【正文】 電路如圖 317 所示。由于 MC33035 的內(nèi)部設(shè)計(jì)原因，我們需要對(duì)其上臂信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換， MC33035內(nèi)部設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng) P 溝道的 MOSFET，由于我們處于功耗考慮，橋電路均采用 N 溝道管子。圖 19 中的電容 C 起平滑濾波作用。此時(shí)每秒輸出的脈沖數(shù)是 12 =100 個(gè) , 即頻率為 100 Hz, 周期約為 10 ms。系統(tǒng)不必使用高價(jià)的電磁式或光電測(cè)速機(jī) , 就可實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速 控制。本設(shè)計(jì)中采用康銅絲來代替 , 5R 取值為 Ω /3W。四個(gè)輸入或非門電路用于檢測(cè)制動(dòng)輸入及三個(gè)頂部驅(qū)動(dòng)輸出晶體管的輸入。 電機(jī)通 /斷控制由輸出使能 (管腳 7)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)該管腳開路時(shí)，內(nèi)部的 25181。選擇 (管腳 22)可使 MC33035 很方便地控制具有 60176。（低電平狀態(tài)）傳感器電氣相位輸入。當(dāng) VCC 在10V 到 30V 的范圍內(nèi)，控制器均可正常工作。 10 振蕩器 振蕩頻率由 RT 和 CT 選擇的參數(shù)所決定 11 誤差放大器同向輸入 輸入通常情況下連接到速度設(shè)置定位器?；?l20 186。 可作為傳感器電源的 伏參考電壓 還設(shè)計(jì)了用于傳感器電氣相位為 60186?？刂瓶驁D如圖 38 所示。 （ 2）逆變主回路 該全橋結(jié)構(gòu)包含 6 個(gè)功率 MOSFET，為了減小 MOSFET 中寄生二極管的影響每個(gè)器件分別串并了一個(gè)快速恢復(fù)二極管。自舉電容 C 的值應(yīng)大于功率 MOSFET 柵極電容的 10倍，驅(qū)動(dòng)器向柵極充電后，將使電容上的電 壓下降約 10%，在導(dǎo)通期間還將繼續(xù)下降，故自舉法不適合靜態(tài)開關(guān)。該電路同樣需要電平轉(zhuǎn)換，同時(shí)MOSFET 開啟時(shí)間較長(zhǎng)，可能需要兩級(jí) 泵激勵(lì)，才能保證 MOSFET 飽和驅(qū)動(dòng)。 脈沖變壓器法電路如圖 35 b)所示。為保證 MOSFET 飽和導(dǎo)通， 要求柵極驅(qū)動(dòng)電壓比漏極電壓高 1015V。一個(gè)大電流關(guān)斷電路可以很快的對(duì)輸入電容放電，提供短的開關(guān)時(shí)間因而開關(guān)損耗低。 圖 33 互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路 在實(shí)際線路中，驅(qū)動(dòng)信號(hào)與 MOSFET 的連接一般要做電氣上的隔離，如主回路為橋型結(jié)構(gòu)時(shí)，上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是不共地的。 MOSFET 可靠觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)高于管子的開啟電壓 .為了防止誤導(dǎo)通，在其截止時(shí)應(yīng)提供負(fù)的柵源電壓。減小驅(qū)動(dòng)電阻的內(nèi)阻抗，這種危險(xiǎn)就會(huì)減小，直至消失。二是柵源電壓過低，抗干擾能力差，容易誤關(guān)斷。根據(jù)電路要求，電機(jī)電源為 24V,功率為 50W,屬于小功率電動(dòng)機(jī)。下面將具體介紹系統(tǒng)硬件的各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)方案以及所實(shí)現(xiàn)的主要功能。 圖 31 系統(tǒng)框圖 圖 31 描述了硬件系統(tǒng)各部分之間的關(guān)聯(lián)，圖中箭頭表示能量、控制或檢測(cè)信號(hào)的傳送方向。 但現(xiàn)有方法都存在各自的局限性，仍在不斷完善之中。由于稀土永磁材料的矯頑力高、剩磁大，可產(chǎn)生很大的氣隙磁通，這樣可以大大縮小轉(zhuǎn)子半徑，減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因而在要求有良好的靜態(tài)特性和高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等應(yīng)用中， 無刷直流電機(jī)比交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)顯示了更多的優(yōu)越性。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。然而，為了簡(jiǎn)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。 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。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(guó)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。可是先進(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。 