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楼主: armok

主轴电机调速线路的研究与测试 (雕刻机开源项目中,目前讨论得最精彩的帖子)

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发表于 2009-9-17 17:38:09 | 显示全部楼层
【95楼】 armok 阿莫

一个新问题: 加入了10V稳压管后,NE555的功耗大增。 78L12 工作起来有点发热。

重新换回L7812CV。 体积大很多,测试后散热能满足严格要求。(用手摸基本没有热的感觉)。
【96楼】 cowboy
消除正向尖峰,只需在NE555输出引脚3脚到电源8脚之间接一个2K左右的上拉电阻即可,并不需要10.2V稳压管,78L12也不热。
为消除反向尖峰而加入的R3、D3,是牺牲下降沿的速度,增加了管子的关断损耗,也就是管子发热多一点点。
-----

用10v稳压管肯定要增加功耗,如【87楼】所说若果大功率管子,比如200A模块就肯定不行了 ;建议稳压管电压等于驱动电压
R3、D3,是牺牲下降沿的速度,增加了管子的关断损耗 --- 是的,只是这种损耗在这里的是极小的,参数选择好了甚至可以减少损耗,
对于楼主带的负载是感性的,感性负载最好是快开慢关,感觉楼主这里的关断时间最多超不过2-3us。
这里是10v稳压管造成的损耗,而不是关断的造成的损耗
 楼主| 发表于 2009-9-17 17:48:32 | 显示全部楼层
【100楼】 renren1231
用10v稳压管肯定要增加功耗.......建议稳压管电压等于驱动电压
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你是说,NE555的电源是12V, 应该使用12V的稳压管?

我上面有测试数据:

R2=10欧, Rgs=10K , 没有稳压管时, 实测得最大尖峰幅度是12.3 V,其它平坦部分幅度是:10.9V

R2=10欧, Rgs=10K , 接上10.2V稳压管, 实测得幅度是10.4V


所以,如果使用12V的稳压管,基本等于没有接。波形也不会有什么改善。
发表于 2009-9-17 17:59:24 | 显示全部楼层
【91楼】 renren1231

输入电容,也就是管子寄生电容Cgs  

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可否讲得详细一点?tks!
发表于 2009-9-17 18:03:34 | 显示全部楼层
【95楼】 armok 阿莫

一个新问题: 加入了10V稳压管后,NE555的功耗大增。 78L12 工作起来有点发热。

重新换回L7812CV。 体积大很多,测试后散热能满足严格要求。(用手摸基本没有热的感觉)。  
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把D3换成4148试试,尽量减小稳压管上的压降,稳压管比它的稳压值高出0.5V,电流已经不小了。

如果还热的话,再串一个4148 :)


ps:其实用12V的稳压管已经可以了,波形未必要弄得那么漂亮,稳压管的作用应该是当出现异常的高电压时,把mos管栅极电压嵌位住,以保护mos管,但平时应该不工作。
发表于 2009-9-17 18:16:39 | 显示全部楼层
这么长的帖子看下来,感到众网友的力量实在十分强大。MOSFET的驱动电路是一个十分烦琐和精细的活儿,器件参数的组合十分重要,直接影响到电路的稳定性也就是可靠性。下面说说个人的看法:

计算离不开器件手册,下面是IRFZ48N和NE555的手册。

1.MOSFET的开通: 虽然MOSFET是典型的压控器件,但是它的充放电等效结构还是三个引脚电容,因此IRFZ48N手册中P2页的Qg,Qgs,Qgd的指标是设计驱动电流的有效指针,在本电路中,PWM为16kHz,因此,充电电流为: Igs = Qg X F = 81nC X 16 kHz = 1.296mA,电流很小,当然瞬时值很大很多。再看NE555的驱动电流,P350页,当推出电流在1-2mA的情况下,Vcc-Vout=1.4V,这就可以解释,为什么并上10K(增加1mA),10V稳压管(增加的电流,犯懒谁帮忙算算?)后,波形有1.4V的压降,注意是压降,而不是尖峰。这是负载造成的自然现象。

2.MOSFET的关断:关断波形的下冲是要重视的,在本例中还不算严重。如果要是高压大电流的驱动,它是导致变频器等电路烧毁的重要原因之一。它产生的机理主要是,当管子关断时,通过管子下方线路的电流迅速减小,也就是di/dt为负数,L是线路的杂散电感,根据U=L X (di/dt),这时下面会产生一个负过冲电压。如果调整Rg,可以减缓管子关断的速度,那么就可以减小这样的负压了,这个在试验的波形中已经得到验证就不多说了,当然在驱动设计中,还有其他很多办法,比如PCB上缩短线路长度,串电阻等。

3.管子的Vgs可以到20V,不知道为什么要在g极上放10V的稳压管,如果为了保护g极,放12V的,甚至15V的都没有问题,这样还可以有效降低电源功耗,以及NE555的输出压降。

4.Rgs:在g极和s极之间放置一个大电阻,通常是为了保证在没有驱动时,g极被拉为低电平而不会误触发导通,所以还是有必要的,当然再大点也没事,但可以减少NE555的输出压降,楼主可以试验看看。

关于MOSFET驱动那点事儿也就差不多了,做好设计,理论、手册、计算、试验一个都不能少。


点击此处下载 ourdev_481951.pdf(文件大小:103K) (原文件名:IRFZ48Ndatasheet.pdf)
点击此处下载 ourdev_481952.pdf(文件大小:124K) (原文件名:NE555datasheet.pdf)
发表于 2009-9-17 18:25:38 | 显示全部楼层
【101楼】 armok 阿莫

你是说,NE555的电源是12V, 应该使用12V的稳压管?  

