基于80C19单片机伺服电机调速系统软硬件设计 表4.2 IRF121 参数表
型号 额定电压（V） IRF121 60 额定电流（A） 8 最高耐温(℃) 5 内阻（导通）电容（pF） 最大电流（Ω） 0.3 600 （A） 32 最大功率（W） 400
IRF121
M1
DC24V IRF121 M4
IRF121Q1D1Q2M2D2IRF121Q3M3D3R11K/1WIN4004IN582212D7M1IN5822IN5822Q4IRF121D4Q5M5D5IRF121Q6M6D63BLDCMIN5822C150V/0.1μFIN5822IN5822图4.7主功率电路
续流二极管 选用快速恢复二极管 ，额定电流为3A，额定电压为40V，恢复时间为10nS。对输入端和输出端接有感性元件时，如控制接触器的线圈等，则在它们两端并联续流二极管（直流电路）和阻容吸收电路，以抑制电路断开时产生的电弧对功率电路的影响。
RC吸收回路的R值越大，线圈两端的电压越高，要考虑线圈的绝缘水平是否工作在安全区；R的值越小，线圈（内电阻）要承担部分的磁能损耗，且回路总电阻值小，能量损耗就慢，电机去磁就较慢（因为回路电流在断开电源时的大小是一样的），当然，电容器的取值也致关重要，电容器能否吸收线圈中的磁能。这样分析，电容只是在线圈工作过程中，起隔离直流（能减去吸收回路中R的损耗）作用，不会减轻线圈的损耗，使用二极管，能隔离R在线圈工作时的损耗。电阻和电容参数计算如下：
C?(2.5~5)?10?8?If （4.1）
If?0.367Id Id直流电流值。
由电机电流为IN?1.8A，UN?24V，PN?15W可以计算
C?(2.5~5)?10?8?1.8?0.045~0.09?F （4.2）选用0.1?F/50V电容。
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基于80C19单片机伺服电机调速系统软硬件设计 电阻的选择：
R?(2~4)?535/If?594.4~1188.8 选用1K电阻。 电阻功率选择：
PR?(1.5?(Pfv?2?fc)2?10?12?R)/2 （4.3）
Pfv?2U(1.5~2.0)，fc为晶闸管或MOSFET频率。U为电压的有效值。则 PR?(1.5?[2?24?(1.5~2)?3.14]2?10?12?1000)/2?1W 选用1K/1W的电阻。
4.3.2功率驱动电路
根据系统总体设计方案选用美国国际整流器公司最新开发的高性能集成六路输出MOS门极驱动芯片IR2130作为六只开关功率管的驱动，IR2130的内部结构图如图4.8所示。 HIN1 HIN2HIN 3LIN1 LIN2 LIN3信号输入发生器L1H1脉冲发复位生器电锁存器置位平移位脉冲发复位生器电锁存器置位平移位脉冲发复位生器电锁存器置位平移位VB1放大HO1VS1 FAULT 封锁故障 逻辑逻辑 VCC ITRIP ?0.5V比较 CAO 放大+－ CA VSS信号输入发生器L2H2VB2放大HO2VS2VB3信号输入发生器L3H3放大HO3VS3过压检测放大LO1放大LO2放大LO3VSO图4.8 IR2130内部结构图
IR2130的工作原理
正常工作时，当外部电路不发生过电流，直通故障，且IR2130的工作电压源不欠
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基于80C19单片机伺服电机调速系统软硬件设计 压，以及脉冲处理电路和电平移位器PGLS输出高压侧栅极驱动信号不发生欠压情况时，则从封锁逻辑CLEAR故障逻辑处理单元FAULT及欠电压检测器LVD和UVDR来的封锁信号均无效。从脉冲形成部分来的六路脉冲信号，经三个输入信号处理器，按真值表处理后，变为六路输出脉冲，其对应的驱动三路低电压侧功率MOS管的信号，经三路输出驱动器放大后，直接送往被驱动功率器件的栅源极。
而另外三路高压侧驱动信号H1、H2、H3先经集成于IR2130内部的三个脉冲处理和电平移位器PGLS中的自举电路进行电位变换，变为三路电位悬浮的驱动脉冲，再经对应的三路输出锁存器锁存，并经严格的驱动脉冲欠压与否检验后，送到输出驱动器进行功率放大，最后才被加到驱动的功率MOS器件的栅源极。
IR2130的典型应用电路
一旦外电路发生过电流或直通，即电流检测单元送出的信号高于0.5V时，则IR2130内部的比较器迅速翻转，促使故障逻辑输出单元FAULT 输出低电平，一则封锁三路输入脉冲处理器ISG的输出，使IR2130的输出全为低电平，保证六个被驱动的功率MOS器件的栅源极迅速反偏而全部截止，保护功率管；另一方面，经IR2130的8脚输出信号，封锁脉冲形成部分的输出或给出声光报警。若发生IR2130的工作源欠电压，则欠压检测器UVD迅速翻转，同以上分析一样，可得到被驱动功率器件全部截止而可得到可靠保护，并从FAULT脚得到故障信号的结果。IR2130的典型应用电路如图4.9所示：
上管驱动输入下管驱动输入过流保护输出DC10～20VVCCVB1.2.3HIN1.2.3.HO1.2.3LIN1.2.3.FAULTVs1.2.3ITRIPCAOIR2130CA-VssVsoL01.2.3C3R1D1最高600VR4C1C2负载R5R2C4VR1VR2R3图4.9 IR2130的典型应用电路