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。講述了本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方法和思路，建立了系統(tǒng)的總體框架，然后介紹了主電路設(shè)計(jì)、控制器外圍電路設(shè)計(jì)以及 MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，其中重點(diǎn)講述了系統(tǒng)各個(gè)功能模塊的工作原理和作用，以及其硬件設(shè)備設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。因此對(duì) 無刷 直流 電 動(dòng) 機(jī) 及其控制器 研究具有 很 大意義。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。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)。 在永磁材料上，人們采用了釹鐵硼、杉鉆等新型永磁材料。 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?gòu)?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)。 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。 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。作為執(zhí)行元件的重要組成部分，電機(jī)必須具有精度高、速度快、效 率高等特點(diǎn)，無刷直流電機(jī)的應(yīng)用也因此而迅速增長(zhǎng)。 無轉(zhuǎn)子位置傳感器運(yùn) 行實(shí)際上就是要求在不采用機(jī)械傳感器的條件下，利用電機(jī)的電壓和電流信息獲得轉(zhuǎn)子磁極的位置 . 目前比較成熟的無轉(zhuǎn)子位置傳感器運(yùn)行方式有： 1 反電動(dòng)勢(shì)法 —— 包括直接反電動(dòng)勢(shì)法、間接反電動(dòng)勢(shì)法以及派生出來的反電動(dòng)勢(shì)積分法等。通過這些為深入學(xué)習(xí)無刷直流電機(jī)的控制奠定一定的基礎(chǔ)。當(dāng)堵轉(zhuǎn)時(shí)，電流檢測(cè)電路會(huì)給檢測(cè)電容充電，當(dāng)堵轉(zhuǎn)的時(shí)間夠長(zhǎng)時(shí)，封鎖電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)開關(guān)信號(hào)，起到堵轉(zhuǎn)保護(hù)的作用。 MOSFET 是一種多數(shù)載流子器件，無少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)，因此開關(guān)速度快，而且 MOSFET 是一種理想的電壓控制器件，驅(qū)動(dòng)電路較為簡(jiǎn)單， MOSFET 沒有二次擊穿現(xiàn)象，工作安全區(qū)大，因此 MOSFET 特別適于高頻變流裝置，只是在高壓大電流的情況下導(dǎo)通電阻較大，器件發(fā)熱稍大。通過漏柵自身電容，還能把漏極電路瞬變?cè)斐傻倪^電壓藕合過來。另一方面，如果器件工作在線性模式，柵極驅(qū)動(dòng)電路具有比較大的電流容量將把與“密勒”效應(yīng)相關(guān)的現(xiàn)象減至最小，從而改善本極帶寬和減小協(xié)波失真。由于 本系統(tǒng)采用橋式電路，所以后面將對(duì)其做詳細(xì)介紹。隔離驅(qū)動(dòng)分為電磁隔離和光電隔離兩種。采用光電禍合器隔離的驅(qū)動(dòng)電路是有源驅(qū)動(dòng)電路，它需要獨(dú)立的電源，驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)延可以根據(jù)主回路開關(guān)頻率 的要求N P NP N PV C C 1QV C C 2RD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） 14 選擇相應(yīng)工作速度的光電藕合器來達(dá)到要求，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的寬度不受限制。 本章對(duì)加速驅(qū)動(dòng)電路不做詳細(xì)介紹，下面重點(diǎn)介紹高端功率 MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路。該驅(qū)動(dòng)方法對(duì)控制信號(hào)開關(guān)周期沒有要求，能夠?qū)艠O進(jìn)行連續(xù)驅(qū)動(dòng)。不能對(duì)柵極做連續(xù)控制。當(dāng)高端功率 MOSFET關(guān)斷時(shí)，電源 Vcc。驅(qū)動(dòng)控制芯片采用 IR2110，電力電子器件采用 IRF540，續(xù)流二極管采用 FER307。由 MC33035 接收霍爾傳感器的位置信號(hào) , 并對(duì)其進(jìn)行譯碼 , 對(duì)應(yīng)的真值見表 31。此器件有一個(gè)用于確定換向順序的轉(zhuǎn)子位置譯碼器、可向傳感器供電的溫度補(bǔ)償參考電壓、頻率可調(diào)鋸齒波振蕩器、三個(gè)集電極開路高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器和三個(gè)特別適用于驅(qū)動(dòng)電力MOSFET 的大電流圖騰柱輸出電路低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器。 