我上面有测试数据:

R2=10欧, Rgs=10K , 没有稳压管时, 实测得最大尖峰幅度是12.3 V,其它平坦部分幅度是:10.9V  

R2=10欧, Rgs=10K , 接上10.2V稳压管, 实测得幅度是10.4V  


所以,如果使用12V的稳压管,基本等于没有接。波形也不会有什么改善。
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R2=10欧, Rgs=10K , 没有稳压管时, 实测得最大尖峰幅度是12.3 V,用10V的稳压管后R2,就要承受2V多点的电压,对于10欧的电阻来说这个功耗就大了~~~,用12V,压降就小很多;这个稳压管主要作用是防止驱动电压突变,而不是指忘他来抑制波形的前冲;
其实调整电路中的R2,R3完全可以得到理想波形,稳压管只是起到保护作用。

【102楼】 xmysz  
管子的寄生电容Cgs是由于管子的内部结构造成的g,s极寄生一些电容,是不可避免的,几乎任何管子都带,只是Mos管和IGBT要大很多;Cgs大小就决定了管子的开关速度,所需驱动大小,等~~
如入电容除寄生电容Cgs,还包括布线早成的分布电容等,如果管子要有引线,最好gs驱动线要用双绞线~~~
 楼主| 发表于 2009-9-17 18:30:45 | 显示全部楼层
【104楼】 flyingfish
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谢谢。某些观点帖子已经提到。 有些我迟些再测试。。

“这么长的帖子看下来,感到众网友的力量实在十分强大。”  是的。这也是我们这款开源雕刻机之所以强大的原因。



【103楼】 xmysz
一个新问题: 加入了10V稳压管后,NE555的功耗大增。 78L12 工作起来有点发热。  
把D3换成4148试试,尽量减小稳压管上的压降,稳压管比它的稳压值高出0.5V,电流已经不小了。
如果还热的话,再串一个4148 :)
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1. 我会将D3换成4148再测试一下。
2. 再串一个不必。感觉不规范。
3. 不再换回78L12,因为日后如果有网友不使用24V供电,换成30V甚至35V, 78L12可能承受不了,还是L7812CV保险点 :)
发表于 2009-9-17 18:33:48 | 显示全部楼层
有时为了实现快开通,会故意让驱动有个前冲~~,稍高点电压可以加速饱和导通
发表于 2009-9-17 19:05:29 | 显示全部楼层
一天没关注这个帖子,不知不觉又盖了这么多层了啊。

关于并了10K Rgs后的尖峰,我怀疑是试验板布线的问题,是555到IRFZ48N之间的线路寄生电感造成的。
如104楼所说,IRFZ48N完全导通后,555从原来没负载到有10K负载,这个区别是会造成1.4V的压降。但是10K电阻是一只存在的,Cgs充电过程就存在的,所以这并不能解释出现尖峰的原因。像xmysz说的那样,10K只是把过冲放掉了,但不是造成过冲的原因。
Cgd也不会造成向上的尖峰,只会造成向下的。

这个尖峰硬是用个稳压管把它砍平了也只是治标不治本的办法。
实际布PCB的时候,注意线宽和接地问题,应该能改善不少。
Rgs取10K可能太小了,纯粹出于保护管子误开通的目的的话,470K~1M都足够了。
下尖峰93楼的图已经解决了,就不多说了。
另外我看LZ位的图,探头的地线夹的离管子比较远,也是可能造成观测到的上下尖峰比较大的原因。

没啥建设性建议,目前就只能实验调整了。

顺带传一个TI关于MOSFET驱动的Application Note: Design And Application Guide For High Speed MOSFET Gate Drive Circuitsourdev_481957.pdf(文件大小:344K) (原文件名:slup169.pdf)
里面的MOSFET等效模型分析,大家看看就知道问题可能出在什么地方了。
 楼主| 发表于 2009-9-17 19:19:26 | 显示全部楼层
【107楼】 renren1231
有时为了实现快开通,会故意让驱动有个前冲~~,稍高点电压可以加速饱和导通
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你是说,以下的波形更好?

(原文件名:SNAG-0000.jpg)



【108楼】 gzhuli 咕唧霖
关于并了10K Rgs后的尖峰,我怀疑是试验板布线的问题,是555到IRFZ48N之间的线路寄生电感造成的。
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这个电路无论是稳定性与抗干扰性都很好。就算用手指碰到电路,也没有多大的影响。

所以,我感觉布线问题影响不大。

再说,我是使用OK线搭线焊接的,寄生电感或电容应该能忽略。
发表于 2009-9-17 19:24:38 | 显示全部楼层
我也赞同107楼观点,MOSFET的驱动电压并不是一定要12V,只要不是太高把它击穿就好,一般功率MOSFET推荐+15V ,-5V驱动的,不管上升沿还是下降沿,有点过冲是很正常的,没有关系的。
发表于 2009-9-17 19:26:40 | 显示全部楼层
【109楼】 armok 阿莫

也不是那个波形更好,只是有些需要快开的地方用那种波形更有优势~~~
发表于 2009-9-17 19:27:28 | 显示全部楼层
【99楼】 armok 阿莫,NE555输出引脚3脚到电源8脚之间接一个2K2的上拉电阻,测试结果来了,完全没有效果
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不好意思说漏了一个条件,就是R4需远大过R2才看到明显效果,试试改R4为100K应该就看出来了。
 楼主| 发表于 2009-9-17 19:29:08 | 显示全部楼层
IRFZ48N典型输出特性, 可以看出,10V已经OK,不需要12V。


(典型输出特性)

STATIC CHARACTERISTICS 静态特性: (25度条件下)
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Drain-source breakdown voltage 漏源击穿电压         : 55V (-55度时为50V)
Gate threshold voltage 栅极阈值电压                 :最小2V,典型3V,最大4V
Zero gate voltage drain current 零栅极电压时的漏电流: 典型0.05uA, 最大10uA(175度时500uA)
Gate source leakage current 栅源漏电流              : 典型0.02uA, 最大1uA(175度时20uA)
Gate-source breakdown voltage 栅源击穿电压          : 最小值16V
Drain-source on-state resistance 导通电阻           :典型12mΩ,最大16mΩ(175度时30mΩ).


可以看到,16V以上就可能产生击穿,损坏MOS管。所以,我在GS上并了一只15V的稳压管。

我编写过IRFZ48N的详细技术资料,请参考: http://www.ourdev.cn/bbs/bbs_content.jsp?bbs_sn=3578176&bbs_page_no=1&bbs_id=1027





MOS管的G极波形,有点过冲没有所谓。 但如果能在电路里,控制住这种过冲,并且使波形更完美,岂不更好?