IR2130可用来驱动工作在母电压不高于600V的电路中的功率MOS门器件，其可输出的最大正向峰值驱动电流为250mA，而反向峰值驱动电流为500mA。它内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络，使用户可方便的用来保护被驱动的MOS门功率管，加之内部自举技术的巧妙运用使其可用于高压系统，它还可对同一桥臂上下2
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基于80C19单片机伺服电机调速系统软硬件设计 个功率器件的门极驱动信导产生2?S互锁延时时间。它自身工作和电源电压的范围较宽(3~20V)，在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通过的电流成线性关系的电流放大器，电路设计还保证了内部的3个通道的高压侧驱动器和低压侧驱动器可单独使用，亦可只用其内部的3个低压侧驱动器，并且输入信号与TTL及COMS电平兼容[13][14]。功率驱动电路如图4.9所示。 P6.1 P6.0 P6.3 P6.2 P6.5 P6.4 单片机 D12827262524232221201918171615R1C1D2R5C2D3U112V12345678NMI91011121314VccVB1HIN1H01HIN2VS1HIN3NCLIN1VB2LIN2H02LIN3VS2FAULTNCITRIPVB3CA0H03CA-VS3IR2130VssNCVsoL01L03L02R3R4VR1R2功率模块R6C3R7R8R9Q1Q3Q5Q4Q6Q2图4.9 IR2130与单片机和MOSFET的接口驱动 图4.3.8 中，R1?R5?R6?R7?R8?R9?50?，R2?0.1?/1W，R3?1K?，
R4?100?；C1?C2?C2?1?F/50V；VR1?10K。注：未标明功率电阻为普通0.25W电阻。
R2为电流采样电阻，根据电机参数IN?1.8A，内阻R?3.308?，可选0.1?/2W功率电阻。当电机正常工作时，R1上压降非常小，不会导致母线电压利用率降低，在正/反转快速变化时，转速反接制动过程中将产生较大的瞬时电流，从而在R1上产生较大的压降。TRIP为欠压、过流输入关闭信号，通过变阻器VR1可调节系统过流临界值的大小，VR1可选普通的1K/0.25W可调电阻，当该电压大于IR2130内部设定的0.5V保护值时，它会自动使IR2130输出信号全部为低电平。大电流过后，系统自动解除封锁，从而实现弹性保护。
C1是自举电容，为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量，其容量取决于被驱动
功率器件的开关频率、占空比以及充电回路电阻，必须保证电容充电到足够的电压，而放电时其两端电压不低于欠压保护动作值，当被驱动的开关频率大于5KHz时，该电容值应不小于0.1?F，且以瓷片电容为好。本设计选用50V/1?F独石电容。
D1、D2、D3的作用防止上桥臂导通时的直流电压母线电压到IR2130的电源上而使器件损坏，因此D1应有足够的反向耐压，当然由于D1、D2、D3与C1、C2、C3串
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基于80C19单片机伺服电机调速系统软硬件设计 联，为了满足主电路功率管开关频率的要求，D1、D2、D3应选快速恢复二极管，按电机UN?24V，可选IN4148开关二极管，耐压为100V。R1和R2是IGBT的门极驱动电阻，一般可采用10到几十欧。IR2130的HIN1~HIN3、LIN1~LIN3作为功率管的输入驱动信号与单片机连接，由单片机控制产生PWM控制信号的输入，FAULT与单片机外部中断引脚连接，由单片机中断程序来处理故障[16]。
4.4 过流过压保护电路
4.4.1过流保护电路
在永磁直流伺服电动机调速系统中，电机起动时，主回路会流过很大的起动电流，此外因控制回路、驱动回路等误动作、误配线等，会造成支路短路、输出短路等故障，过电流流过功率变换器开关元件MOSFET，发生短路时，电流变化非常快，元件要承受高电压、大电流，这就要快速检测过电流，在MOSFET还没有损坏时自行关断。过流保护环节分为两级保护。第一级过流检测与保护山驱动电路完成，采用集成驱动电路芯片IR2130，可实现对MOSFET的电流保护，其原理图参见本章4.3.2小节图4.3.7。
过流检测按驱动信号与集电极电压之间的关系实现，当流过MOSFET的电流超过内部设定值时，驱动电路关断MOSFET，同时送出过流信号，使光隔器件导通，输出低电平过流保护信号。第一级过流检测与保护通过快速响应霍尔电流传感器对直流侧母线电流进行检测，由支路短路、直接支路短路、输出短路和接地短路等引起的过电流必能检测出来，电路原理如图4.10所示。
R4+12VR5VCC31KU21KNMIId10KVR1R3R220054U1ALM 33926N1360.1Ω/ 1WR1C220012- 29 -
图4.10 过流检测电路
在主电路上串联一个采样电阻R1，为了减小对电路的影响，应选择阻值较小的。通过将采样电阻的两端电压与设定的电压进行比较来确定主电路电流是否过流，过流信号送至单片机的不可屏蔽中断引脚，封锁开关的驱动信号，实现电路的保护。