CN209591251U - 一种较大功率数字直流及步进电机调速实验平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种较大功率数字直流及步进电机调速实验平台，键盘输入装置与主控制器连接，液晶显示器、蜂鸣器、LED灯、步进电机、直流电机与主控制器连接，测速装置一端与所述直流电机连接，另一端与主控制器连接，直流电机的驱动模块采用H桥电路，MOS管前置驱动电路采用IR2103作为NMOS控制器，IR2103和NMOS组成H桥半桥电路；步进电机驱动桥为三相三角形接法，采用光耦进行信号隔离。不同类型电机安装在同一个控制平台下，采用菜单模式进行选择，同一个控制器下通过切换运行方式控制不同类型的电机，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、调试不方便、体积大等不足之处。

Description

一种较大功率数字直流及步进电机调速实验平台

技术领域

本实用新型属于机电领域，尤其涉及一种较大功率数字直流及步进电机调速实验平台。

背景技术

目前为适应小型直流电机的使用需求，国内外很多公司都推出了自己的直流电机专用集成芯片，例如直流电机驱动芯片AQMD2410NS，美国国家半导体公司推出的专用电机驱动H桥组件LMD18200，其工作电压高达55V，峰值输出电流高达6A，连续输出电流达3A。集成芯片的出现使电机驱动变得简单，国内外大多数课题的研究都采用集成芯片构成的直流电机驱动器。但集成芯片构成的直流电机驱动器输出功率有限，不适合大功率直流电机驱动，再例如，SGS公司的L298N只可以驱动46V，2A以下的电机；L293D输出电流可达600mA、最大峰值电流为1.2A、最高工作电压为36V；而市场上仅有的大功率集成驱动芯片价格极高，如SA01一片驱动芯片的价格约为3000元。此外，当直流电机长时间工作时，电机专用集成芯片的发热现象严重。

目前高校控制电机、电机学、自动控制原理相关课程实验设备存在以下缺点：

1、实验设备功能单一，内部封装类似黑盒子，只能简单了解系统的输入、输出等相关的外特性，无法满足学生深入学习电机驱动设计的原理，技术难点。也不利于不同控制算法应用该实验平台的性能研究，不适合学生的深入学习和动手实践要求。

2、从外面公司购置的实验平台体积庞大，价格昂贵，集成度高，不利于二次开发，很多的实验实际过程中无法开设，资源浪费严重。

3、不同类型的电机没有集成在同一个实验平台上，不同电机实验平台使用的控制器也不一样，在教学过程中就不利于学生的学习。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种较大功率数字直流及步进电机调速实验平台，旨在解决现有实验设备功能单一、不同电机实验平台使用的控制器、使用专用集成芯片制作的控制器价格昂贵的问题。

本发明是这样实现的，一种较大功率数字直流及步进电机调速实验平台包括键盘输入装置、主控制器、液晶显示器、蜂鸣器、LED灯、步进电机、直流电机、测速装置；

所述键盘输入装置与所述主控制器连接；

主控制器内设置有菜单模式选择模块；

所述液晶显示器、蜂鸣器、LED灯、步进电机、直流电机与所述主控制器连接；

所述测速装置一端与所述直流电机连接，另一端与所述主控制器连接；

直流电机的驱动模块采用H桥电路，MOS管前置驱动电路采用IR2103作为NMOS控制器，IR2103和NMOS组成H桥半桥电路；

步进电机驱动桥为三相三角形接法，采用光耦进行信号隔离。

本发明完全采用分立器件搭建驱动控制电路，功率较大且成本低，能成功地做到从给定信号、调节器参数设定直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机、步进电机，同一台控制器可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制，具有操作简便的特点，尤其是方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、调试不方便、体积大等不足之处，不仅改善了市场上使用专用集成芯片制作的控制器价格昂贵的现状，又由于主控制器的可编程性，硬件电路接口的易拓展性，可以灵活的进行系统的二次开发，非常适合高校理工科自动化、电气工程及自动化等相关专业的教学实验设备。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的较大功率数字直流及步进电机调速实验平台的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的直流电机MOS驱动桥原理图；

图3是本实用新型实施例提供的半桥电路；

图4是本实用新型实施例提供的步进电机桥式驱动原理图；

图5是本实用新型实施例提供的光耦电路原理图；

图6是本实用新型实施例提供的光电测速模块的原理图；

图7是本实用新型实施例提供的菜单结构框图；

图8是本实用新型实施例提供的菜单流程图；

图中：1、键盘输入装置；2、主控制器；3、液晶显示器；4、蜂鸣器；5、LED灯；6、步进电机；7、直流电机；8、测速装置。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