目前我们的电路能控制到G极的波形如下,我是比较满意的。无论坛是上冲,或是下冲,均控制住了。


(原文件名:SNAG-0050.jpg)
发表于 2009-9-17 19:46:12 | 显示全部楼层
【109楼】 armok 阿莫
所以,我感觉布线问题影响不大。

再说,我是使用OK线搭线焊接的,寄生电感或电容应该能忽略。
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MOSFET的驱动电路属于大电流脉冲电路,布线非常关键,开关波形不好甚至振荡通常就是布线引起的。
栅极驱动电流就好几百mA的,电压上升率非常高;源极是栅极驱动和漏极负载电流共同的出口,开关过程的电流变化很复杂,高频分量很多的,寄生电感不能不考虑。
不过上升沿那个过冲脉冲不是振荡波形,问题不大的,只是咱们精益求精把它弄掉才顺眼点。



这个电路无论是稳定性与抗干扰性都很好。就算用手指碰到电路,也没有多大的影响。
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这么大电流的电路你用手随便碰当然是没事的,高阻的栅极都有10K的下拉电阻了,还能有什么干扰呢? :)
15K的频率不算高,布线不好影响的就是栅极和漏极的前后沿波形而已,对电路稳定性不会有太大的影响,可能EMI稍大而已。
发表于 2009-9-17 19:54:35 | 显示全部楼层
【105楼】 renren1231
管子的寄生电容Cgs是由于管子的内部结构造成的g,s极寄生一些电容,是不可避免的,几乎任何管子都带,只是Mos管和IGBT要大很多;Cgs大小就决定了管子的开关速度,所需驱动大小,等~~
如入电容除寄生电容Cgs,还包括布线早成的分布电容等,如果管子要有引线,最好gs驱动线要用双绞线~~~

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谢谢,mos管的等效模型我还算了解,只是我不了解为什么Cgs在这种驱动信号下会产生过冲,希望能详细了解一下,你有相关的资料也可以啊!谢了!
发表于 2009-9-17 19:56:52 | 显示全部楼层
【113楼】 armok 阿莫
MOS管的G极波形,有点过冲没有所谓。 但如果能在电路里,控制住这种过冲,并且使波形更完美,岂不更好?
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这个尖峰硬是用个稳压管把它砍平了也只是治标不治本的办法。
带来的问题就是功耗增加,10.2V稳压管上有0.5W的功耗,555也要承受50mA的输出电流,虽然在器件承受范围内,但是我觉得这个比波形问题更不完美。 :)
发表于 2009-9-17 20:04:05 | 显示全部楼层
我也赞同107楼观点,MOSFET的驱动电压并不是一定要12V,只要不是太高把它击穿就好,有过冲是很正常,或更好。这里的MOSFET是开关作用,不是线性应用,只要保证在开关过渡区快度切换即可,至天在高、低电平时的电压是可以不必太讲究,只要远离MOSFET的阀值电压即可。
上升沿的过冲其实不叫过冲,是555的输出结构决定输出高电平稳态时比电源电源小1.4V左右,而上升的瞬间由于内部输出管的结电容关系会有个尖端输出,配合MOSFET的CGS就变成一个小三角形,可以不必理会。
下降沿的过冲会估计是分布电感影响,与VGS形成串联谐振,但由于Q值较小,很快就衰减掉,也不必理会。

需要理会的是光耦输出不能驱动MOSFET,驱动力不足,波型将会很难看。可借助555当作一级放大,如图:

(原文件名:ourdev_481877.jpg)
 楼主| 发表于 2009-9-17 20:35:54 | 显示全部楼层
【117楼】 cowboy
需要理会的是光耦输出不能驱动MOSFET,驱动力不足,波型将会很难看。可借助555当作一级放大,如图:
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建议非常好。一定测试 :)
发表于 2009-9-17 20:54:39 | 显示全部楼层
需要注意的是,由于555为反相缓冲,因而光耦和R8的位置需换回来,以确保MOSFET在常态时是关闭。SW1的1、2脚引线不能太长或需屏蔽,以免受干扰引起PWM频率抖动。
发表于 2009-9-17 21:23:03 | 显示全部楼层
Mark
 楼主| 发表于 2009-9-17 21:50:19 | 显示全部楼层
开始高度光耦部分,先研究一下数据手册及主要参数:

点击此处下载官方数据手册: ourdev_482002.pdf(文件大小:613K) (原文件名:4N26.pdf)



(原文件名:SNAG-0004.jpg)


(原文件名:SNAG-0005.jpg)

The general purpose optocouplers consist of a gallium arsenide infrared emitting diode driving a silicon phototransistor in a 6-pin
dual in-line package

通用的光电耦合器,使用双排6脚封装,组成是由砷化镓发光二极管驱动硅光电晶体管。


ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS 绝对最大额定值
--------------------------------------------
Storage Temperature 存放温度: -55 to +150 摄氏度
Operating Temperature 工作温度: -55 to +100
Wave solder temperature 波峰焊接温度: 260 for 10 sec
Total Device Power Dissipation 总设备功率消耗 :250mW

DC/Average Forward Input Current 直流/平均正向输入电流: 正常60mA, 最大100mA
Reverse Input Voltage 反向输入电压: 6V
Forward Current - Peak (300μs)最大峰值电流: 3A
LED Power Dissipation 发光管功率消耗: 120mW, 最大150mW

Collector-Emitter Voltage 集电极发射极电压:30V
Collector-Base Voltage 集电极基极电压:70V
Emitter-Collector Voltage 发射极 集电极电压:7V
Detector Power Dissipation 晶体接收管功耗:150mW


ELECTRICAL CHARACTERISTICS 电气特性
----------------------------------------------
INDIVIDUAL COMPONENT CHARACTERISTICS 单个组件特征

EMITTER Input Forward Voltage (IF= 10 mA) 发射器正向压降: 典型1.18,最大1.5V。
Reverse Leakage Current 反向漏电流 (VR= 6.0 V): 典型 0.001uA ,最大10uA
Collector-Emitter Breakdown Voltage 集电极发射极击穿电压 : 最小30V,典型100V
Collector-Base Breakdown Voltage 集电极基级击穿电压:最小70V,典型120V。
Emitter-Collector Breakdown Voltage 发射极集电极击穿电压 : 最小7V,典型10V


(原文件名:SNAG-0006.jpg)
 楼主| 发表于 2009-9-17 22:32:37 | 显示全部楼层
按【117楼】 cowboy 的建议,重新修正在电路图:


