【正文】 ................................................................................. 31 附錄 3.............................................................................................................................. 32 致謝 ................................................................................................................................. 39 天津職業(yè)技術師范大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 （論文） 1 1 概述 課題背景與研究意義 直流電機具有線性機械特性優(yōu)秀、起動轉(zhuǎn)矩較大、調(diào)速范圍寬、控制電路結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。 通過這些年的研究和探索，隨著電子技術的進步和新型材料的出現(xiàn)，無刷直流電動機終于問世了。 MC33035 是安森美半導體推出的第二代無 刷直流電機的專用控制器，其中包括了實現(xiàn)全新性能三相或四相電機開環(huán)控制系統(tǒng)所需要的一切功能。 無刷直流電動機的發(fā)展概況 在國外，直流無刷電機發(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到提高無刷直流電機性能的目的。尤其是在 1980 年， 天津職業(yè)技術師范大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 （論文） 2 等人提出了利用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時定子繞組中產(chǎn)生的感應電動勢進行位置檢測，這種方法又叫“反電動勢法”， 1990 年， 提出了續(xù)流二極管法：它是通過檢測反向并聯(lián)在驅(qū)動功率管上的二極管的導通狀態(tài)來得出轉(zhuǎn)子的位置，以及一些學者于 1994年提出了基于定子磁鏈估計的檢測方法，通過相電壓、線電流信號計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。再后來，人們把無刷直流 電機應用在電子精密設備、工業(yè)自動化設備及汽車設備均取得了巨大的成果。 天津職業(yè)技術師范大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 （論文） 3 2 直流無刷電動機結(jié)構(gòu)特點及基本工作原理 直流無刷電動機的基本結(jié)構(gòu) 直流無刷永磁電動機主要是由電動機本體、電子開關線路和位置傳感器三部分組成。此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用，使電機的轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動。可見，電機有 6 種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導通，每相繞組的導通時間對應于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 120 電角度。 理論上，只要保證三個位置傳感器在空間上互差 120度，開關管的換流時刻總是可以推算出來的。 天津職業(yè)技術師范大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 （論文） 5 圖 22 無刷電動機位置檢測及開關管驅(qū)動信號 表 21 無刷電動機直流通電控制方式開關切換表 旋轉(zhuǎn)方向 位置傳感器 逆變橋開關管驅(qū)動信號 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 無刷直流電動機的運行特性 機械特性 無刷直流電動機的機械特性為： 天津職業(yè)技術師范大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 （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 開關器件的管壓降 aI 電樞電流 eC 電機的電動勢常數(shù) ?? 每級磁通量 可見無刷直流電動機的機械特性與一般直流電動機的機械特性表達式相同，機械特性較硬。 天津職業(yè)技術師范大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 （論文） 7 圖 25 調(diào)節(jié)特性 調(diào)節(jié)特性的始動電壓和斜率分別為： 0 2 2e TTrTUUC ???? （ 22） 1eK C ??? （ 23） 從調(diào)節(jié)特性和機械特性可以看出，無刷直流電動機具有良好的調(diào)速控制性能，可以通過調(diào)節(jié)電源電壓實現(xiàn)無級調(diào)速。 天津職業(yè)技術師范大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 （論文） 8 無刷直流電動機的應用與研究動向 現(xiàn)階段，在傳動應用中直流和交流電動 機雖然占的比例比較高，但無刷直流電動機正受到普遍的關注。 無刷直流電機轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵，其產(chǎn)生的氣隙磁通保持為常值，因而特別適用于恒轉(zhuǎn)矩運行；對于恒功率運行，無刷直流電機雖然不能直接改變磁通實現(xiàn)弱磁控制，但通過控制方法的改進也可以獲得弱磁控制的效果。 轉(zhuǎn)子位置傳感器是整個驅(qū)動系統(tǒng)中最為脆弱的部件，不僅增加了系統(tǒng)的成本和復雜性，而且降低系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，同時還需要占據(jù)一定的空間位置。 3 續(xù)流二極管電流通路檢測法。