下面结合附图对本实用新型的结构作详细的描述。

请参阅图1至图8：

一种较大功率数字直流及步进电机调速实验平台，包括键盘输入装置1、主控制器2、液晶显示器3、蜂鸣器4、LED灯5、步进电机6、直流电机7、测速装置8；

所述键盘输入装置与所述主控制器连接；

所述液晶显示器3、蜂鸣器4、LED灯5、步进电机6、直流电机7与所述主控制器2连接；

所述测速装置8一端与所述直流电机7连接，另一端与所述主控制器2连接；

直流电机7的驱动模块采用H桥电路，MOS管前置驱动电路采用IR2103作为NMOS控制器，IR2103和NMOS组成H桥半桥电路；

步进电机6驱动桥为三相三角形接法，采用光耦进行信号隔离。

本发明实施例中直流电机驱动模块具体包括：

(1)H桥

在本实施例中，驱动的是额定电压是24V，额定电流是3.8A的电机，所以选用MOS管代替上述的开关，来实现对直流电机的控制。MOS管选择IRF540，IRF540是一个最大输入电压可达100V，最大输出电流是33A的MOS管，所以IRF540搭成的MOS阵列足以驱动3.8A直流电机。

直流电机MOS驱动桥原理图如图2；

但在只有NMOS组成的H桥中，不是简单的MOS管的通断就能解决的。如当Q1和Q4关断时，A点的电位处于“悬浮”状态(不确电位为多少)(Q2和Q3也关断)。在打开Q4之前，打开Q1，给Q1的G极15V的电压，因为A点“悬浮”，就是A点可以是任何电平，这样可能Q1打开失败；在打开Q4之后，打开Q1，在Q1打开之前，A点为低电位，给Q1的G极加上15V电压，Q1打开，由于Q1饱和导通，A点的电平等于电源电压(在本系统中为24V)，此时Q1的G极电压小于Q1的S极电压，Q1关断，Q1打开失败。Q2和Q3的情况与Q1和Q4相似。要打开由NMOS构成的H桥的上管，必须处理好A点(也就是上管的S极)“悬浮”的问题。由于NMOS的S极一般接地，此点又被称为“浮地”。要使上管NMOS打开，必须使上管的G极相对于浮地有10-15V的电压差，这就需要采用升压电路。本实施例采用IR2103这款芯片很好的解决了这个问题，自带自举电路，又很好的控制了悬浮地的电压。IR2103内部集成升压电路，外部仅需要一个自举电容和一个自举二极管即可完成自举升压。同时还解决了IR2103上管和下管同时导通，相当于从电源到地短路可能会烧毁MOS管或电源，即使很短时间的短路现象也会造成MOS的发热问题。

(2)MOS管前置驱动电路

采用IR2103作为NMOS控制器，IR2103内部集成升压电路，外部仅需要一个自举电容和一个自举二极管即可完成自举升压。IR2103内部集成死区升成器，可以在每次状态转换时插入“死区”，同时可以保证，上、下两管的状态相反。IR2103和NMOS组成的H桥半桥如图3所示。

在MOSFET的栅极和驱动IC的输出之间串联了一个电阻，称为“栅极电阻”，其作用是调节MOSFET的开关速度，减少栅极出现的振铃现象，减小EMI，也可以对栅极电容充放电的限流作用。该电阻的引入减慢了MOS管的开关速度(MOS管的开关其实就是对栅-源寄生电容的充放电)，但确能减少EMI使栅极稳定，在本实施例中采用1欧电阻。

因特性决定,MOS管的关断时间要比开启时间慢(开启充电，关断放电)，因此就要改变MOS管的关断速度，在栅极电阻上反向并联一个二极管，当MOS管关断时，二极管导通，将栅极电阻短路从而减少放电时间。

IR2103控制器的时序图逻辑特点:

HIN＝1AND/LIN＝1时HO＝1AND LO＝0

HIN＝1AND/LIN＝0时HO＝0AND LO＝0

HIN＝0AND/LIN＝1时HO＝0AND HO＝0

HIN＝0AND/LIN＝0时HO＝0AND HO＝1

依据IR2103时序图及NMOS管的基本特性(10v-15v导通)，可以得到直流电机控制表如表1所示：

表1直流电机控制逻辑

微控制器采用STC12C5A60S2单片机。该单片机内置两路PWM生成器，能够满足本系统的需求。

本发明实施例中步进电机驱动模块具体包括：

(1)驱动桥

本实施例所采用的步进电机为三相三角形接法，有三条输入线，每条输入线可以接高低电平，驱动电路如图4所示；

从图4可以看出输入的两个开关构成了一个H桥的半桥，若要使上述原理图的B相导通只需使S1、S6闭合即可。同理C相导通只需S3、S6闭合。而步进电机的时序的产生我们使用SI7600，集成芯片。