(原文件名:SNAG-0012.jpg)
发表于 2009-9-17 22:56:30 | 显示全部楼层
光耦这样接就像样了。HC14可以去掉,光耦的输入可以加个微分电路,因为光耦的延时比较大,影响最小占空比
 楼主| 发表于 2009-9-17 23:14:30 | 显示全部楼层
【123楼】 homemyc
光耦这样接就像样了。HC14可以去掉
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HC14不能去掉。因为需要接收来自PC并口的PWM信号。 在送到这块板进行处理前,需要用HC14进行波形修正。
发表于 2009-9-17 23:23:25 | 显示全部楼层
HC14不能去掉。因为需要接收来自PC并口的PWM信号。 在送到这块板进行处理前,需要用HC14进行波形修正。
=============
按照现在的接法,波形修正已经交给555去完成,去掉HC14没有影响
发表于 2009-9-17 23:26:49 | 显示全部楼层
把HC14去掉,然后按117楼那个图的光耦接法,光耦可以工作在更高的频率
 楼主| 发表于 2009-9-17 23:28:47 | 显示全部楼层
拨动开关SW1, 测量得 PC PWM (用 Agilent 33220A 信号发生器模拟) 与 NE555 手动调整的波形:


PC PWM (原文件名:SNAG-0010.jpg)


NE555手动调整 (原文件名:SNAG-0011.jpg)
 楼主| 发表于 2009-9-17 23:31:34 | 显示全部楼层
【125楼】 homemyc
按照现在的接法,波形修正已经交给555去完成,去掉HC14没有影响
把HC14去掉,然后按117楼那个图的光耦接法,光耦可以工作在更高的频率
----------------------------
你是说用PC的PWM信号,直接去驱动光偶4N26?

PC的并口信号比较弱的,并且传输中可能带有干扰,不推荐这样使用吧。
发表于 2009-9-18 00:09:17 | 显示全部楼层
PC的并口信号比较弱的,并且传输中可能带有干扰,不推荐这样使用吧。
=============================================================
驱动个发光二极管还是够的,而且光耦输入的抗干扰能力明显比HC14强。
还有,如果要用光耦更换相位非常简单,不用加一串HC14,只要把发光二级管接上接下就可以交换。
发表于 2009-9-18 00:11:46 | 显示全部楼层
如果把HC14接在光耦后面,555前,127楼的问题可以解决
发表于 2009-9-18 00:18:35 | 显示全部楼层
发个高速光耦6N137的PDF,第一页里有内部原理图,看看人家是怎样处理信号的,应该有参考价值。点击此处下载 ourdev_482057.pdf(文件大小:198K) (原文件名:6N137.pdf)
 楼主| 发表于 2009-9-18 00:45:46 | 显示全部楼层
【129楼】 homemyc
驱动个发光二极管还是够的,而且光耦输入的抗干扰能力明显比HC14强。
还有,如果要用光耦更换相位非常简单,不用加一串HC14,只要把发光二级管接上接下就可以交换。
-----------------------------------
PC并口是不推荐驱动需要功率的零件的。不同的PC机,并口的驱动能力并不同。 比如手提电脑一般会较少,而台式机的驱动力会较强。

所以,接入一级HC14是基于可靠性考虑。

明天我会详细测试一下 PC 软件的PWM主轴输出特性。
发表于 2009-9-18 00:57:32 | 显示全部楼层
【133楼】 armok 阿莫
PC并口是不推荐驱动需要功率的零件的。不同的PC机,并口的驱动能力并不同。 比如手提电脑一般会较少,而台式机的驱动力会较强。

所以,接入一级HC14是基于可靠性考虑。
===========================================
还是莫老大态度严谨。不过是教科书上的理论。
为了保证通讯的可靠,所有的并口都有长线驱动输出,所以驱动发光二极管没有问题。
当并口作为真正的并口使用时,它考虑的驱动能力是针对容性负荷,如何保证10M/S信号不失真.
我们这里是特殊应用,频率也只是15K。
当然,加上HC14也无碍的。
发表于 2009-9-18 01:13:52 | 显示全部楼层
【117楼】 cowboy
上升沿的过冲其实不叫过冲,是555的输出结构决定输出高电平稳态时比电源电源小1.4V左右,而上升的瞬间由于内部输出管的结电容关系会有个尖端输出,配合MOSFET的CGS就变成一个小三角形,可以不必理会。
---------------------------------

cowboy所言极是,应是由555输出端口结构导致输出高电平瞬间可以将电平驱动到电源电压,但是该端口在Vcc-1.4v的范围内,驱动能力是极其微弱的,所以外加一个电阻就可以把它拉下来了。不加电阻,没有对地通路,则电压可一直维持,约等于电源电压。


(原文件名:555drv.JPG)
发表于 2009-9-18 02:11:54 | 显示全部楼层
【135楼】 xmysz
cowboy所言极是,应是由555输出端口结构导致输出高电平瞬间可以将电平驱动到电源电压,但是该端口在Vcc-1.4v的范围内,驱动能力是极其微弱的,所以外加一个电阻就可以把它拉下来了。
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这个结构在没有Rgs的时候是能把栅极推到Vcc,因为Cgs充电到接近Vcc时电流趋于0。问题是Rgs一直在那的时候,还能推到Vcc再被Rgs拉下来吗?
发表于 2009-9-18 05:20:34 | 显示全部楼层
【136楼】 gzhuli 咕唧霖
这个结构在没有Rgs的时候是能把栅极推到Vcc,因为Cgs充电到接近Vcc时电流趋于0。问题是Rgs一直在那的时候,还能推到Vcc再被Rgs拉下来吗?  
--------------------------------

我是这样理解的,当555的输出端电压上升到比较高时,三极管的结电容形成交流通路仍然有效,对外充电,只要这个电流大于Rgs的放电电流,就可以使电压上升到接近VCC。

我在pspice里没有找到555的库,就随便搭了个电路试验一下,请一起分析看看:

1.阿莫一开始的电路图:


(原文件名:555DRV.GIF)

2.没有下拉电阻的仿真波形:


(原文件名:WAVE.GIF)

3.有下拉电阻的仿真波形:


(原文件名:WAVE_R.GIF)
发表于 2009-9-18 05:23:08 | 显示全部楼层
4.把mos管去掉,改为一个对地电容的电路:


(原文件名:555DRV_C.GIF)

5.无下拉电阻时的波形:


(原文件名:WAVE_C.GIF)

6.有下拉电阻时的波形:


