【正文】 2R 2 2BBBTB T 1B B 1LO1C O M2V C C3NC4VS5VB6HO7NC8V+9H I N10SD11L I N12V13NC14U3I R 2110D 1 3C 3 3C 1 3C 2 3+ 12R 1 3R 2 3CBCTC T 1C B 11 2U 4A3 4U 4B5 6U 4C 圖 316 主功率模塊設(shè)計 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 （論文） 26 主功率模塊采用專用高端 MOSFET 驅(qū)動芯片 IR2110 驅(qū)動，其頻率及驅(qū)動能力方面都表現(xiàn)非常出色，尤其適合驅(qū)動 H 橋電路，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為自舉電路，不需要隔離電源或隔離變壓器，可直接驅(qū)動高端 MOSFET。則為閉環(huán)速度控制。本設(shè)計是按電動機的最高轉(zhuǎn)速來選擇定時元件。這樣 , 可取 6R 為 120 Ω , 9R 為 30 Ω。因為比較器的正相輸入端連接在 MC33035 的管腳 9 內(nèi)部 , 因此該比較器的反相輸入端可為芯片內(nèi)部提供 100 mV 的標(biāo)準(zhǔn)電壓。制動輸入較所有的其它輸入具有無條件的優(yōu)先權(quán)。當(dāng)輸入改變了狀態(tài)，一個指定的傳感器輸入編碼從高電平變?yōu)榈碗娖?(例如 100)，具相同字母標(biāo)識的可用頂部和底部驅(qū)動輸出將互相轉(zhuǎn)換 (AT 變 AB， BT 變 BB， CT變 CB)。提供的 60176。選擇 此管腳的電氣狀態(tài)決定控制電路工作在60176。 16 地 該管腳為控制電路提供一個接地，并可以作為參考返回至電源地。 9 電流檢測同向輸入 在一個給定的振蕩器周期中，一個相對于管腳 15 為 100mV 的信號終止輸出開關(guān)導(dǎo)通。 可選 60186。 10 到 30 伏寬工作電壓 包括的保護功能有欠壓鎖定、用可選延時鎖存關(guān)斷模式的逐周限流、內(nèi)部過熱關(guān)斷以及獨特的故障輸出，可與微處理器PI 調(diào)節(jié)器 PI 調(diào)節(jié)器 脈寬調(diào)制功率驅(qū)動模塊電動機電機電流位置傳感器F / V 變換速度給定電流給定天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 （論文） 19 控制系統(tǒng)接口。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 （論文） 18 表 31 三相六步換向表真值表 001101101100101100100110110010110010010011011010011001010110101010011100001011110001101010100101011100110001正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)SA SB SC AT ABCTBT BB CB霍爾位置 上橋臂 下橋臂信號輸入 信號輸出 以電機驅(qū)動芯片 MC33039 作為功率變換元件 , 采用三相全橋驅(qū)動。 （ 1）電力電子器件的驅(qū)動 完成對逆變電路中電力電子器件的驅(qū)動。通過自舉二極管 D 向自舉電容 C 充電，功率 MOSFET 驅(qū)動電路研究 C 就成為驅(qū)動器的浮動電源。 3 電荷泵法 充電泵式電路結(jié)構(gòu)如圖 35 c)所示。但每個高壓側(cè) MOSFET 需要一個隔離電源，電路成本較高，同時需要將以地為參考點的信號進行電平轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換器必須承受全部電壓，要求低功耗快速開關(guān)。 高端功率 MOSFET 驅(qū)動電路 功率 MOSFET 因耐壓較高，導(dǎo)通電流大以及低廉的價格而獲得了廣泛的應(yīng)用。但是這種隔離方式由于需要獨立電源而電路較復(fù)雜，且由于高速光電藕合器的價格使驅(qū)動回路的成本較高。 直接驅(qū)動中常用互補輸出驅(qū)動，它們被稱為圖騰柱，如圖 33 所示，由一對NPNPNP 晶體管組成的互補輸出電路，采用這種電路不但可以提高開通時的速度，還可以提高關(guān)斷速度。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 （論文） 13 。 在某些電路結(jié)構(gòu)中，即使其性能無關(guān)緊要，為使柵極上的有害瞬變電壓 .達到最低，使柵極驅(qū)動電路的阻抗減至最小也是重要的。柵源電壓不能過高的另一個原因是 :隨著柵源電壓的升高，功 率 MOSFET 開通關(guān)斷的充放電的時間就會加長，開關(guān)速度就會降低。絕緣基極雙極型大功率 晶體管（ IGBT）則是集 MOSFET 的電壓控制與雙極型大功率晶體管的大電流、低導(dǎo)通電阻的特點于一體的新型復(fù)合場控器件，它還保持了高速、低開關(guān)損耗、對溫度不敏感等特點。位置信號的檢測在本系統(tǒng)中主要實現(xiàn)兩個功能，一是檢測轉(zhuǎn)子位置，為控制單元提供準(zhǔn)確的位置信號，實現(xiàn)開關(guān)管的正確換相；此外它還起到轉(zhuǎn)速測量的作用，根據(jù)轉(zhuǎn)子每換相一次轉(zhuǎn)過固定的電角度，和電機轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)，系統(tǒng)利用 F/V 變換器，把轉(zhuǎn)子的位置信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，轉(zhuǎn)速越快，電壓越大。