃毅專業(yè)07電氣工程及其自動(dòng)化成績(jī)指導(dǎo)教師許俊云2010年6摘要本設(shè)計(jì)報(bào)告主要涉及兩個(gè)方案。第一個(gè)方案是基于ATmega16單片機(jī)作控制器控制L298集成芯片來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。第二個(gè)方案是基于ATmega16單片機(jī)作控制器控制型號(hào)為FGA25N120ANTD的IGBT的輸出斬波信號(hào)來(lái)控制直流電機(jī)調(diào)速。描敘了基本的原理和控制方式，方案的比較和選擇，調(diào)試時(shí)遇到的問題和解決方法，收獲和建議。關(guān)鍵詞IGBT直流電機(jī)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)ATmega16單片機(jī)目錄1任務(wù)與要求…………………42直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及速度控制……………42.1功能分析…………………42.2方案比較與選擇…………42.2.1芯片選擇………………42.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路…………42.3方案的原理………………52.3.1系統(tǒng)框圖………………52.3.2電路原理圖……………52.3.3PWM的原理……………2.3.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路…………62.3.5控制電機(jī)轉(zhuǎn)速…………83電路調(diào)試……………………84收獲體會(huì)……………………105存在問題和進(jìn)一步的改進(jìn)意見……………10參考文獻(xiàn)………………………121任務(wù)與要求電力電子技術(shù)是一門實(shí)踐性很強(qiáng)的技術(shù)，由電力電子器件構(gòu)成的直流電機(jī)斬波調(diào)速電路由于其節(jié)能，先進(jìn)，靈活等特點(diǎn)在工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用，本著加強(qiáng)對(duì)電氣工程專業(yè)學(xué)生綜合性工程訓(xùn)練的原則，結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，特安排了基于IGBT的直流電機(jī)脈寬調(diào)速與轉(zhuǎn)速檢測(cè)這一課程設(shè)計(jì)，以達(dá)到深化對(duì)學(xué)生運(yùn)用先進(jìn)的電力電子技術(shù)解決實(shí)際問題能力的培養(yǎng)。1.選用合適的IGBT設(shè)計(jì)制作一個(gè)斬波調(diào)速器，使占空比可調(diào)，設(shè)頻率設(shè)定為5.7kHz,占空比調(diào)節(jié)范圍為10%~90%。2.斬波調(diào)速器負(fù)載選用額定電壓為220V，額定電流為1.2A的它勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)（即把實(shí)驗(yàn)室的并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)做它勵(lì)接法做實(shí)驗(yàn)）實(shí)現(xiàn)電機(jī)的單向調(diào)速，即電機(jī)的單象限運(yùn)行。2直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及速度控制2.1功能分析本設(shè)計(jì)主要采用ATmega16單片機(jī)，系統(tǒng)主要有PWM波產(chǎn)生電路、測(cè)速電路、調(diào)速電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、串口顯示及串口調(diào)速電路。首先利用單片機(jī)的定時(shí)器1產(chǎn)生兩路PWM信號(hào)，交錯(cuò)控制輸出到直流電機(jī)作為其控制脈沖。采用橋型光電開關(guān)作為測(cè)速器件。另外設(shè)計(jì)主要采用了串口進(jìn)行人機(jī)的數(shù)據(jù)交互。通過串口輸入命令字，單片機(jī)對(duì)命令字進(jìn)行解析，分別完成以下功能：加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、獲取轉(zhuǎn)速、設(shè)定速度。2.2方案比較與選擇2.2.1芯片選擇AVR單片機(jī)具有良好的集成性能，作為控制電路的核心在控制系統(tǒng)中起到了至關(guān)重要的作用，基于控制性能和成本的考慮，在本設(shè)計(jì)中使用了性價(jià)比較高的ATMEL公司的ATmega16單片機(jī)。此單片機(jī)是一種高性能、低功耗的8位AVR微處理器，采用Harvard結(jié)構(gòu)，擁有1MIPS/MHz處理速度，最高可以工作在16MHz的晶振頻率下，兩個(gè)串行通信接口和外部總線系統(tǒng)等豐富的外圍接口為系統(tǒng)的開發(fā)提供了方便。本系統(tǒng)主要使用了ATmega16單片機(jī)的PWM功能。2.2.2方案1：使用多個(gè)功率放大器件例如達(dá)林頓三極管，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過使用不同的放大電路和不同參數(shù)的器件，可以達(dá)到不同的放大的要求，放大后能夠得到較大的功率。但是由于使用的是二相的步進(jìn)電機(jī)，使用三極管干擾較大，固不采用這種方案。方案2：使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)。