【正文】 ............. 39 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 1 1 概述 課題背景與研究意義 直流電機(jī)具有線性機(jī)械特性優(yōu)秀、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大、調(diào)速范圍寬、控制電路結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。在各種驅(qū)動(dòng)裝置和伺服系統(tǒng)中都廣泛使用直流電機(jī)，但是直流電機(jī)的換向器和電刷是電機(jī)更好發(fā)展的一個(gè)阻礙。在直流電機(jī)中，機(jī)械的電刷和換向器因強(qiáng)迫性接觸，導(dǎo)致其可靠性差、接觸電阻變化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、噪聲等問題影響直流電動(dòng)機(jī) 的調(diào)速精度和性能。因此，長久以來，人們都圍繞這些方面研究，以求解決根本問題。 通過這些年的研究和探索，隨著電子技術(shù)的進(jìn)步和新型材料的出現(xiàn)，無刷直流電動(dòng)機(jī)終于問世了。 無刷直流電動(dòng)機(jī)用電子的換向器代替了機(jī)械的換向器和電刷，優(yōu)越了電機(jī)的性能，同時(shí)保留了直流電動(dòng)機(jī)的種種優(yōu)點(diǎn)，所以它一經(jīng)問世就得到了迅速發(fā)展和普及應(yīng)用。近年來，各個(gè)國家關(guān)于直流無刷電動(dòng)機(jī)的研究都十分活躍。我國稀土資源十分豐富，采用永磁材料激磁以及高性能稀土永磁材料，可很大程度上提高電機(jī)效率，縮小電動(dòng)機(jī)體積。 MC33035 是安森美半導(dǎo)體推出的第二代無 刷直流電機(jī)的專用控制器，其中包括了實(shí)現(xiàn)全新性能三相或四相電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)所需要的一切功能。 MC33035 中有一個(gè)用于確定換相順序的轉(zhuǎn)子位置譯碼器、可以向傳感器供電的溫度補(bǔ)償參考電壓、頻率可調(diào)式鋸齒波振蕩器、六個(gè) MOSFET 驅(qū)動(dòng)器。而 MC33039 是專門設(shè)計(jì)用于無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的高性能閉環(huán)速度控制適配器 ，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的速度調(diào)變同時(shí)不需要光電測(cè)速計(jì)。 MC33035 和 MC33039 配合使用，可簡單有效地用于速度閉環(huán)控制器中，具有以下特點(diǎn)： 工作性能穩(wěn)定平衡、保護(hù)功能完善、構(gòu)成的系統(tǒng)所需外圍電路簡潔明朗、抗干擾 能力較強(qiáng)等。 無刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況 在國外，直流無刷電機(jī)發(fā)展的初始階段，人們主要是通過改變電子器件和材料來達(dá)到提高無刷直流電機(jī)性能的目的?？墒窍冗M(jìn)的技術(shù)和材料也不能解決電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大這個(gè)問題。與此同時(shí)，人們又把對(duì)直流無刷電機(jī)研究的方向轉(zhuǎn)移到電子換向與智能控制這兩個(gè)方面，以求降低產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。在電子換向方面，主要分為：一是對(duì)電流的控制，二是對(duì)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)；關(guān)于控制電流一般采用穩(wěn)頻兩態(tài)和電流分時(shí)反饋，而對(duì)于轉(zhuǎn)子位置的感應(yīng)，一般方法是采用位置傳感器，為了減輕電路系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，國外的部分 專家提出了無位置傳感器法。尤其是在 1980 年， 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 2 等人提出了利用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行位置檢測(cè)，這種方法又叫“反電動(dòng)勢(shì)法”， 1990 年， 提出了續(xù)流二極管法：它是通過檢測(cè)反向并聯(lián)在驅(qū)動(dòng)功率管上的二極管的導(dǎo)通狀態(tài)來得出轉(zhuǎn)子的位置，以及一些學(xué)者于 1994年提出了基于定子磁鏈估計(jì)的檢測(cè)方法，通過相電壓、線電流信號(hào)計(jì)算出定子繞組各相的磁鏈，再根據(jù)磁鏈得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。這種方法雖然計(jì)算稍顯復(fù)雜，但是其優(yōu)點(diǎn)也很顯著，其誤差小、調(diào)速范圍廣，是一種比較理想的檢測(cè)方法，在當(dāng)時(shí)國 外已經(jīng)開始應(yīng)用于實(shí)踐和應(yīng)用中。 在永磁材料上，人們采用了釹鐵硼、杉鉆等新型永磁材料。在智能控制的研究方向上， 1984 年，美國通用電氣公司推出了一種先進(jìn)的智能電動(dòng)機(jī)，引起了國際上各方面的關(guān)注，其實(shí)這種電機(jī)是一種以微處理器作為控制核心的無刷直流電動(dòng)機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍，并且噪聲低，效率高，可實(shí)現(xiàn)一定程度的“智能”操作，它一經(jīng)問世就受到了廣泛的關(guān)注，產(chǎn)品初期用于吊扇，實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，然后逐步應(yīng)用于洗衣機(jī)、空調(diào)器和冰箱等各種家用電器設(shè)備，使這些家電完成了省電、多功能、自動(dòng)控制的工作。