(原文件名:WAVE_RC.GIF)
发表于 2009-9-18 05:27:19 | 显示全部楼层
7.为了验证该驱动电路的驱动能力,又将电路改为驱动阻性负载,电路如下:


(原文件名:555DRV_R.GIF)

8.当负载电阻为100M时的波形:


(原文件名:WAVE_R100MEG.GIF)

9.为1M时的波形:


(原文件名:WAVE_R1MEG.GIF)


10.为10k时的波形:


(原文件名:WAVE_R10K.GIF)

11.为1k时的波形:


(原文件名:WAVE_R1K.GIF)
发表于 2009-9-18 05:43:56 | 显示全部楼层
从7-11张图可以看出,该驱动电路的驱动能力在略小于Vcc时的确是很差的,但比Vcc小得多一点的时候驱动能力就强多了。

我在137楼的解释固然说得通,但与仿真不符,看图3和图10,都是接10K下拉电阻,图3多了个2000p的电容,图10没有电容,在高电平的平坦部分,二者电压相同,这点好理解,但图3多个尖峰,如果按我的解释,没有电容的电路应该充得更高,但会拉低得更快,但是实际上并没有。

也就是咕噜林的怀疑是有道理的,具体什么原因我也不清楚了,只提出一点可能性,就是仿真的精度可能不够高,太窄的尖峰没有体现出来,请指正!
 楼主| 发表于 2009-9-18 08:47:19 | 显示全部楼层
上面【138楼】 xmysz 仿真出的尖脉冲波形,看来很可能就是我上面测试出的波形的原因。
 楼主| 发表于 2009-9-18 08:49:08 | 显示全部楼层
【134楼】 homemyc
还是莫老大态度严谨。不过是教科书上的理论。
-------------------------
如果在实际中能通过,但在教科书上的理论上通过不了,我不会使用。

理论都过不了,实际应用能过,很可能表明它是一种不稳定的设计,在某些极限情况下可能会出问题。
发表于 2009-9-18 09:06:44 | 显示全部楼层
我到是觉得有时候脉冲的前后沿有时当过冲,可以加快驱动管的导通截止速度,减少发热
发表于 2009-9-18 09:33:54 | 显示全部楼层
【140楼】 xmysz 你找找你的仿真电路和我的有何不同,就知道什么原因不接电容时看不到过冲。实测NE555输出波形与仿真一致,可见这其实并不叫过冲,是内部输出管的压降,而那个尖尖是良性的,不会引起不良作用。

(原文件名:未命名.PNG)
 楼主| 发表于 2009-9-18 09:35:41 | 显示全部楼层
【143楼】 ly800608 猎人
我到是觉得有时候脉冲的前后沿有时当过冲,可以加快驱动管的导通截止速度,减少发热
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你真乐观。像一个小孩掉到茅坑里,仍开心的将屎当作玩具。

如果这两个前后过冲是自己的电路控制产生的,可以说得过去。现在却不是这种情况。
发表于 2009-9-18 09:40:18 | 显示全部楼层
一会出差走了,要几天,不能跟进了~
兄弟们加油啊
发表于 2009-9-18 09:53:23 | 显示全部楼层
我也用PROTEUS仿真过,按138楼的图,发现改变R2和R1都可以减轻或消除尖峰的出现,机理未清。
发表于 2009-9-18 09:58:59 | 显示全部楼层
说起乐观,莫老大很多时候可别我乐观多了!哈


【145楼】 armok 阿莫

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【143楼】 ly800608 猎人
我到是觉得有时候脉冲的前后沿有时当过冲,可以加快驱动管的导通截止速度,减少发热
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你真乐观。像一个小孩掉到茅坑里,仍开心的将屎当作玩具。

如果这两个前后过冲是自己的电路控制产生的,可以说得过去。现在却不是这种情况。


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 楼主| 发表于 2009-9-18 10:05:51 | 显示全部楼层
【146楼】 renren1231
一会出差走了,要几天,不能跟进了~
兄弟们加油啊
-------------------
谢谢。我们会继续努力。
发表于 2009-9-18 10:06:17 | 显示全部楼层
我想这个尖峰的原因是:由于C1的存在,加上Q1的Cbe,Q4的Cbc,在由于R1比较小,PWM信号源通过这些电容直接给C1充电,使Q2在脉冲沿上升期间获得一个比较大的启动电流,Q2瞬间完全导通,在C1上产生尖峰,当这个充电电流消失后,处于稳态的高电平,由于Q1、Q2工作在射级输出,跟VCC有1.4V左右的压差。
如果把R2减少到100欧,由于电阻的分流作用,Q2不能瞬间完全导通,C1上无尖峰产生。
如果把R1加大到10K,由于充电电流较小,尖峰已经基本看不到。
这个理论好像是对的吧?
发表于 2009-9-18 10:09:57 | 显示全部楼层
还有,如果有C1的存在,可以看到输入信号的下降沿产生畸变,由原来的斜线变为弧线,明显是电容充电造成的。
发表于 2009-9-18 10:13:27 | 显示全部楼层
由于555内部电路不可以调整,看来只有阿莫的10V稳压管钳位法解决了。
 楼主| 发表于 2009-9-18 10:19:57 | 显示全部楼层
继续向前推进。

开始正式接入到PC机,用 mach 2 软件进行测试。

以下是我们目前使用的线路图。 该图在输入高电平时, 或没有接输入时,电机是不转的。接入低电平时,电机会全速转动。


(注:G极前的10K电阻已经取消)

让我们看一下电脑并口的图纸:P2-P9,P16 在缺省时,会输出高电平。 所以,均可以使用在我们的这个线路上。

我们的雕刻机备用的接口线是: P1,P8,P9,P16,P17 ,一般P8,P9 用于四轴,看来只有P16可用了。(P1是输入脚,不适合)。




图1:电脑侧打印口示意图 (原文件名:200832573749798.jpg)





并口彩图 (原文件名:Ppdb25.png)


附:我们的雕刻机目前的线路图。


(原文件名:SNAG-0014.jpg)
发表于 2009-9-18 10:24:47 | 显示全部楼层
接在IRFZ48的G极的下拉电阻其实是画蛇添足,去掉它就没有这个问题。
 楼主| 发表于 2009-9-18 10:27:22 | 显示全部楼层
【154楼】 homemyc
接在IRFZ48的G极的下拉电阻其实是画蛇添足,去掉它就没有这个问题。
-----------------------------
这个10K的下拉电阻,90%人都说需要的。

