【正文】 電路如圖 317 所示。由于 MC33035 的內(nèi)部設計原因，我們需要對其上臂信號進行電平轉換， MC33035內(nèi)部設計驅動 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。此時每秒輸出的脈沖數(shù)是 12 =100 個 , 即頻率為 100 Hz, 周期約為 10 ms。系統(tǒng)不必使用高價的電磁式或光電測速機 , 就可實現(xiàn)精確調(diào)速 控制。本設計中采用康銅絲來代替 , 5R 取值為 Ω /3W。四個輸入或非門電路用于檢測制動輸入及三個頂部驅動輸出晶體管的輸入。 電機通 /斷控制由輸出使能 (管腳 7)實現(xiàn)，當該管腳開路時，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 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置定位器。或 l20 186。 可作為傳感器電源的 伏參考電壓 還設計了用于傳感器電氣相位為 60186。控制框圖如圖 38 所示。 （ 2）逆變主回路 該全橋結構包含 6 個功率 MOSFET，為了減小 MOSFET 中寄生二極管的影響每個器件分別串并了一個快速恢復二極管。自舉電容 C 的值應大于功率 MOSFET 柵極電容的 10倍，驅動器向柵極充電后，將使電容上的電 壓下降約 10%，在導通期間還將繼續(xù)下降，故自舉法不適合靜態(tài)開關。該電路同樣需要電平轉換，同時MOSFET 開啟時間較長，可能需要兩級 泵激勵，才能保證 MOSFET 飽和驅動。 脈沖變壓器法電路如圖 35 b)所示。為保證 MOSFET 飽和導通， 要求柵極驅動電壓比漏極電壓高 1015V。一個大電流關斷電路可以很快的對輸入電容放電，提供短的開關時間因而開關損耗低。 圖 33 互補驅動電路 在實際線路中，驅動信號與 MOSFET 的連接一般要做電氣上的隔離，如主回路為橋型結構時，上、下橋臂的驅動信號是不共地的。 MOSFET 可靠觸發(fā)導通，觸發(fā)脈沖電壓應高于管子的開啟電壓 .為了防止誤導通，在其截止時應提供負的柵源電壓。減小驅動電阻的內(nèi)阻抗，這種危險就會減小，直至消失。二是柵源電壓過低，抗干擾能力差，容易誤關斷。根據(jù)電路要求，電機電源為 24V,功率為 50W,屬于小功率電動機。下面將具體介紹系統(tǒng)硬件的各個模塊的設計方案以及所實現(xiàn)的主要功能。 圖 31 系統(tǒng)框圖 圖 31 描述了硬件系統(tǒng)各部分之間的關聯(lián)，圖中箭頭表示能量、控制或檢測信號的傳送方向。 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子半徑，減小轉子的轉動慣量，因而在要求有良好的靜態(tài)特性和高動態(tài)響應的伺服驅動系統(tǒng)中，如數(shù)控機床、機器人等應用中， 無刷直流電機比交流伺服電機和直流伺服電機顯示了更多的優(yōu)越性。因為永磁體的勵磁磁場不可調(diào)，所以不能調(diào)節(jié)勵磁調(diào)速。然而，為了簡化控制電路，每個霍爾傳感器的起始安裝位置在各自相繞組的基準點（ r0=00）上 .那么在 r0=00的控制條件下， A相繞組開始通電的時刻（即該相反 電勢相位 30度位置）恰好與 A相位置傳感器輸出信號 A的電平跳變時刻重合，此時應將 T1開關管驅動導通。 轉子在空間每轉過 60 電角度，逆變器開關就發(fā)生一次切換，功率開關管的導通邏輯為 T T6— T T2— T T2— T T4— T T4— T T6— T T6。進入 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，采用先進的智能算法用于開發(fā)產(chǎn)品?？墒窍冗M的技術和材料也不能解決電機低速運轉時產(chǎn)生的轉矩波動大這個問題。 無刷直流電動機用電子的換向器代替了機械的換向器和電刷，優(yōu)越了電機的性能，同時保留了直流電動機的種種優(yōu)點，所以它一經(jīng)問世就得到了迅速發(fā)展和普及應用。講述了本系統(tǒng)的總體設計方法和思路，建立了系統(tǒng)的總體框架，然后介紹了主電路設計、控制器外圍電路設計以及 MOSFET 驅動電路設計，其中重點講述了系統(tǒng)各個功能模塊的工作原理和作用，以及其硬件設備設計和實現(xiàn)。因此對 無刷 直流 電 動 機 及其控制器 研究具有 很 大意義。在直流電機中，機械的電刷和換向器因強迫性接觸，導致其可靠性差、接觸電阻變化、結構復雜、噪聲等問題影響直流電動機 的調(diào)速精度和性能。而 MC33039 是專門設計用于無刷直流電機控制系統(tǒng)的高性能閉環(huán)速度控制適配器 ，可實現(xiàn)精準的速度調(diào)變同時不需要光電測速計。 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 無刷直流電動機工作原理示意圖 如圖 21 所示，當轉子旋轉（順時針）到圖 a 所示的位置時，轉子位置傳感器輸出的信號經(jīng)控制電路邏輯變換后驅動逆變器，使 T T6 導通，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 回到電源的負極，此時定轉子磁場相互作用，使電機的轉子順時針轉動。 2．無刷直流電動機與輸出開關管換流信號 無刷直流電動機的位置一般采用三個在空間上相隔 120 電角度的霍爾位置傳感器進行檢測，當位于霍爾傳感器位置處的磁場極性發(fā)生變化時，傳感器的輸出電平將發(fā)生改變，由于三個霍爾傳感器位檢測元件的位置在空間上各差 120 電角度，因此從 這三個檢測元件輸出端可以獲得三個在時間上互差 120 度、寬度為 180 度的電平信號，分別用 A、 B、 C 來表示，如圖 23 所示，以信號 A 為例， A 相位置寬度為 180電導角：在 060 度， T1 必須導通，故 T1 狀態(tài)為 1，而 C 相還剩下 60 度通電寬度，所以此段時間為 T1 和 T6 等于 1，（此時下部可供導通的管子為 T T6 和 T2，而為避免橋臂直通， T4 不能導通； T2 的導通時間未到，故只能是 T6 導通）；而在 60 度— 120 度，此時只有 A 相通電， B 和 C 相處于非導電期，故導通的開關管為 T1 和 T2（ T1 和 T2 等于 1），其中 T2 是為 B 相導 電作準備；而在 120 度 — 180 度時，由于 每一相只有 120 電導角導電時間，故此時 T1 關斷（ T1=0）， T2 仍然導通（ B 相開始進入導電期），此時可知， T1 關斷， T5 不能開通（防止橋臂直通），則此時只能開通 T3，所以 T3 信號此時間段為 1。 