橋式可逆斬波電路設計與心得

1. 小車驅動電路設計與PCB圖繪制

驅動電路（基本配置）包括PWM信號處理、封鎖信號處理、死區(qū)生成、MOSFET 驅動、H橋主電路、直流電源變換（電池7.2V→5V、12V）等6個功能單元。小車所用電機的驅動電路由4個MOSFET構成的橋式可逆斬波電路【為什么用這種主電路】構成，這里采用IR2110來使管子導通關斷，如下圖所示，當 V1、V4 導通時間大于 V2、V3 的導通時間時，平均輸出電壓為正，電機正轉；當 V1 與 V4 導通時間小于 V2 與 V3 的 導通時間時，平均輸出電壓為負，電機反轉；當 V1 與 V4 導通時間等于 V2 與 V3 的導 通時間，即占空比為 50%時，平均輸出電壓為 0，電機轉速為 0。

這樣一來就需要兩路PWM信號來控制V1,V4與V2,V3的導通（即PWM信號處理單元），又由于為了使H橋的上下橋臂不會發(fā)生同時導通，本著先斷后通的原則需要設置一個死區(qū)發(fā)生電路。IR2110的11腳（SD）當輸入高電平時封鎖輸出，因此可以由此設計小車的停轉（即封鎖信號）。由于信號處理等單元采用5v供電，H橋驅動IR2110則采用12v電源供電，MOSFET則使用7.2v電源供電。而我們只提供了一個7.2v的鋰離子電池，因此需要設計一個電源變換電路。

1.2.1電源變換單元

在實際測試中輸出波形輸出電壓略大于原理圖中設計電壓，考慮應該是鋰離子電池電壓剛沖過電電壓稍高的原因（鋰電池電壓8.6v）【負載輕重。再看看說明書】

1.2.2  PWM信號處理單元

這里為什么要加一個與非門后輸出信號呢？這是由于單片機輸出的PWM信號幅值為3.3v，不足以使得IR2110認為其是高電平， 【可以。再看看說明書】，而經(jīng)過這樣一個與非門后電壓為5v。

考慮到管子要先斷后通以保證上下橋臂的管子不會同時導通，故上述PWM信號不能直接加到IR2110上，故需設置死區(qū)發(fā)生電路。

死區(qū)時間可有以下式子計算得出

查irfb7440數(shù)據(jù)手冊得t=5*（183-92）=450，為了保證電路正常工作不妨將死區(qū)時間再大一點，即取t為500ns。查手冊知CD74HCT08邏輯高電平最小為2V，即Uc =2V, Ui =5V,這樣算出來為978ns。

由CD74HCT08輸入電流最大為4mA，為保證信號正常故R最小為1.25K，由于沒有1.25k電阻，可選 R=2K， C=0.489nF�？紤]到?jīng)]有0.489nf電容，故這里取1nf，即102。這樣選取這樣的電容電阻所得到的死區(qū)時間約為1000ns。

1.2.5 MOSFET驅動單元

自舉電容必須能提供不低于 ＭＯＳＦＥＴ管柵極 電荷導通所需的電荷，并且在高端主開關器件開通 期間保持其電壓。工程估算公式為

其中Ｑｇ－ＭＯＳＦＥＴ管門極電荷（由irfb7440手冊中查到為90nC）；Ｖｃｃ－充電電源電壓(12V)；Ｖls為下半橋 ＭＯＳＦＥＴ 導通柵源閾值電壓，一般為２－ ４Ｖ； Ｖ ｍｉｎ 是Ｖ ｂ 和 Ｖ ｓ 之 間 的 最 小 電 壓 （可 由 ＩＲ２１１０手冊中查到， Ｖ ｂｓｕｖｍｉｎ＝７．４Ｖ）； Ｖ ｆ－自舉 快  恢復二極管的正向管壓降，一般為１.５Ｖ。代入計算的

考慮一定的安全裕量這里取1uf。2.2uf。 【 為什么取如此大的裕量 】

1.3 PCB圖繪制

原理圖中各個元件的取值搞清楚后就可以進行圖的繪制了，注意的是封裝別搞錯了，關于PCB的繪制注意元件要按照原理圖合理擺放，這樣好走線。由于全是采用的雙列直插封裝，故板子畫的稍大一點（2550mil*2800mil）注意120mil線開窗。