其实我也感觉应该去掉这个下拉电阻,因为在低电平时,NE555能很好的吸纳CGS积聚的电荷。这个问题大家继续PK。
发表于 2009-9-18 10:33:23 | 显示全部楼层
【154楼】 homemyc
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        接在IRFZ48的G极的下拉电阻其实是画蛇添足,去掉它就没有这个问题。

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支持
发表于 2009-9-18 10:37:06 | 显示全部楼层
这个下拉电阻的作用是提高MOS的抗干扰能力,针对那些VGSTH偏低的MOS,不是要吸纳CGS的电荷。555有200MA的驱动能力,还靠这个10K电阻吸纳?
对于IRFZ48N来说,VGSTH大概4V,NE555的低电平可以达到零点几负,所以10K下拉电阻可用可不用。
发表于 2009-9-18 10:45:06 | 显示全部楼层
阿莫有没有想过用专用的直流调速IC,建议采用GS069这款IC,GS069是COMS专用IC,具有电源电压范围宽,功耗小,抗干扰能力强等特点,通过外接电位器,改变与之相接的VMOS管的输出,达到控制转速的作用,该电路输出幅值宽,频率变化小,占空比可变,输出电流大。





ourdev_482145.pdf(文件大小:14K) (原文件名:GS069.pdf)
 楼主| 发表于 2009-9-18 10:59:50 | 显示全部楼层
上面 homemyc 是的后期加入这个讨论的,所以,可能不知道我们这个电路的演变过程。

原来的电路是:


(原文件名:SNAG-0016.jpg)


现在的电路是:


(原文件名:SNAG-0015.jpg)


现在的电路由于 NE555的3脚总是已经很可靠的与G极连接在一起,所以,10K电阻真的能省掉了。

决定下一个电路将10K电阻去掉。



【158楼】 huaxiachenfu
阿莫有没有想过用专用的直流调速IC
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没有。并且这台机会坚持不使用单片机。
我会尽量使用大家能买得到的常用芯片搭建这个开源项目。 我们才能走得更远,让更多的人接受。
发表于 2009-9-18 11:09:44 | 显示全部楼层
【158楼】 huaxiachenfu  
阿莫有没有想过用专用的直流调速IC
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没有。并且这台机会坚持不使用单片机。
我会尽量使用大家能买得到的常用芯片搭建这个开源项目。 我们才能走得更远,让更多的人接受。



这个芯片的价格是平民价,只要5毛左右,其实这个芯片是555的专用型,用于直流电动工具上的。
 楼主| 发表于 2009-9-18 11:17:42 | 显示全部楼层
【160楼】 huaxiachenfu
这个芯片的价格是平民价,只要5毛左右,其实这个芯片是555的专用型,用于直流电动工具上的。
-----------------------
价格不是主要因素。如果要低价格,我们可能整机使用一片AVR32就行了。 更省钱。

逻辑部分我们是使用通用的HC数字芯片,就是出于这个考虑。迟些在书店看到我们出版的书,你就会领悟我们这样做的目的了。
 楼主| 发表于 2009-9-18 11:38:49 | 显示全部楼层
先将 mach2 的配置表描述一下:


windows 的资源管理器看到的并口配置

mach 软件能支持两只并口。


端口设置与轴选择

我们只需要X,Y,Z限位及急停输入


输入信号

根据上面的接口电路图,设置输入脚的分配:


输入脚分配

我们只用到一个使能:


输出信号

根据上面的接口电路图,设置输出脚的分配:


输出脚分配

PWM的频率并口下,最大只能是4166Hz, 与我们期望的15K有点差距。不过不影响使用。

留意“带轮比例3”,我们的电机转速是10000转,这里就填写10000转。 它表示两点:

   1. 下图中的:“软件界面上手工控制主轴的功能”,手工输入如果超过10000转在启动时,会提示出错:Wrong Pulley for selected speed.
      如果以低于1万转启动,再手工调大超过10000转,会显示警告,但不停止主轴:Speed limit of pulley.

   2. 10000转时输出PWM信号已经是最大值。有趣的是,它会直接输出一个低电平,不再是PWM 。 再向上调大速度,也不会有变化。

再说明一下:电脑并口出来的PWM信号,是反相的。即占空比越低,速度反而越快。低至0%即完全低电平时,是最快速度。


逻辑配置

“主轴顺时针F5”可以手工启动主轴(前提是下图的急停处于可用状态)。
S- 与S+ 按中间的数字增加或减小转速。


软件界面上手工控制主轴的功能

在我们的设计中,X,Y,Z六只限位开关任一只被触发,或电脑软件的急停,或机箱上的急停按键,均能让主轴停止。


如果急停了,主轴的信号就停止输出
发表于 2009-9-18 12:15:44 | 显示全部楼层
未用过mach2,请问带轮1~4号各代表什么?
 楼主| 发表于 2009-9-18 12:32:43 | 显示全部楼层
【163楼】 kalo
未用过mach2,请问带轮1~4号各代表什么?
-----------------------------------------
带轮比例你可以理解成主轴有皮带连接不同比例的齿轮获得不同的速度。
也可以理解成变频主轴有几个不同的输出速度端子。
可以简易的理解成: 它只是记录几个预设的参数,方便你随时调节,不需要再靠人工记忆。




继续用示波器测量并口的输出信号:

S=0至1666时,并口没有波形输出,是高电平,即主轴电机是停转的。


(S=0至1666时,并口没有波形输出,是高电平,即主轴电机是停转的)

S=1667后,开始有PWM波形输出。以下为 S=1700的波形。


(S=1667后,开始有PWM波形输出。此为 S=1700的波形)




输入S=3000时,



(输入S=3000时)

S=7000时:


(S=7000)


S=9000时:


(原文件名:SNAG-0020.jpg)

S=9999时:


(S=9999)

S=10000 及高于10000转时:

(S=10000 及高于10000转)
发表于 2009-9-18 12:54:10 | 显示全部楼层
1700和3000、9000和9999的占空比是一样的?电脑输出和转速计测的相差大吗?
 楼主| 发表于 2009-9-18 12:56:02 | 显示全部楼层
再来测试IRFZ48N 的G极上的波形(已经去掉了10KGS电阻):


(原文件名:SNAG-0030.jpg)


S=0至1666时。主轴电机是停转的。


(S=0至1666时。主轴电机是停转的)