主要特點(diǎn)有： 內(nèi)部熱關(guān)斷 8 參考輸出 為振蕩器定時(shí)電容 CT提供電源并為誤差放大器提供參考電壓，向傳感器供電。通常此管腳連接至電流檢測(cè)電阻下端。 /120176。輸入與門限典型值為 的 TTL 電平兼容， MC33035 系列被設(shè)計(jì)用于控制三相電機(jī)，并可在最常見的四種傳感器相位下工作。 正向 /反向輸出 (管腳 3)通過翻轉(zhuǎn)定子繞組上的電壓用來改變電機(jī)轉(zhuǎn)向。此時(shí)頂部驅(qū)動(dòng)輸出全部關(guān)斷，底部驅(qū)動(dòng)全部接通，電機(jī)短接產(chǎn)生 EMF。功率驅(qū)動(dòng)橋的下端與功率板地線之間所接的是分流電阻。對(duì)于本設(shè)計(jì) : 67/RR= （ 10 ） /= 4。 由課題可知 , 從 MC33039 的管腳 5 輸出的脈沖數(shù)是電動(dòng)機(jī)每一轉(zhuǎn)輸出的 3 4 = 12 個(gè)脈沖數(shù)。 而開關(guān)斷開時(shí)。上臂信號(hào)可直接驅(qū)動(dòng) P溝道的 MOSFET,下臂信號(hào)可直接驅(qū)動(dòng) N 溝道 MOSFET（內(nèi)部有互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路） 。大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后根據(jù)系統(tǒng)需要分別設(shè)計(jì)了直流無刷電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 MOSFET 內(nèi)部的續(xù)流管一般頻率較低，導(dǎo)致信號(hào)的上升沿和下降沿不夠陡峭，增加了熱損耗。 圖 314 振蕩器電路 R10C2810+CRR1111213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） 25 控制器的開環(huán)電路設(shè)計(jì) 根據(jù)課題需要結(jié)合控制器手冊(cè)中的經(jīng)典電路設(shè)計(jì)出開環(huán)控制電路如圖 315 所示。開關(guān)閉合時(shí)。經(jīng)“或”運(yùn)算得到相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)每對(duì)極下 6 個(gè)脈沖的信號(hào)。 100 （ mV）代表6 m 57 1100axR I RR ?? 1)(3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） 23 的是過流檢測(cè)比較器的反相輸入端的輸入電壓。在此情況下，因或非門是將底部電壓傳感到頂部驅(qū)動(dòng)輸出的晶體管，仍然是制動(dòng)狀態(tài)。 阻尼式的電機(jī)制動(dòng)功能讓最終產(chǎn)品的設(shè)計(jì)增加了新的安全保證?；?300176。傳感器輸入被設(shè)計(jì)為直接與集電極開路類型霍爾效應(yīng)開關(guān)或者光開天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 22 槽耦合器連接。 19,20,21 CB,BB,AB 這三個(gè)圖騰柱式底部驅(qū)動(dòng)輸出被設(shè)計(jì)用于直接驅(qū)動(dòng)外部底部功率開關(guān)晶體管。 14 錯(cuò)誤指示輸出 這個(gè)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(cè)輸入大于100mV(管腳 9 對(duì)應(yīng)于管腳 15)，欠壓鎖定動(dòng)作，及熱關(guān)斷。 也可與外部 MOSFET 半橋有效地控制有刷直流電動(dòng)機(jī) 管腳圖排列如圖 39 所示，各管腳功能如表 32 所示。 逐周限流 /240 186。這樣既能保證系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)響應(yīng)速度快 , 整體上又是一個(gè)無靜差系統(tǒng) , 能達(dá)到很高的控制精度。設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)控制、正反轉(zhuǎn)、過電流保護(hù)等。 通過分析和計(jì)算，本系統(tǒng)采用自舉電路法來實(shí)現(xiàn)高端 MOSFET 驅(qū)動(dòng)，這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)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(dòng)電路的設(shè)計(jì)。 自舉法電路如圖 35d)所示。開關(guān)頻率較高時(shí)，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 。 AQ1Q4D2 D4D1 D3+ 24參考點(diǎn)高端柵極 圖 34 高壓浮動(dòng) MOSFET 應(yīng)用電路 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） 15 AQ1Q4D2 D4D1 D3+ 24參考點(diǎn)高端柵極N P NP N Pvc cRD隔離電源 AQ1Q4D2 D4D1 D3+ 24參考點(diǎn)高端柵極T1T r a ns E q