2. 電路焊接與調試

2.1電路板元件焊接

    元件焊接過程：

1、焊電路板之前，先拿練習板練習焊接技術，待熟悉后再在電路板上焊接。

2、焊接時要注意元件還有元件的封裝是否選擇正確。

3、根據(jù)電路原理圖嚴格按照原理圖中給出的各個元件類型、型號、數(shù)值，參照元件布局圖，在電路板上對應位置完成元件焊接。

4、在開始焊之前，烙鐵頭尖部適量鍍錫，易于后續(xù)的焊接工作。焊完之后、烙鐵斷電時，在烙鐵頭尖部適量鍍錫，預防烙鐵頭氧化。

5、元件焊接順序：按照元件高/矮、大/小，先焊矮的、小的元件，再焊高的、大的元件。

6、用錫量：在保證可靠焊接的前提下，少用錫。

7、有極性元件的極性不要反接。

8、注意不要虛焊。

2.2 直流電源變換單元調試

直流電源理想情況下應為7.2V，用萬用表的直流電壓檔測量電路板電池接線端子處的電壓為8.6V，有一定誤差，后續(xù)調試中影響不大。用示波器依次測量LMS2940S-5.0的1（7.2V）腳和3（5V）腳的波形，均為平直波，且電壓值分別為8.6V和5.11V。再用示波器測量B0512S-1WR2的2腳和4腳的波形，均為平直波，且電壓值分別為5.11V和13.0V。直流電源變換單元完成測試。

1腳                                      3腳

2腳                                      4腳

2.3 PWM信號處理

連接來自單片機的MCU-PWM信號線、封鎖信號MCU-SD線至驅動電路板。設定其持續(xù)輸出固定占空比為60%。用示波器測得CT74HCT00芯片的輸入與第一個與非門的輸出之間的關系，如下圖：

從圖中可以看出，第一個與非門輸出的信號波與輸入的信號波相比，相位相差180度，且電壓有所增大。輸入端與第二個與非門之間的關系，如下圖：

從圖中可以看出，第二個與非門輸出的信號波與輸入信號相比，其相位相同，電壓有所增高。

2.4封鎖信號處理單元

輸入端來自單片機的封鎖信號 MCU_SD、與非門輸出端信號，確認信號的電平狀態(tài)符合期望。

其正常工作狀態(tài)時，測量CD74HCT00芯片的引腳8的電壓為高電平。

2.5死區(qū)生成單元

用 Ch1 測與門輸入端的 PWM 信號，Ch2 測與門輸出端的信號。測量兩個信號 上升沿之間的時間差（即死區(qū)時間）。死區(qū)時間在 500~900ns 之間即可

如圖所示，死區(qū)時間在700ns左右，在期望值之間。

另一路PWM信號：

. 死區(qū)時間的計算公式為：

測量兩個上升沿之間的時間差（死區(qū)時間）為700ns，符合要求。

測量另一路PWM信號的死區(qū)時間，其值大小接近一致。

測與非門輸出端的PWM信號和與門連接的RC的輸入端信號，可以看出與門輸出電平翻轉的輸入信號電壓值為5.88V 【筆誤】 。使用此實際電壓值以及電路板上的R（2K）、C（1nF）值，計算出的實際值恰好為700ns，與實際測量值一樣，符合條件。

用 Ch1 測第一個與門的輸出、Ch2 測第二個與門的輸出（即兩路添加死區(qū)的 PWM 控制信號），波形留存，與 2.3波形對比，如下圖：

由圖可知，本來兩個與門的波形是相同的，由于死區(qū)的添加，兩個與門的波形變?yōu)榛パa的了。

2.6 MOSET驅動單元的測量

2.6.1設置單片機程序，使單片機輸出合適的封鎖信號 MCU_SD，讓 IR2110 處于正常工作狀態(tài)，而不是 封鎖。下載程序，運行。

2.6.2 用 Ch1 測 IR2110 芯片引腳 LIN 的輸入信號，Ch2 測 IR2110 芯片引腳 HIN 的輸入信號。信號波形 應分別與兩個添加了死區(qū)的與門波形相同。