S=1667后,开始有PWM波形输出。

(S=1667后,开始有PWM波形输出。)


输入S=3000时,


(输入S=3000)


S=7000时:


(S=7000)





S=9000时:


(S=9000)



S=9999时:


(S=9999)




S=10000 及高于10000转时:


(S=10000 及高于10000转)
 楼主| 发表于 2009-9-18 13:10:48 | 显示全部楼层
165楼】 kalo
1700和3000、9000和9999的占空比是一样的?电脑输出和转速计测的相差大吗?
--------------------------
下午我还有更详细的测试。

电脑输出与转速计测试的没有任何的关系。这是一个开环的控制,无法精确控制电机的转速,到时我们会制作一个对照表,比如你需要实际上的5000转,对应电脑上的S值是多少。 不过,这只是一个理论性的数据,因为负载不同情况会不同。 实际应用中,知道大概就行了。
 楼主| 发表于 2009-9-18 16:36:08 | 显示全部楼层

(原文件名:01 电机与调整电路,留意电机主轴旁边的顶柱可以加装测试负载弹片.jpg)

(原文件名:02 调速板.jpg)
发表于 2009-9-18 16:37:08 | 显示全部楼层
看来mach的主轴PWM只有6级细分:核心速度25000Hz,PWM频率4166Hz,25000 / 4166 = 6。
发表于 2009-9-18 16:52:18 | 显示全部楼层
【169楼】 gzhuli 咕唧霖
看来mach的主轴PWM只有6级细分:核心速度25000Hz,PWM频率4166Hz,25000 / 4166 = 6。  
=========
这样就可以解释为什么“1700和3000、9000和9999的占空比是一样”的问题。   
阿莫试试45000Hz,45000 / 6=7500
发表于 2009-9-18 16:56:48 | 显示全部楼层
【170楼】 kalo
这样就可以解释为什么“1700和3000、9000和9999的占空比是一样”的问题。
----------------------------------
是的,应该就是0-1666/1667-3333/3334-4999/5000-6666/6667-8333/8334-9999 6档,因此1700/3000、9000/9999其实都是同一档。
 楼主| 发表于 2009-9-18 16:58:55 | 显示全部楼层
169楼】 gzhuli 咕唧霖
看来mach的主轴PWM只有6级细分:核心速度25000Hz,PWM频率4166Hz,25000 / 4166 = 6。
-------------------------------
我试过将核心速度调到35000HZ, 发现它的最大频率仍是4166. 该如何解释?
发表于 2009-9-18 17:32:27 | 显示全部楼层
【172楼】 armok 阿莫
-----
169楼】 gzhuli 咕唧霖
看来mach的主轴PWM只有6级细分:核心速度25000Hz,PWM频率4166Hz,25000 / 4166 = 6。
-------------------------------
我试过将核心速度调到35000HZ, 发现它的最大频率仍是4166. 该如何解释?
======
档数多了?
35000/4166=8
45000/4166=10
 楼主| 发表于 2009-9-18 17:51:17 | 显示全部楼层
刚测试完电源, maxtrix MPS-6005L 可以将电压调到24V, 就改用它测试了。以便跟我们的雕刻机主轴电压一致。

刚发的帖子:
我在开发雕刻机线路时,使用到了三款电源 (图)



【173楼】 kalo
档数多了?
35000/4166=8
45000/4166=10
----------------------
很有可能。我准备测试啦。。。
 楼主| 发表于 2009-9-18 18:25:31 | 显示全部楼层
先测试25000HZ核心速度

S值         实测转速          占空比(已经反相处理)
-------------------------------------------------
1-1666          0                   0
1667-3333    6122                 28%
3334-4999    7926                 43%
5000-6666    8720                 57%
667-8333     9223                 72%
8334-9999    9610                 87%
10000以上   10020                100%




测试 35000与45000HZ核心速度,发现结果仍是一样,仍是六档。

(据说也有可能是mach的某些盗版版本,不能设置核心速度。就算设置了也不生效。)
 楼主| 发表于 2009-9-18 18:36:47 | 显示全部楼层
上面175楼的测试结果比较别人失望,因为只能从6000转调整到10000转。

与我之前做的测试一致,即需要15K左右的频率,才能将它的速度平均。


(原文件名:RPM-DC.PNG)





虽然电脑上显示的PWM频率是4166,但我用示波器实测,是5.77K,如果我们用一些线路,将它3倍频后,应该是17.31K。

为了验证它能达到什么调速范围,我使用了 Agilent 33220A 函数发生器,产生17.31K的PWM波形进行测试。

5.77K的2倍频11.54K
占空比           实则速度
-------------------------------------------------
0                    0
28%               4410
43%               6540
57%               7810
72%               8660
87%               9240
100%             10020


5.77K的3倍频17.31K
占空比           实则速度
-------------------------------------------------
0                    0
28%               3500
43%               5720
57%               7150
72%               8070
87%               8830
100%             10020

5.77K的4倍频23K
占空比           实则速度
-------------------------------------------------
0                    0
28%               2750
43%               5020
57%               6520
72%               7720
87%               8650
100%             10020

5.77K的8倍频46.16K
占空比           实则速度
-------------------------------------------------
0                    0
28%                900
43%               2910
57%               4750
72%               6500
87%              10020
100%             10020

从上面的数据看出,4倍频23K后的电机六档控制参数最好。

现在需要找出一个有效的方法: 可以将PC PWM 4倍频,但保留它的占空比。看来要请高手出马了。
.
发表于 2009-9-18 19:08:12 | 显示全部楼层
国产的电位器很难买到好的,不出一个月,就会接触不良。应该采用日本ALPS的电位器,寿命超长。不然以后真的很烦。
发表于 2009-9-18 19:16:12 | 显示全部楼层
没什么贡献,贴个图吧。


(原文件名:RPM for PC PWM.PNG)
 楼主| 发表于 2009-9-18 20:15:30 | 显示全部楼层
谢谢。

明天再测试一下 mach 3, 看看它能不能输出更多的主轴速度。

再看一下 mach 2 有没有配置文件修改它的六个档的频率范围。
发表于 2009-9-18 20:31:15 | 显示全部楼层
176楼,我是高手,出马了。如果坚持用硬件,你先把PWM占空变直流,再用这直流电压控制17K的另一个PWM
 楼主| 发表于 2009-9-18 20:56:04 | 显示全部楼层
【180楼】 mimawangle :
176楼,我是高手,出马了。如果坚持用硬件,你先把PWM占空变直流,再用这直流电压控制17K的另一个PWM
-------------------------
思路不错。