L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，最高電壓可達(dá)到46V,最大電流可以達(dá)到5A。結(jié)合高速的肖特基二極管可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50V，可以直接通過電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的IO口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。另外該芯片具有高效的電路隔離功能。使用L298N芯片充分發(fā)揮了它的功能，能穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，且價(jià)格不高，故選用L298N驅(qū)動(dòng)電機(jī)。而使用時(shí)，可以用L297來(lái)提供時(shí)序信號(hào)以節(jié)省單片機(jī)IO口的使用；也可以直接用單片機(jī)模擬出時(shí)序信號(hào)，由于控制并不復(fù)雜，故選用后者。另外也使用光耦進(jìn)行電路隔離，提高系統(tǒng)抗干擾能力。方案3：采用型號(hào)為FGA25N120ANTD的IGBT作斬波電壓信號(hào)輸出。IGBT是一種大功率，能耐大電流和高電壓的電力電子器件。而型號(hào)為FGA25N120ANTD的IGBT能承受的最高電壓為1200V，最大電流為40A。而本設(shè)計(jì)目的是通過控制IGBT的斬波輸出占空比從而調(diào)節(jié)負(fù)載為額定電壓為220V，額定電流為1.2A的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為FGA25N120ANTD的IGBT能夠滿足哦要求。通過對(duì)比，采取方案2,3不同的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)比較實(shí)物制作的實(shí)際情況和運(yùn)行測(cè)試時(shí)的實(shí)際效果。2.3方案的原理2.3.1系統(tǒng)框圖AAtmega16單片機(jī)主控芯片電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路串口顯示、控制測(cè)速電路PWM波形電機(jī)圖1系統(tǒng)框圖2.3.2電路原理圖圖L298集成芯片調(diào)節(jié)電機(jī)電路圖圖LM339芯片做IGBT的驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)電機(jī)電路圖2.3.3PPWM的實(shí)質(zhì)是：調(diào)制占空比，占空比就是波形中高電平的長(zhǎng)度與整個(gè)波長(zhǎng)的比值。通過改變一個(gè)周期內(nèi)高低電平的比值實(shí)現(xiàn)脈寬的調(diào)制。PWM產(chǎn)生的波形，通過RC低通濾波，就得到一個(gè)確定的電壓。PWM的占空比決定電壓的大小。2.3.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路方案2L298N芯片結(jié)合高速的肖特基二極管驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在輸入方面做得比較嚴(yán)謹(jǐn)，采用了光耦，把電機(jī)的輸入部分和單片機(jī)的輸出部分完全隔離。光耦采用了6N137，按照PDF對(duì)應(yīng)的接法，輸出相當(dāng)于是一個(gè)OC門，所以在設(shè)計(jì)上要取非。光耦的后級(jí)接L298驅(qū)動(dòng)芯片，完全滿足電機(jī)輸出1.5A電流的要求。電機(jī)的兩端需要接一瓷片電容(104)，進(jìn)行滯后補(bǔ)償，提高功率因素，使得電機(jī)工作效率更高。通過控制L298N芯片從而控制輸出PWM脈寬的占空比。單片機(jī)控制298N芯片的的使能端從而控制298N芯片是否工作。當(dāng)298N芯片工作時(shí)，輸入的占空比使298N芯片輸出的PWM波形改變，控制輸出到電機(jī)兩端電壓的改變，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。輸入信號(hào)功能使能端Ven=H輸入端口1=H；輸入端口2=L正轉(zhuǎn)輸入端口1=L；輸入端口2=H反轉(zhuǎn)輸入端口1=輸入端口2停轉(zhuǎn)使能端Ven=L輸入端口1=X；輸入端口2=X不控制L：低電平；H：高電平；X=任意高低電平表1L298N芯片使能端工作方式方案3：型號(hào)為FGA25N120ANTD的IGBT只是一個(gè)斬波的電力電子器件，需要額外的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)IGBT的開斷和導(dǎo)通。本設(shè)計(jì)采用LM339芯片做IGBT的驅(qū)動(dòng)芯片，通過輸出雙電源供電來(lái)實(shí)現(xiàn)IGBT的正向?qū)ê头聪蜿P(guān)斷。圖LM339芯片做IGBT的驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)電機(jī)電路圖2.3.5控制電機(jī)轉(zhuǎn)速本設(shè)計(jì)采用了ATmega16內(nèi)部的相位修正PWM的功能，通過設(shè)置OCR1A,OCR1B的值，可以控制脈沖的占空比，從而實(shí)現(xiàn)功率控制，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。相位修正PWM的原理是，既定TOP和BOTTOM，當(dāng)TCNT從BOTTOM計(jì)算到OCR時(shí)，OC腳置位；相反的TCNT從OCR計(jì)算到TOP時(shí)，OC腳清零，這樣就實(shí)現(xiàn)了PWM的輸出，通過控制OCR的值，便可以控制占空比。