再后來，人們把無刷直流 電機(jī)應(yīng)用在電子精密設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備及汽車設(shè)備均取得了巨大的成果。進(jìn)入 90 年代后，隨著微處理器芯片性能的逐漸提高和智能控制理論的快速發(fā)展，國外開始采用 DSP 等微處理器作為控制核心單元，采用先進(jìn)的智能算法用于開發(fā)產(chǎn)品。 在直流無刷電機(jī)發(fā)展的同時(shí)，電子換向電路、驅(qū)動(dòng)電路和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路也隨著專用集成電路、微處理器、晶體管、傳感器等電路原器件的發(fā)展而迅速的發(fā)展，而MC33035 就是其專用集成電路中的重要產(chǎn)品，主要的適用于中小功率的無刷電機(jī)控制。 本文的主要研究內(nèi)容 本文的的主要研究內(nèi)容是：了解直流無刷電 動(dòng)機(jī)的基本組成，工作原理和控制方式；同時(shí)分析安森美 MC33035 專用控制器的特點(diǎn)和原理，分析其用于無刷電動(dòng)機(jī)控制的主要優(yōu)勢(shì)，再最后，重點(diǎn)學(xué)習(xí) MC33035 和 MC33039 相結(jié)合的方法，加上外圍的正反轉(zhuǎn)電路、堵轉(zhuǎn)保護(hù)電路等，設(shè)計(jì)出直流無刷電動(dòng)機(jī)的控制電路系統(tǒng)。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 3 2 直流無刷電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及基本工作原理 直流無刷電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 直流無刷永磁電動(dòng)機(jī)主要是由電動(dòng)機(jī)本體、電子開關(guān)線路和位置傳感器三部分組成。 電機(jī)本體的電樞繞組為三相星型連接，位置傳感器與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸，控制電路對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生控制信號(hào)，控制動(dòng)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后控制逆變器的功率開關(guān)管，使電機(jī)的各相繞組按一定的順序工作。 圖 21 無刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖 如圖 21 所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（順時(shí)針）到圖 a 所示的位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器，使 T T6 導(dǎo)通，即 A、 B 兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng) T1 流入 A 相繞組，再從 B 相繞組流出，經(jīng) T6 回到電源的負(fù)極，此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 4 當(dāng)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過 60 電角度， 到達(dá)圖 b 所示位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器，使 T T2 導(dǎo)通， A、 C 兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng) T1 流入 A 相繞組，再從 C 相繞組流出，經(jīng) T2 回到電源負(fù)極。此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。 轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過 60 電角度，逆變器開關(guān)就發(fā)生一次切換，功率開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯為 T T6— T T2— T T2— T T4— T T4— T T6— T T6。 在次期間，轉(zhuǎn)子始終受到順時(shí)針方向的電磁轉(zhuǎn)矩作用，沿順時(shí)針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。 轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過 60 電角度，定 子繞組就進(jìn)行一次換流，定子合成磁場(chǎng)的磁狀態(tài)就發(fā)生一次躍變。可見，電機(jī)有 6 種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導(dǎo)通，每相繞組的導(dǎo)通時(shí)間對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 120 電角度。無刷直流電動(dòng)機(jī)的這種工作方式叫兩相導(dǎo)通星型三相六狀態(tài)，這是無刷直流電動(dòng)機(jī)最常用的一種工作方式。 2．