简析直流数字控制系统硬件电路设计

张海涛 闫桂良 东营市供热管理处，山东 东营 257091

简析直流数字控制系统硬件电路设计

张海涛 闫桂良 东营市供热管理处，山东 东营 257091

降压斩波；控制电路；光耦

引言

本系统主电路采用直流降压斩波电路供电方案，斩波电路中MOS管由软件实现控制，取代传统的闭环调速系统。系统用一台单片机及外部扩展设备代替原模拟系统中电压调节器、触发器、锁零单元和电流自适应调节器等，从而使直流调速系统实现全数字化。测速电路利用光电编码器产生占空比变化的PWM波，送入单片机进行转速计算。

1 降压式直流斩波电路

图1 降压斩波电路的原理图及波形

降压式斩波电路的原理如图1a）所示。该电路使用一个全控型器件，V图中为MOS管,也可使用其他器件，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助换电路。带反电势的阻负载中的L通常为平波电感、有利于间小电流脉动。图1a）中，为在V关断时给负载中电感电流提供通道，设置了续流二极管VD。斩波电路的典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载，两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中EM所示。

工作原理

t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。

t=t1时刻控制V关断，负载电流经二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小通常使串接的电感L值较大。

电流连续时，负载电压平均值

ton——V通的时间 toff——V断的时间 a--导通占空比

U最大为E，减小占空比a，Uo随之减小。因此称为降压斩波电路。

斩波电路三种控制方式（根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分）有：T不变，变ton —脉冲宽度调制（PWM）；ton不变，变T —频率调制；ton和T都可调，改变占空比—混合型。本课题采用第一型即由单片机产生的占空比可变的PWM波对降压斩波电路进行控制。

2 系统控制电路

控制电路部分起到信号隔离和电平转换的作用，因为单片机输出的是TTL电平(0V～5V），而驱动部分采用的是MOS管IRFP450，它的触发信号要求是9V～12V，所以要求的输入电平在0V～10V之间，在此选高速光耦TLP521芯片。因为TLP521绝缘电压为2500V(最小值），具有可兼容的TTL电路逻辑低电平和逻辑高电平的传输延迟时间都是0.5us(带宽2MHz），供电电压5V～24V，其耐压和速度都符合电路要求。原理图如图2所示。PWM波信号经74LS04芯片后接进光耦，通过5V电源给发光二极管供电，用10V电源与上拉电阻R2提供幅值为10V的电压，这样由光耦输出的电平就是0V～10V之间的了。

图2 光耦电路原理

3 槽型光耦测速电路

槽形光偶形如凹字形，凹字的左右两个凸出部分，一边装有红外发光二极管，另一边装有接收红外光的光电二极管，或光电三极管，如图3所示。当凹槽中有遮光物体时，光被遮断。红外接收管在有光或无光时发出不同的信号，如图4所示。由光电式旋转编码器产生与被测转速成正比的脉冲，测速装置将输入脉冲转换为以数字形式表示的转速值。

图3 槽型光耦立体图

图4 光电测速装置结构图

4 系统的实现

图5 系统主电路

系统电路原理如图5所示，整个系统分为：软件部分、硬件电路部分、反馈环节及直流电机部分。单片机输出的信号由P2.4口输出，通过光耦电路后来控制主电路的MOS管，MOS管的关断与导通来控制输出的电压值。直流电机转速的大小取决于其输入电压的大小，转速经光电编码盘测量后输入单片机进行计算。实测值与给定值的偏差经PID调节后经T0定时器控制高低电平时间来改变PWM波的占空比，PWM波经P2.4口输出实现转速闭环直流调速。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.07.077