本帖最后由 mikeliujia 于 2014-12-2 20:55 编辑
硬件设计环境:protel 99SE 软件设计环境:ICCAVR 第一次入门单片机是Atmel的AT89S51,后来逐渐接触到AVR,用ATmega16/128慢慢做过些小玩意,不过这个才是第一个真正意义上的产品! 整个励磁控制台主要是在所建立数学模型的基础上结合ATmega128L具有高速、低功耗、流水线结构的特点,内部集成高速AD采样端口和PWM输出端口,设计的一款数字式轮胎起重机励磁控制系统。这在很大程度上简化了励磁控制系统的硬件结构,提高了励磁控制系统的可靠性和抗干扰能力。 框图如下
框图中各主要部分功能简述如下: (1)ATmega128:是控制单元的核心,主要实现按软件程序产生占空比可调的PWM波,读取采样信号,控制输出信号,实时监测并发出报警信号等功能。 (2)IPM:智能功率模块的缩写,是驱动单元的核心,不仅内部集成过热、过流、过压等故障检测电路,还把驱动电路和功率开关器件集成在一起,主要用来控制驱动串励直流电动机电枢电压的通断。 (3)光耦:本励磁控制系统涉及多级别的工作电压和驱动电压,因此使用光耦实现电气隔离,使信号单向传输,输出信号对输入端无影响。另外使用线性光耦反馈电路,用调节控制端电流的方式来改变占空比,实现精密稳压。 (4)电流检测:将串励直流电动机的电枢电流经过霍尔电流传感器的检测,送入ATmega128的AD采样端口,经AD转换作为故障检测和过流判断的依据。 (5)速度检测:将光栅测速传感器产生的脉冲送入ATmega128端口,通过中断端口计数的脉冲计算串励直流电动机的转速。
给出部分硬件电路 1、24V转5V直流电源电路:控制单元属于弱电部分,这里的电源主要是给ATmega128L及其外围电路供电。考虑到轮胎起重机上有一个通过柴油机发电的直流电源电瓶,电源电压为24V,可以采用DC-DC转换模块,满足不同级别的直流电供电需求。这里ATmega128L理想的供电电压是5V,因此,采用24V转5V的DC-DC电源转换模块。图中DC1是DC-DC电源模块YND5-24S05,YND是系列号,输出功率5W,输入电压是24V,输出模式单路(S),输出电压是5V。1脚连接+24V直流电瓶电源的地,2脚接+24V电瓶电源的正极,3脚输出+5V的直流电压,4脚是+5V的地。24V电压由最左边节点输入。在电源模块的输入端和输出端都加上了∏型滤波电路和LC滤波电路,主要作用是滤除不需要的谐波和纹波,在直流电源电路中减小电流的脉动,使直流电流更平滑。
2、驱动部分的电源主要是针对IPM智能功率模块设计。这里选用富士电机的6MBP15RH060型号IPM,内置6单元IGBT,额定电流15A,耐压值600V。根据其Datasheet,上桥臂控制电源使用三组,下桥臂和制动单元共用一组,这四组控制电源须互相绝缘,与主电源之间距离大于2mm。正常驱动电压是13.5~16.5V,推荐值为15V。因此,选用24V转15V的电源模块,如图所示。
图中U11~U14均是DC-DC电源模块YND5-24S15,YND是系列号,输出功率5W,输入电压是24V,输出模式单路(S),输出电压是15V。U11支路是驱动轮胎起重机的起升机构部分,U12支路是驱动轮胎起重机的变幅机构部分,U13支路作为备用,U14用作制动单元和部分光耦供电。其引脚的连接关系都相同,1脚连接+24V直流电瓶电源的地,2脚接+24V电瓶电源的正极,3脚输出+15V的直流电压,4脚是+15V的地。各电源模块的输入端和输出端也都加上了∏型滤波电路和LC滤波电路,主要作用也是去除不需要的谐波和纹波,在直流电源电路中减小电流的脉动,使直流电流更平滑。
3、ATmega128L最小系统的搭建:复位电路+时钟电路+AD转换滤波电路+ISP下载电路+串口通信电路