無刷直流電動(dòng)機(jī)與輸出開關(guān)管換流信號(hào) 無刷直流電動(dòng)機(jī)的位置一般采用三個(gè)在空間上相隔 120 電角度的霍爾位置傳感器進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)位于霍爾傳感器位置處的磁場(chǎng)極性發(fā)生變化時(shí)，傳感器的輸出電平將發(fā)生改變，由于三個(gè)霍爾傳感器位檢測(cè)元件的位置在空間上各差 120 電角度，因此從 這三個(gè)檢測(cè)元件輸出端可以獲得三個(gè)在時(shí)間上互差 120 度、寬度為 180 度的電平信號(hào)，分別用 A、 B、 C 來表示，如圖 23 所示，以信號(hào) A 為例， A 相位置寬度為 180電導(dǎo)角：在 060 度， T1 必須導(dǎo)通，故 T1 狀態(tài)為 1，而 C 相還剩下 60 度通電寬度，所以此段時(shí)間為 T1 和 T6 等于 1，（此時(shí)下部可供導(dǎo)通的管子為 T T6 和 T2，而為避免橋臂直通， T4 不能導(dǎo)通； T2 的導(dǎo)通時(shí)間未到，故只能是 T6 導(dǎo)通）；而在 60 度— 120 度，此時(shí)只有 A 相通電， B 和 C 相處于非導(dǎo)電期，故導(dǎo)通的開關(guān)管為 T1 和 T2（ T1 和 T2 等于 1），其中 T2 是為 B 相導(dǎo) 電作準(zhǔn)備；而在 120 度 — 180 度時(shí)，由于 每一相只有 120 電導(dǎo)角導(dǎo)電時(shí)間，故此時(shí) T1 關(guān)斷（ T1=0）， T2 仍然導(dǎo)通（ B 相開始進(jìn)入導(dǎo)電期），此時(shí)可知， T1 關(guān)斷， T5 不能開通（防止橋臂直通），則此時(shí)只能開通 T3，所以 T3 信號(hào)此時(shí)間段為 1。其他時(shí)間段的開關(guān)管導(dǎo)通情況與此類似。 理論上，只要保證三個(gè)位置傳感器在空間上互差 120度，開關(guān)管的換流時(shí)刻總是可以推算出來的。然而，為了簡化控制電路，每個(gè)霍爾傳感器的起始安裝位置在各自相繞組的基準(zhǔn)點(diǎn)（ r0=00）上 .那么在 r0=00的控制條件下， A相繞組開始通電的時(shí)刻（即該相反 電勢(shì)相位 30度位置）恰好與 A相位置傳感器輸出信號(hào) A的電平跳變時(shí)刻重合，此時(shí)應(yīng)將 T1開關(guān)管驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通。同理，其他開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)刻也可以按同樣方法確定。 本設(shè)計(jì)選用的是三相無刷永磁直流電動(dòng)機(jī)，其額定電壓 UH=36V,電樞額定電流IaH=,電樞峰值電流 IaP? 15A,額定轉(zhuǎn)速 nH=350r/min,額定功率 PH=250W。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 5 圖 22 無刷電動(dòng)機(jī)位置檢測(cè)及開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào) 表 21 無刷電動(dòng)機(jī)直流通電控制方式開關(guān)切換表 旋轉(zhuǎn)方向 位置傳感器 逆變橋開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào) A B C T1 T2 T3 T4 T5 T6 正轉(zhuǎn) 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 反轉(zhuǎn) 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 機(jī)械特性 無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為： 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 6 22 2 2 2S T a s T ee e e tU U r I U U rnTC C C C? ? ?? ? ?? ? ?? ? ? （ 21） TU 開關(guān)器件的管壓降 aI 電樞電流 eC 電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù) ?? 每級(jí)磁通量 可見無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與一般直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式相同，機(jī)械特性較硬。在不同的供電電壓驅(qū)動(dòng)下，可以得到如 24圖所示機(jī)械特性曲線簇。 圖 24 機(jī)械特性曲線簇 當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速較低、轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，流過電樞繞組和開關(guān)管的電流很大，這時(shí)，管壓降隨著電流增大而增加較快，使在電樞繞組上的電壓有所減小，因而圖所示的機(jī)械特性曲線會(huì)偏離直線，向下彎曲。 調(diào)節(jié)特性 無刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性如圖 25所示。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 7 圖 25 調(diào)節(jié)特性 調(diào)節(jié)特性的始動(dòng)電壓和斜率分別為： 0 2 2e TTrTUUC ???? （ 22） 1eK C ??? （ 23） 從調(diào)節(jié)特性和機(jī)械特性可以看出，無刷直流電動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速控制性能，可以通過調(diào)節(jié)電源電壓實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。因?yàn)橛来朋w的勵(lì)磁磁場(chǎng)不可調(diào)，所以不能調(diào)節(jié)勵(lì)磁調(diào)速。 工作特性 電樞電流與輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系、效率輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系如圖 26所示 。 圖 26 工作特性