(2)脉冲分配器与桥的连接电路

采用光耦进行信号隔离，以防止步进电机运行时的波动从影响控制信号。电路如图5。

步进电机脉冲分配模块采用日本三肯公司的集成芯片SI-7600，该芯片能将输入的时钟信号分配成六路脉冲控制后级的功率驱动模块产生三相步进电机的工作时序。不仅能通过改变该芯片的时钟频率来控制电机的转速，还能通过简单的逻辑信号控制电机的正反转和保持；该芯片内置的死区生成器可以有效的保证同组的两个功率芯片不会瞬间短路。

本发明实施例中速度采集模块包括：

为了能够准确的测出当前速度，使用分辨率比较高的U型红外发射对管(MOC704T)，由于输出的电压不是标准的TTL电平，因此需要使用电压比较器来进行转换，是输出的电压符合逻辑电平，本实施例采用的电压比较器型号是LM393。具体的设计原理图如图6。

本发明中不同类型电机安装在同一个控制平台下，采用菜单模式进行选择，同一个控制器下通过切换运行方式控制不同类型的电机。

菜单为四级菜单，一级菜单为欢迎界面，二级菜单有电机选择界面和说明界面，三级菜单有直流电机设置界面和步进电机的设置界面，四级菜单有直流电机当前值显示和步进电机的运行情况；其中，从第二级菜单开始，每一级都含有返回上一级菜单的功能。其结构框图如图7。

本菜单分为四级，通过12864液晶显示屏来显示。菜单设计了功能上、功能下、数值加、数值减、确定键以及数值键等按键，通过这些按键来实现菜单的显示和数值设置。整个菜单都是等待确定键按下并释放后，进入下一级菜单或者返回上一级菜单。每级菜单中的每一项都含有对应的变量值，即：function_down、function_up、Enter、up、down值等。这些变量中，这些参数执行递进式，在选择模式时，每一个功能键值对应一个确定键值；在设置模式时，确定键无效。具体流程图如图8。

本菜单中，每当确定键按下时，功能键值将刷新为下一模式下的初始值，即当Enter按下时，function_down和function_up都刷新为当前模式下的初始值，同时Enter值也刷新为新的模式下的初始值。

本发明完全采用分立器件搭建驱动控制电路，功率较大且成本低，能够驱动额定电流为3.8A的直流电机，峰值电流可达7A，而且长时间(连续工作8小时以上进行测试)工作无严重发热现象，系统的各项性能指标良好。而较大功率数字直流、步进调速实验平台，从技术上能成功地做到从给定信号、调节器参数设定直到触发脉冲的数字化，使用通用硬件平台附加软件程序控制一定范围功率和电流大小的直流电机、步进电机，同一台控制器可以仅通过参数设定和使用不同的软件版本对不同类型的被控对象进行控制，强大的通讯功能使它易和MCU等各种器件通讯组成整个控制过程系统，而且具有操作简便的特点，尤其是方便灵活的调试方法、完善的保护功能、长期工作的高可靠性和整个控制器体积小型化，弥补了模拟直流调速控制系统的保护功能不完善、调试不方便、体积大等不足之处，且数字控制系统表现出另外一些优点，如查找故障迅速、调速精度高、维护简单，使其具备了广阔的应用前景。

不仅改善了市场上使用专用集成芯片制作的控制器价格昂贵的现状，又由于主控制器的可编程性，硬件电路接口的易拓展性，可以灵活的进行系统的二次开发，非常适合高校理工科自动化、电气工程及自动化等相关专业的教学实验设备。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种较大功率数字直流及步进电机调速实验平台，其特征在于，所述较大功率数字直流及步进电机调速实验平台包括键盘输入装置、主控制器、液晶显示器、蜂鸣器、LED灯、步进电机、直流电机、测速装置、菜单模式选择模块；

所述键盘输入装置与所述主控制器连接；

主控制器内设置有菜单模式选择模块；

所述液晶显示器、蜂鸣器、LED灯、步进电机、直流电机与所述主控制器连接；

所述测速装置一端与所述直流电机连接，另一端与所述主控制器连接。

2.如权利要求1所述的较大功率数字直流及步进电机调速实验平台，其特征在于，所述直流电机的驱动模块采用H桥电路，MOS管前置驱动电路采用IR2103作为NMOS控制器，IR2103和NMOS组成H桥半桥电路。

3.如权利要求1所述的较大功率数字直流及步进电机调速实验平台，其特征在于，所述步进电机驱动桥为三相三角形接法，采用光耦进行信号隔离。