有完整的线路吗? 我明天可以测试 :)
发表于 2009-9-18 21:02:35 | 显示全部楼层
看看,做个记号
 楼主| 发表于 2009-9-18 21:16:07 | 显示全部楼层
如果没有人能提出4倍频的纯硬件方案,这个讨论已经终结。

我已经安排同事准备将166楼的电路更新到目前的雕刻机PCB板上,三天后就能完成打样。

到时的参数就标注为:编程G代码时可以做到6000-10000转,如果手工控制,可以做到1250-10000转。






看来锁相环倍频,是一个解决思路。。。正在找资料。。
发表于 2009-9-18 22:12:14 | 显示全部楼层
这个好像用TLC494做会好些
发表于 2009-9-18 23:20:40 | 显示全部楼层
为什么不采用专门产生PWM的芯片呢?那样频率可以很高啦
发表于 2009-9-19 00:56:54 | 显示全部楼层
别找锁相环了,方向不对,锁相环只能改变频率,但不能处理占空比。
别忘了万能的555,她与比较器可以完成这个使命。如果阿莫有兴趣可以试试下面电路,软件仿真通过。
NE555组成17KHz三角波发生器,U2A与U2B组成双向限幅器,把输入的4.3KHz PWM信号变成3.6~7.2V的矩形波,通过R7、C1波除PWM保留直流成分,再与555产生的三角波(也是3.6~7.2V)进行比较,还原成17KHz的PWM信号,占空比与输入一致(有小许线性误差)。

(原文件名:4Kto17K.PNG)
 楼主| 发表于 2009-9-19 01:04:08 | 显示全部楼层
【186楼】 cowboy
--------------------
谢谢啊。

LM324代替 TLC339 应该没有问题吧。我手上只有它 :)
发表于 2009-9-19 01:19:44 | 显示全部楼层
TLC339是比较器,管脚与LM324不兼容。
发表于 2009-9-19 01:35:57 | 显示全部楼层
【144楼】 cowboy

xmysz 你找找你的仿真电路和我的有何不同,就知道什么原因不接电容时看不到过冲。实测NE555输出波形与仿真一致,可见这其实并不叫过冲,是内部输出管的压降,而那个尖尖是良性的,不会引起不良作用。
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cowboy真是高手,是我把电路接错了,那个100欧的电阻其实在555正常工作时是不起作用的,我看它的说明书看晃眼了,以为是接地的。

现在把100欧电阻去掉,负载不接电容,直接10k下拉电阻,的确就出来正确的波形了:


(原文件名:wave_r.GIF)


即负载电容越小,输出被拉低到Vcc-1.4V的时间就更快。这样就可以回答咕噜林在136楼的质疑了。
 楼主| 发表于 2009-9-19 02:13:01 | 显示全部楼层
【188楼】 su_mj000
TLC339是比较器,管脚与LM324不兼容。
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查了一下数据手册,的确发现不一样,功能与性能与不一样。

点击此处下载 ourdev_482461.pdf(文件大小:144K) (原文件名:LM324.pdf)

点击此处下载 ourdev_482462.pdf(文件大小:260K) (原文件名:TLC339.pdf)
 楼主| 发表于 2009-9-19 07:37:16 | 显示全部楼层
【189楼】 xmysz
cowboy真是高手,是我把电路接错了,
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cowboy 的确是高手。

我已经将 cowboy 任命为电子理论与电子零件的版主 :)
发表于 2009-9-19 09:22:06 | 显示全部楼层
【191楼】 armok 阿莫,不敢当啊,都是些小打小闹的三脚猫功夫,让人见笑了.趁着人少少超快撤回吧!
 楼主| 发表于 2009-9-19 09:28:57 | 显示全部楼层
【192楼】 cowboy
【191楼】 armok 阿莫,不敢当啊,都是些小打小闹的三脚猫功夫,让人见笑了.趁着人少少超快撤回吧!
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呵,你当之无愧 :)

gzhuli 咕唧霖也很强。一并任命成版主 :)
发表于 2009-9-19 09:47:59 | 显示全部楼层
马克
 楼主| 发表于 2009-9-19 10:06:20 | 显示全部楼层
TLC339市场上应该比较难买。 用LM339代替,同样是四比较器。功耗稍大一点:

点击此处下载 ourdev_482511.pdf(文件大小:128K) (原文件名:LM339.pdf)

管脚也完全兼容。


这段文字表明两个芯片是兼容的。


The TLC139/TLC339 consists of four independent differential-voltage comparators designed to operate from a single supply. It is functionally similar to the LM139/LM339 family but uses 1/20th the power for similar response times.
 楼主| 发表于 2009-9-19 11:04:54 | 显示全部楼层
LM339市场上有ST国内生产据说也是原装的,及国半进口。两者差价是4倍。

各买了50只测试。
发表于 2009-9-19 11:14:14 | 显示全部楼层
cowboy和咕噜林的确都是令人敬佩的高手,当之无愧!
发表于 2009-9-19 11:44:21 | 显示全部楼层
修正【186楼】电路的一个错误,原图TLC393的4脚和2脚相连,应改为4脚与6脚相连。
电路本来就是用LM393,但LM393不能仿真,才用了TLC393代替,两者通用。但LM324速度就不够了,用高速一些的TL084就可以,不过输出结构不同(比较器是开漏输出),电路要稍作改动。
输入的PWM占空比快速度改时,输出PWM占空比不能马上响应过来,需要0.5S左右,这个与R7、C1时间常数有关。
输出PWM频率与R5、R6、C2有关,与输入PWM频率无关。
下面是仿真到的波形。输入为50% duty PWM,黄线为限幅后的波形,蓝线为PWM的直流平均值,红线是555产生的准三角波,绿线是输出。

(原文件名:未命名.PNG)
 楼主| 发表于 2009-9-19 12:07:08 | 显示全部楼层
【198楼】 cowboy :
修正【186楼】电路的一个错误,原图TLC393的4脚和2脚相连,应改为4脚与6脚相连。
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谢谢。 能再校对一下上面的图,然后出一个最新版本? 特别注意掉两线相交时的,是否有点。
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