減小轉(zhuǎn)矩脈動是提高無刷直流電動機性能的重要方面。各個電路之間的連接關系以及能量和信號的傳輸方向如圖 31 所示 。電壓檢測環(huán)節(jié)主要是實現(xiàn)電機運行時的保護（如過壓、欠壓、以及能量回饋制動方式運行等）。模擬量信號被加入到控 制器內(nèi)部的比較器輸入端，當電壓大時，過壓欠壓檢測控制器驅(qū)動電路F / V 變換過流檢測霍爾信號調(diào)速 、 正反轉(zhuǎn)換向開關直流無刷電動機積分電路堵轉(zhuǎn)檢測天津職業(yè)技術師范大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 （論文） 11 控制器會減小輸出脈寬，通過減小輸出電流的方式來降低電動機的轉(zhuǎn)速，從而達到速度閉環(huán)的目的。它們在耐壓、容量、開關速度等方面的差 異很大，需要根據(jù)實際情況進行選取。相同面積芯片制作的 IGBT，其最大輸出電流可比 MOSFET 的輸出電流增加兩倍以上。由于該氧化層的擊穿是器件失效的最常見原因之一，應該注意使柵源電壓不超過最大額定電壓。但是柵源電壓也不能太低，原因有 2 個 :一是功率 MOSFET 的通態(tài)電阻是柵源電壓的函數(shù)，隨著柵源電壓的下降而增大，通態(tài)電阻的增大使得通態(tài)損耗增大 。理想上，達此目的的最好辦法就是借助一個電壓源，它能在盡可能短的時間內(nèi)提供任何 量值的電流。在功率 MOSFET 的應用中，經(jīng)常是上下橋臂串聯(lián)，同一橋臂上的另一個器件的漏極或源極施加一個階躍電壓，此電壓經(jīng)柵漏電容藕合到柵極上，該電壓可以大到使 下常工作在關斷狀態(tài)時的功率 MOSFET誤導通，或使正常工作在導通狀態(tài)的功率 MOSFET 誤關斷。上橋臂的功率 MOSFET的源極是連接在下橋臂的功率 MOSFET 的漏極上，這樣上橋臂的功率 MOSFET 的驅(qū)動電路的“地”就不能連在下橋臂的“地”上。 ，關斷時為柵極提供低電阻放電回路，以提高功率MOSFET 的開關速度。 .1 驅(qū)動電路分類 按驅(qū)動電路與柵極的連接方式可分為 :直接驅(qū)動和隔離驅(qū)動。在這種電路中，晶體管是作為射極跟隨器工作的，不會出現(xiàn)飽和，因而不影響功率 MOSFET 的開關頻率。但是，這種隔離方式的最大缺點是驅(qū)動信號的寬度受變壓器飽和限制。另外，一般光電耦合器初次級之間的分布電容藕合到控制回路，造成誤觸發(fā)。所以在選擇功率器 件時應考慮選擇合適的電壓等級。在有些應用場合，需要功率 MOSFET 用作高壓側(cè)開關，漏極接到高壓干線，負載或功率器件接在源極，如圖 12 所示。 AQ1Q4D2 D4D1 D3+ 24參考點高端柵極 圖 34 高壓浮動 MOSFET 應用電路 天津職業(yè)技術師范大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 （論文） 15 AQ1Q4D2 D4D1 D3+ 24參考點高端柵極N P NP N Pvc cRD隔離電源 AQ1Q4D2 D4D1 D3+ 24參考點高端柵極T1T r a ns E q a) 隔離電源法基本電路 b) 脈沖變壓器法基本電路 AQ1Q4D2 D4D1 D3+ 24參考點高端柵極Da Db DcC1 C2振蕩器AQ1Q4D2 D4D1 D3+ 24參考點DCV C CQ2 c) 電荷泵法基本電路 d) 自舉電路法基本電路 圖 35 高壓浮動 MOSFET 驅(qū)動常用技術 采用隔離電源法對 MOSFET 柵極驅(qū)動的電路如圖 35 a)所示。一般要求下可天津職業(yè)技術師范大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 （論文） 16 以采用光電隔離器。開關頻率較高時，由于脈沖變壓器的寄生參數(shù)不能忽視，波形變得不夠理想 。利用電平控制 MOSFET 的開啟，當 MOSFET被開啟后，以充電泵驅(qū)動柵極來產(chǎn)生過干線電壓。 自舉法電路如圖 35d)所示。當高端功率 MOSFET 導通時，自舉電源將超過直流母線電壓，自舉二極管截止。 通過分析和計算，本系統(tǒng)采用自舉電路法來實現(xiàn)高端 MOSFET 驅(qū)動，這種電路結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，不需要隔離電源，但分立元件搭建的自舉電路穩(wěn)定性不夠好，所以系統(tǒng)采用 IR 公司生產(chǎn)的集成自舉芯片（圖 36）來完成驅(qū)動電路的設計。驅(qū)動控制芯片采用 IR2110 本身具備自具功能，所以上橋驅(qū)動信號不需要隔離。設計有轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)控制、正反轉(zhuǎn)、過電流保護等。整個控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制。這樣既能保證系統(tǒng)起動時響應速度快 , 整體上又是一個無靜差系統(tǒng) , 能達到很高的控制精度。典型的電 動機控制功能包括開環(huán)速度、正向或反向、運行使能以及能耗制動。/240 186。 欠壓鎖定功能 逐周限流 ／ 300 186。 也可與外部 MOSFET 半橋有效地控制有刷直流電動機 管腳圖排列如圖 39 所示，各管腳功能如表 32 所示。通過長此管腳連接至電流檢測電阻的上端。 14 錯誤指示輸出 這個集電極開路輸出在下列至少一種條件下顯示低電位：無效的傳感器輸入代碼，輸出使能為邏輯 0，電流檢測輸入大于100mV(管腳 9 對應于管腳 15)，欠壓鎖定動作，及熱關斷。 17 VCC 此管腳為控制 IC 的正電源。 19,20,21 CB,BB,AB 這三個圖騰柱式底部驅(qū)動輸出被設計用于直接驅(qū)動外部底部功率開關晶體管。（高電平狀態(tài)）或 120176。傳感器輸入被設計為直接與集電極開路類型霍爾效應開關或者光開天津職業(yè)技術師范大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 （論文） 22 槽耦合器連接。 /l20176。或 300176。實際上，整流時序被反向，電機改變旋轉(zhuǎn)方向。 阻尼式的電機制動功能讓最終產(chǎn)品的設計增加了新的安全保證。內(nèi)置的 40k? 上拉電阻保證在開路或斷開的情況下實施制動，簡化了與系統(tǒng)安全開關的接口，圖 20顯