桥式可逆斩波电路设计与心得

1. 小车驱动电路设计与PCB图绘制

驱动电路（基本配置）包括PWM信号处理、封锁信号处理、死区生成、MOSFET 驱动、H桥主电路、直流电源变换（电池7.2V→5V、12V）等6个功能单元。小车所用电机的驱动电路由4个MOSFET构成的桥式可逆斩波电路【为什么用这种主电路】构成，这里采用IR2110来使管子导通关断，如下图所示，当 V1、V4 导通时间大于 V2、V3 的导通时间时，平均输出电压为正，电机正转；当 V1 与 V4 导通时间小于 V2 与 V3 的 导通时间时，平均输出电压为负，电机反转；当 V1 与 V4 导通时间等于 V2 与 V3 的导 通时间，即占空比为 50%时，平均输出电压为 0，电机转速为 0。

这样一来就需要两路PWM信号来控制V1,V4与V2,V3的导通（即PWM信号处理单元），又由于为了使H桥的上下桥臂不会发生同时导通，本着先断后通的原则需要设置一个死区发生电路。IR2110的11脚（SD）当输入高电平时封锁输出，因此可以由此设计小车的停转（即封锁信号）。由于信号处理等单元采用5v供电，H桥驱动IR2110则采用12v电源供电，MOSFET则使用7.2v电源供电。而我们只提供了一个7.2v的锂离子电池，因此需要设计一个电源变换电路。

1.2.1电源变换单元

在实际测试中输出波形输出电压略大于原理图中设计电压，考虑应该是锂离子电池电压刚冲过电电压稍高的原因（锂电池电压8.6v）【负载轻重。再看看说明书】

1.2.2  PWM信号处理单元

这里为什么要加一个与非门后输出信号呢？这是由于单片机输出的PWM信号幅值为3.3v，不足以使得IR2110认为其是高电平， 【可以。再看看说明书】，而经过这样一个与非门后电压为5v。

考虑到管子要先断后通以保证上下桥臂的管子不会同时导通，故上述PWM信号不能直接加到IR2110上，故需设置死区发生电路。

死区时间可有以下式子计算得出

查irfb7440数据手册得t=5*（183-92）=450，为了保证电路正常工作不妨将死区时间再大一点，即取t为500ns。查手册知CD74HCT08逻辑高电平最小为2V，即Uc =2V, Ui =5V,这样算出来为978ns。

由CD74HCT08输入电流最大为4mA，为保证信号正常故R最小为1.25K，由于没有1.25k电阻，可选 R=2K， C=0.489nF。考虑到没有0.489nf电容，故这里取1nf，即102。这样选取这样的电容电阻所得到的死区时间约为1000ns。

1.2.5 MOSFET驱动单元

自举电容必须能提供不低于 ＭＯＳＦＥＴ管栅极 电荷导通所需的电荷，并且在高端主开关器件开通 期间保持其电压。工程估算公式为

其中Ｑｇ－ＭＯＳＦＥＴ管门极电荷（由irfb7440手册中查到为90nC）；Ｖｃｃ－充电电源电压(12V)；Ｖls为下半桥 ＭＯＳＦＥＴ 导通栅源阈值电压，一般为２－ ４Ｖ； Ｖ ｍｉｎ 是Ｖ ｂ 和 Ｖ ｓ 之 间 的 最 小 电 压 （可 由 ＩＲ２１１０手册中查到， Ｖ ｂｓｕｖｍｉｎ＝７．４Ｖ）； Ｖ ｆ－自举 快  恢复二极管的正向管压降，一般为１.５Ｖ。代入计算的

考虑一定的安全裕量这里取1uf。2.2uf。 【 为什么取如此大的裕量 】

1.3 PCB图绘制

原理图中各个元件的取值搞清楚后就可以进行图的绘制了，注意的是封装别搞错了，关于PCB的绘制注意元件要按照原理图合理摆放，这样好走线。由于全是采用的双列直插封装，故板子画的稍大一点（2550mil*2800mil）注意120mil线开窗。