4、电流检测电路 将串励直流电动机的电枢电流经霍尔电流传感器检测,输出电压信号送入ATmega128的AD采样端口,经AD转换作为故障检测、过流依据,如图所示 ATmega128L的ADC采样的基准电压是2.56V,因此电流传感器的输出电压应在2.56V以下。LTS25-NP是一款应用霍尔原理的闭环多极电流传感器,具有良好的线性度、出色的精度、反应时间快、低温漂、抗干扰能力强等特点。其电流测量范围±80A,输出最大电压2.5±0.625V,在其电源端采用了∏型滤波和RC-∏型滤波,前者高频滤波,后者既起滤波作用又起阻抗变换的作用,R73既将残余的纹波电压降落在电阻两端,又可以将ADC输入电压稳定在0~2.56V。图中1、4脚接输入电流回路,8、9脚接+5V直流工作电源,供模块工作,7脚为电压输出口。
5、PWM波输入采集电路+半桥控制驱动电路
励磁控制系统的功率驱动电路主要由PWM波的输入采集电路和H桥控制电路组成,通过PWM波和IPM内集成的H桥共同作用驱动串励直流电动机工作。因为信号传输延迟时间在IPM驱动电路中应在0.5us内,所以PWM波的传输只能采用快速光耦。为了提高信号传输速度,采用高速光电耦合器TLP559,该器件速度快、隔离电压高、高电平输出传输延迟时间最大为0.3us,低电平输出传输延迟时间最大为0.5us。如上图即是IPM对PWM波的输入采集电路。 在P3~P6的各端口中,1、2、3端子串联,PWM波和通道开关信号经组合逻辑门电路送入2端子。如果1端子处为高电平,光耦导通,输出高电平,如为低电平,光耦不导通,输出低电平。将PWM波送入IPM,通过改变PWM波的占空比控制IGBT构成的半桥电路的通断来调节励磁电流的值,从而对串励直流电动机进行调速;通过通道开关信号选择半桥SCR1或者SCR2上下桥臂的导通,实现对串励直流电动机的转向控制。如下分别是半桥控制电动机正反转原理图。
半桥电路由2个续流二极管和2个IGBT组成,正负电源供电,其形状像半个“H”字,因此称半桥式电路。2个IGBT做开关管分成两组,Q13为一组,Q15为另一组,上下组的开关管的导通与关断正好相反。当Q13导通时,电动机就正转;当Q15导通时,电动机就反转。上下的开关管不能同时导通,否则电源会短路,为此,IPM内部增加了容错保护电路,当同位的电路接通,电动机就会产生电制动。
6、过流保护电路+制动电路 由于串励直流电动机在起动和过载时易出现过流现象,因此励磁控制系统中必须有过流保护电路。如图所示,即是过流保护电路。电流检测电路将反馈的电枢电流转换成反馈电压信号送入ATmega128L的ADC端口,内部程序分析到反馈电压过大时,启动过流保护程序,ATmega28L会将REL_P1端口置低电平,信号经与非门U20C后变成高电平,光耦U17导通,三极管Q5导通,继电器闭合,IPM主电源切断,则串励直流电动机进入“自锁”状态。同时,发光二极管LED16发光,蜂鸣器LS1鸣响,报警提示。图中,D6是IN4148续流二极管,防止继电器电流消失时产生的感应电动势击穿三极管。
当电流过载需使电动机进入“自锁”状态或需要对电动机制动时,ATmega128L内部程序开制动器,如图即是制动电路。
ATmega128L发出制动信号时,置高RELAY1端口电平,光耦U15导通,三极管Q1导通,继电器闭合,PLC制动器激活,控制同轴电动机电磁阀抱闸,串励直流电动机能耗制动。同时,发光二极管LED3发光,提示制动。图中,D1也是IN4148续流二极管,作用同过流保护电路中的D6。
其他的硬件电路就不详述了,下面给出软件流程图
下面是实物图
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