用 Ch1 測 IR2110 芯片引腳 LIN 的輸入信號，Ch2 測 IR2110 芯片引腳 LO 的輸出信號。兩個信號的波形形狀、占空比應相同，如下圖：

對另一 IR2110 芯片，重復上面兩個步驟 。

波形分別如下：

用 Ch1、Ch2 測兩個 IR2110 芯片的 LO 引腳信號波形，兩者應是互補的（不考慮死區(qū)）。

2.7.1 按照正確的朝向，焊上 4 個 MOSFET。

2.7.2 驅動電路板通電，用 Ch1 測 IR2110 芯片引腳 LO 信號，Ch2 測 IR2110 芯片引腳 HO 信號，確認波形正確。對另一 IR2110 芯片，重復這一測量

2.7.3 使驅動電路板的鈕子開關處于斷開狀態(tài)。電動機接線至驅動電路板。小車放置在實驗桌上，車下墊 上合適的東西（例如書本），使小車后輪懸空。

2.7.4 修改單片機程序，使其持續(xù)輸出固定占空比 60%的 PWM 信號給驅動電路。下載程序，運行。

2.7.5 撥動鈕子開關，通電。電動機旋轉，小車后輪旋轉。記錄其轉向。修改單片機程序，使其持續(xù)輸出 固定占空比 40%的 PWM 信號給驅動電路。下載程序，運行。電動機、小車后輪應反轉。 【應該自己寫】

2.8.1使用電阻作為驅動電路的負載，設計單片機程序，使其輸出spwm控制信號給驅動電路板；

2.8.2測試電路板上各特征點的波形和負載電阻上的電壓波形并進行分析；

2.8.3修改單片機程序，改變期望輸出正弦電壓的頻率、幅值，重復步驟測量以上內容。

得到的波形如下圖：

：

由上圖可以看出，驅動板上的特征點和負載的電壓波形的脈沖寬度在不斷變化，符合spwm波形面積等效原理。 【多數(shù)波形明顯不對】

3. 單片機程序設計與小車行駛實驗

3.1前進與后退行駛

修改如下：

這里像課上講的那樣采用定時器2產生1個精確延時來控制小車正轉6s反轉6s然后停車�？紤]到正轉后由于慣性小車繼續(xù)轉動，考慮到小車電機軸的剛性連接故等待了1s后 【程序中，沒有等這1s。 缺 i>1200&&i<1300】 再運行反轉程序。

3.2PWM頻率的調節(jié)

在c8051單片機數(shù)據(jù)手冊中有這樣一句話“PCA是一個片內可編程計數(shù)器/定時器陣列。 PCA包括一個專用的16位計數(shù)器/定時器時間基準和6個可編程的捕捉/比較模塊。時間基準的時鐘可以是下面的六個時鐘源之一：系統(tǒng)時鐘/12、系統(tǒng)時鐘/4、定時器0溢出、外部時鐘輸入（ECI）、系統(tǒng)時鐘和外部振蕩源/8。每個捕捉/比較模塊都有六種工作方式：邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時器、高速輸出、頻率輸出、8位脈沖寬度調制器和16位脈沖寬度調制器。 PCA捕捉/比較模塊的I/O和外部時鐘輸入可以通過數(shù)字交叉開關，連到MCU的端口I/O引腳”。通過改變PCA時鐘分頻即可改變輸出的PWM 頻率。這部分在低頻可以觀察到小車電機有響聲（機械振動）這個在電力電子實驗中也有所遇到。 【 程序不對。說的也不清楚。 】

3.3SPWM逆變

【T H0=。。。起始的三句，是在做什么？ 再 下一句， 為什么*1000？ 】

定義變量fudu來調節(jié)正弦波幅度，定義變量dianji調節(jié)輸出占空比，關于其計算公式與小車程序中的duty完全相同，都是基于手冊中捕獲比較寄存器PCA來計算的�！� 程序有問題。 未說明 實現(xiàn)“ 修改單片機程序，改變期望輸出正弦電壓的頻率 ”】

4.   結論

電力電子技術設計可謂是 達到了高度使學生自主設計化，從最開始的設計電路的原理圖，到設計布局合理的PCB板，然后焊接，再到最后的寫程序，下載到小車上再一步一步調試程序。這個過程的目的不僅僅使小車會跑或者說測得正確的波形，對于我 們 來說更重要的是查漏補缺，溫故知新，讓我明白 哪部分知識我是還沒有真正掌握的 ， 這就是收獲。 在這次智能小車的設計中，我們學到了很多東西，從理論到實踐，也遇到了很多問題。在發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的過程中，不僅鞏固了我們所學的理論知識，也鍛煉了自己解決實際問題的能力。

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2020-1-9 00:38 上傳

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