2. 电路焊接与调试

2.1电路板元件焊接

    元件焊接过程：

1、焊电路板之前，先拿练习板练习焊接技术，待熟悉后再在电路板上焊接。

2、焊接时要注意元件还有元件的封装是否选择正确。

3、根据电路原理图严格按照原理图中给出的各个元件类型、型号、数值，参照元件布局图，在电路板上对应位置完成元件焊接。

4、在开始焊之前，烙铁头尖部适量镀锡，易于后续的焊接工作。焊完之后、烙铁断电时，在烙铁头尖部适量镀锡，预防烙铁头氧化。

5、元件焊接顺序：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、用锡量：在保证可靠焊接的前提下，少用锡。

7、有极性元件的极性不要反接。

8、注意不要虚焊。

2.2 直流电源变换单元调试

直流电源理想情况下应为7.2V，用万用表的直流电压档测量电路板电池接线端子处的电压为8.6V，有一定误差，后续调试中影响不大。用示波器依次测量LMS2940S-5.0的1（7.2V）脚和3（5V）脚的波形，均为平直波，且电压值分别为8.6V和5.11V。再用示波器测量B0512S-1WR2的2脚和4脚的波形，均为平直波，且电压值分别为5.11V和13.0V。直流电源变换单元完成测试。

1脚                                      3脚

2脚                                      4脚

2.3 PWM信号处理

连接来自单片机的MCU-PWM信号线、封锁信号MCU-SD线至驱动电路板。设定其持续输出固定占空比为60%。用示波器测得CT74HCT00芯片的输入与第一个与非门的输出之间的关系，如下图：

从图中可以看出，第一个与非门输出的信号波与输入的信号波相比，相位相差180度，且电压有所增大。输入端与第二个与非门之间的关系，如下图：

从图中可以看出，第二个与非门输出的信号波与输入信号相比，其相位相同，电压有所增高。

2.4封锁信号处理单元

输入端来自单片机的封锁信号 MCU_SD、与非门输出端信号，确认信号的电平状态符合期望。

其正常工作状态时，测量CD74HCT00芯片的引脚8的电压为高电平。

2.5死区生成单元

用 Ch1 测与门输入端的 PWM 信号，Ch2 测与门输出端的信号。测量两个信号 上升沿之间的时间差（即死区时间）。死区时间在 500~900ns 之间即可

如图所示，死区时间在700ns左右，在期望值之间。

另一路PWM信号：

. 死区时间的计算公式为：

测量两个上升沿之间的时间差（死区时间）为700ns，符合要求。

测量另一路PWM信号的死区时间，其值大小接近一致。

测与非门输出端的PWM信号和与门连接的RC的输入端信号，可以看出与门输出电平翻转的输入信号电压值为5.88V 【笔误】 。使用此实际电压值以及电路板上的R（2K）、C（1nF）值，计算出的实际值恰好为700ns，与实际测量值一样，符合条件。

用 Ch1 测第一个与门的输出、Ch2 测第二个与门的输出（即两路添加死区的 PWM 控制信号），波形留存，与 2.3波形对比，如下图：

由图可知，本来两个与门的波形是相同的，由于死区的添加，两个与门的波形变为互补的了。

2.6 MOSET驱动单元的测量

2.6.1设置单片机程序，使单片机输出合适的封锁信号 MCU_SD，让 IR2110 处于正常工作状态，而不是 封锁。下载程序，运行。

2.6.2 用 Ch1 测 IR2110 芯片引脚 LIN 的输入信号，Ch2 测 IR2110 芯片引脚 HIN 的输入信号。信号波形 应分别与两个添加了死区的与门波形相同。