圖 24 機械特性曲線簇 當電機的轉速較低、轉矩較大時，流過電樞繞組和開關管的電流很大，這時，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，因而圖所示的機械特性曲線會偏離直線，向下彎曲。作為執(zhí)行元件的重要組成部分，電機必須具有精度高、速度快、效 率高等特點，無刷直流電機的應用也因此而迅速增長。 無轉子位置傳感器運 行實際上就是要求在不采用機械傳感器的條件下，利用電機的電壓和電流信息獲得轉子磁極的位置 . 目前比較成熟的無轉子位置傳感器運行方式有： 1 反電動勢法 —— 包括直接反電動勢法、間接反電動勢法以及派生出來的反電動勢積分法等。通過這些為深入學習無刷直流電機的控制奠定一定的基礎。當堵轉時，電流檢測電路會給檢測電容充電，當堵轉的時間夠長時，封鎖電機轉動開關信號，起到堵轉保護的作用。 MOSFET 是一種多數(shù)載流子器件，無少數(shù)載流子的存儲效應，因此開關速度快，而且 MOSFET 是一種理想的電壓控制器件，驅動電路較為簡單， 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造成的過電壓藕合過來。另一方面，如果器件工作在線性模式，柵極驅動電路具有比較大的電流容量將把與“密勒”效應相關的現(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，所以后面將對其做詳細介紹。隔離驅動分為電磁隔離和光電隔離兩種。采用光電禍合器隔離的驅動電路是有源驅動電路，它需要獨立的電源，驅動電路的時延可以根據(jù)主回路開關頻率 的要求N P NP N PV C C 1QV C C 2RD天津職業(yè)技術師范大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 （論文） 14 選擇相應工作速度的光電藕合器來達到要求，驅動信號的寬度不受限制。 本章對加速驅動電路不做詳細介紹，下面重點介紹高端功率 MOSFET 驅動電路。該驅動方法對控制信號開關周期沒有要求，能夠對柵極進行連續(xù)驅動。不能對柵極做連續(xù)控制。當高端功率 MOSFET關斷時，電源 Vcc。驅動控制芯片采用 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 , 并對其進行譯碼 , 對應的真值見表 31。此器件有一個用于確定換向順序的轉子位置譯碼器、可向傳感器供電的溫度補償參考電壓、頻率可調(diào)鋸齒波振蕩器、三個集電極開路高壓側驅動器和三個特別適用于驅動電力MOSFET 的大電流圖騰柱輸出電路低壓側驅動器。 主要特點有： 內(nèi)部熱關斷 8 參考輸出 為振蕩器定時電容 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 系列被設計用于控制三相電機，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)通過翻轉定子繞組上的電壓用來改變電機轉向。此時頂部驅動輸出全部關斷，底部驅動全部接通，電機短接產(chǎn)生 EMF。功率驅動橋的下端與功率板地線之間所接的是分流電阻。對于本設計 : 67/RR= （ 10 ） /= 4。 由課題可知 , 從 MC33039 的管腳 5 輸出的脈沖數(shù)是電動機每一轉輸出的 3 4 = 12 個脈沖數(shù)。 而開關斷開時。上臂信號可直接驅動 P溝道的 MOSFET,下臂信號可直接驅動 N 溝道 MOSFET（內(nèi)部有互補驅動電路） 。大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后根據(jù)系統(tǒng)需要分別設計了直流無刷電動機的開環(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，導致信號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)技術師范大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 （論文） 25 控制器的開環(huán)電路設計 根據(jù)課題需要結合控制器手冊中的經(jīng)典電路設計出開環(huán)控制電路如圖 315 所示。開關閉合時。經(jīng)“或”運算得到相當于電動機每對極下 6 個脈沖的信號。 100 （ mV）代表6 m 57 1100axR I RR ?? 1)(3天津職業(yè)技術師范大學 20xx 屆本科生畢業(yè)設計 （論文） 23 的是過流檢測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動輸出的晶體管，仍然是制動狀態(tài)。 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?；?300176。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。 19,20,21 CB,BB,AB 這三個圖騰柱式底部驅動輸出被設計用于直接驅動外部底部功率開關晶體管。 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。 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。 逐周限流 /240 186。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。設計有轉速反饋閉環(huán)控制、正反轉、過電流保護等。 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 驅動，這種電路結構簡單，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）來完成驅動電路的設計。 自舉法電路如圖 35d)所示。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 。 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