由于經(jīng)過光耦的OC門，這里要取非，就是占空比越小，電機(jī)速度越快。在經(jīng)過通過一系列的數(shù)據(jù)，得到PWM控制字和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系(呈現(xiàn)線性關(guān)系)。當(dāng)我們需要設(shè)定某一個(gè)轉(zhuǎn)速的時(shí)候，只需要帶入對(duì)應(yīng)的線性公式，得到對(duì)應(yīng)的PWM控制字，寫入OCR即可。3電路調(diào)試調(diào)試時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)如下：輸入占空比0.30.50.60.650.7實(shí)際占空比0.4570.6540.7450.7890.810轉(zhuǎn)速（r/min）00210351564輸入占空比0.750.80.850.90.95實(shí)際占空比0.8410.8760.8970.9210.978轉(zhuǎn)速（r/min）8091021109012451278

表2占空比與轉(zhuǎn)速圖制作和調(diào)試時(shí)遇到的問題和解決方法如下：1.通過單片機(jī)來(lái)設(shè)定的占空比與實(shí)際輸出的占空比的誤差比較大。單片機(jī)ATmega16編寫時(shí)程序沒有編的很完善。通過鍵盤輸入的設(shè)定占空比是要經(jīng)過數(shù)學(xué)算式轉(zhuǎn)變成二進(jìn)制的數(shù)值，故存在一定的誤差。檢查程序是否有問題，使用更加精確地?cái)?shù)學(xué)算法計(jì)算，可以經(jīng)過一定的軟件修正來(lái)修正線性誤差。2.從單片機(jī)輸出的控制信號(hào)經(jīng)過20歐姆電阻后接三極管的b極后，輸出由直流變成交流。由模擬電子技術(shù)和電力電子技術(shù)可知，三極管進(jìn)入完全飽和區(qū)，輸出電壓就是輸入電壓，實(shí)現(xiàn)不了器件的開通和關(guān)斷。經(jīng)許俊云老師的指導(dǎo)，把20歐姆的電阻換成1千歐姆的電阻，這樣就可以實(shí)現(xiàn)三極管的正常導(dǎo)通和關(guān)斷。3.嘗試使用單電源供電給IGBT來(lái)實(shí)現(xiàn)IGBT的關(guān)斷和導(dǎo)通，但是嘗試了7、8個(gè)方案和電路設(shè)計(jì)都還是不能讓IGBT實(shí)現(xiàn)反向關(guān)斷。方案1：?jiǎn)稳龢O管8050實(shí)現(xiàn)IGBT的驅(qū)動(dòng);方案2：?jiǎn)稳龢O管8050實(shí)現(xiàn)IGBT的驅(qū)動(dòng)，再在8050的b極和e極間加兩個(gè)穩(wěn)壓二極管；方案3：?jiǎn)稳龢O管8050實(shí)現(xiàn)IGBT的驅(qū)動(dòng)，提高c極的輸入電壓，拉高電平；方案4：對(duì)管三極管8050來(lái)實(shí)現(xiàn)IGBT的驅(qū)動(dòng)；方案5：嘗試使用大功率的三極管或MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)IGBT的驅(qū)動(dòng)；方案6：采用雙三極管來(lái)實(shí)現(xiàn)單電源供電IGBT的關(guān)斷和導(dǎo)通；方案7：采用雙三極管來(lái)實(shí)現(xiàn)單電源供電IGBT的關(guān)斷和導(dǎo)通。這些方案中，只有方案7最后是成功實(shí)現(xiàn)IGBT的關(guān)斷和導(dǎo)通的，其他的方案都是經(jīng)過我組的討論和研究，以及資料的收集得出的，原理和理論應(yīng)該是沒有問題的，但是當(dāng)實(shí)際制作時(shí)就出了很多問題，都是以失敗結(jié)束。而IGBT用雙電源供電比較容易實(shí)現(xiàn)開關(guān)。4.單片機(jī)輸出的PWM波形不穩(wěn)，有尖端出現(xiàn)可以采用斯密特電路來(lái)穩(wěn)定波形，通過反向極性輸出來(lái)穩(wěn)定波形，使波形更加完好。5.采用雙電源供電后還是不能是IGBT導(dǎo)通。檢查電路是否有虛焊或者短路斷路，而IGBT的導(dǎo)通電壓在15V至20V之間，此時(shí)要注意給定的電壓是否足夠，注意不要電壓過高燒壞芯片LM339。6.供給三極管8050，8550電源時(shí)使燒壞甚至冒煙。注意千萬(wàn)不要把直流電的正負(fù)極接反，導(dǎo)致器件的燒壞。7.調(diào)試時(shí)太過于心急或興奮，導(dǎo)致芯片，器件甚至是液晶顯示屏的燒壞。一定要冷靜，不要過于浮躁，以良好的心態(tài)應(yīng)對(duì)。4收獲體會(huì) 這次是電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，我們小組成員都覺得收獲不少。雖然我們小組很快就已經(jīng)做完了第一個(gè)方案的實(shí)物，并且完成了調(diào)試。但是在做第二方案的時(shí)候，我們小組就犯了不小的錯(cuò)誤。對(duì)自己設(shè)計(jì)的電路圖過于執(zhí)著，過于心急和興奮，還有對(duì)模擬電子技術(shù)了解不透徹，理論跟實(shí)際接不上等等，都是我們小組成員犯過的錯(cuò)誤。當(dāng)然，收獲還是不少的。我們小組學(xué)會(huì)了如何使用大功率的IGBT，制作了用弱電控制強(qiáng)電的實(shí)際實(shí)物，并且成功實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求的基本功能。對(duì)IGBT和三極管的使用更加有心得和體會(huì)。對(duì)單片機(jī)的編程更加熟悉，對(duì)數(shù)學(xué)算法的選擇也有進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。進(jìn)一步深化認(rèn)