用 Ch1 测 IR2110 芯片引脚 LIN 的输入信号，Ch2 测 IR2110 芯片引脚 LO 的输出信号。两个信号的波形形状、占空比应相同，如下图：

对另一 IR2110 芯片，重复上面两个步骤 。

波形分别如下：

用 Ch1、Ch2 测两个 IR2110 芯片的 LO 引脚信号波形，两者应是互补的（不考虑死区）。

2.7.1 按照正确的朝向，焊上 4 个 MOSFET。

2.7.2 驱动电路板通电，用 Ch1 测 IR2110 芯片引脚 LO 信号，Ch2 测 IR2110 芯片引脚 HO 信号，确认波形正确。对另一 IR2110 芯片，重复这一测量

2.7.3 使驱动电路板的钮子开关处于断开状态。电动机接线至驱动电路板。小车放置在实验桌上，车下垫 上合适的东西（例如书本），使小车后轮悬空。

2.7.4 修改单片机程序，使其持续输出固定占空比 60%的 PWM 信号给驱动电路。下载程序，运行。

2.7.5 拨动钮子开关，通电。电动机旋转，小车后轮旋转。记录其转向。修改单片机程序，使其持续输出 固定占空比 40%的 PWM 信号给驱动电路。下载程序，运行。电动机、小车后轮应反转。 【应该自己写】

2.8.1使用电阻作为驱动电路的负载，设计单片机程序，使其输出spwm控制信号给驱动电路板；

2.8.2测试电路板上各特征点的波形和负载电阻上的电压波形并进行分析；

2.8.3修改单片机程序，改变期望输出正弦电压的频率、幅值，重复步骤测量以上内容。

得到的波形如下图：

：

由上图可以看出，驱动板上的特征点和负载的电压波形的脉冲宽度在不断变化，符合spwm波形面积等效原理。 【多数波形明显不对】

3. 单片机程序设计与小车行驶实验

3.1前进与后退行驶

修改如下：

这里像课上讲的那样采用定时器2产生1个精确延时来控制小车正转6s反转6s然后停车。考虑到正转后由于惯性小车继续转动，考虑到小车电机轴的刚性连接故等待了1s后 【程序中，没有等这1s。 缺 i>1200&&i<1300】 再运行反转程序。

3.2PWM频率的调节

在c8051单片机数据手册中有这样一句话“PCA是一个片内可编程计数器/定时器阵列。 PCA包括一个专用的16位计数器/定时器时间基准和6个可编程的捕捉/比较模块。时间基准的时钟可以是下面的六个时钟源之一：系统时钟/12、系统时钟/4、定时器0溢出、外部时钟输入（ECI）、系统时钟和外部振荡源/8。每个捕捉/比较模块都有六种工作方式：边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、频率输出、8位脉冲宽度调制器和16位脉冲宽度调制器。 PCA捕捉/比较模块的I/O和外部时钟输入可以通过数字交叉开关，连到MCU的端口I/O引脚”。通过改变PCA时钟分频即可改变输出的PWM 频率。这部分在低频可以观察到小车电机有响声（机械振动）这个在电力电子实验中也有所遇到。 【 程序不对。说的也不清楚。 】

3.3SPWM逆变

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

定义变量fudu来调节正弦波幅度，定义变量dianji调节输出占空比，关于其计算公式与小车程序中的duty完全相同，都是基于手册中捕获比较寄存器PCA来计算的。【 程序有问题。 未说明 实现“ 修改单片机程序，改变期望输出正弦电压的频率 ”】

4.   结论

电力电子技术设计可谓是 达到了高度使学生自主设计化，从最开始的设计电路的原理图，到设计布局合理的PCB板，然后焊接，再到最后的写程序，下载到小车上再一步一步调试程序。这个过程的目的不仅仅使小车会跑或者说测得正确的波形，对于我 们 来说更重要的是查漏补缺，温故知新，让我明白 哪部分知识我是还没有真正掌握的 ， 这就是收获。 在这次智能小车的设计中，我们学到了很多东西，从理论到实践，也遇到了很多问题。在发现问题和解决问题的过程中，不仅巩固了我们所学的理论知识，也锻炼了自己解决实际问题的能力。

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