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 （論文） 10 3 直流無刷電動機控制系統(tǒng)的整體方案設(shè)計 系統(tǒng)總體設(shè)計方案 直流無刷電機控制系統(tǒng)主要由電源電路、給定電路、電壓和電流檢測電路、功率管驅(qū)動及保護電路、直流無刷電機位置信號檢測環(huán)節(jié)以及控制電路和其外圍電路組成。 2 定子三次諧波檢測法。尤其在節(jié)能已成為時代主題的今天，無刷直流電機高效率的特點更顯示了其巨大的應(yīng)用價值 。 調(diào)節(jié)特性 無刷直流電動機的調(diào)節(jié)特性如圖 25所示。其他時間段的開關(guān)管導(dǎo)通情況與此類似。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 （論文） 4 當(dāng)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過 60 電角度， 到達圖 b 所示位置時，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動逆變器，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。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的智能電動機，引起了國際上各方面的關(guān)注，其實這種電機是一種以微處理器作為控制核心的無刷直流電動機，這種電動機具有較寬的調(diào)速范圍，并且噪聲低，效率高，可實現(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，實現(xiàn)無級調(diào)速，然后逐步應(yīng)用于洗衣機、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、自動控制的工作。 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： 工作性能穩(wěn)定平衡、保護功能完善、構(gòu)成的系統(tǒng)所需外圍電路簡潔明朗、抗干擾 能力較強等。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。 本課題主要是根據(jù)直流無刷 專用控制器 MC33035 與 MC33039 相結(jié)合，通過融合電路設(shè)計速度閉環(huán)電路的控制系統(tǒng)。 首先，以直流無刷電動機控制器的研究現(xiàn)狀為出發(fā)點，對直流無刷電動機的原理及結(jié)構(gòu)進行了總述，詳細分析了直流無刷電機的運行特性，推導(dǎo)出了其傳遞函數(shù)，并且創(chuàng)立了直流無刷電動機的數(shù)學(xué)模型。 通過這些年的研究和探索，隨著電子技術(shù)的進步和新型材料的出現(xiàn)，無刷直流電動機終于問世了。 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。再后來，人們把無刷直流 電機應(yīng)用在電子精密設(shè)備、工業(yè)自動化設(shè)備及汽車設(shè)備均取得了巨大的成果。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。 理論上，只要保證三個位置傳感器在空間上互差 120度，開關(guān)管的換流時刻總是可以推算出來的。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)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。 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。 3 續(xù)流二極管電流通路檢測法。各個電路之間的連接關(guān)系以及能量和信號的傳輸方向如圖 31 所示 。模擬量信號被加入到控 制器內(nèi)部的比較器輸入端，當(dāng)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(guān)直流無刷電動機積分電路堵轉(zhuǎn)檢測天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)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。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。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 。在功率 MOSFET 的應(yīng)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(guān)斷狀態(tài)時的功率 MOSFET誤導(dǎo)通，或使正常工作在導(dǎo)通狀態(tài)的功率 MOSFET 誤關(guān)斷。 ，關(guān)斷時為柵極提供低電阻放電回路，以提高功率MOSFET 的開關(guān)速度。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(guān)頻率。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)。在有些應(yīng)用場合，需要功率 MOSFET 用作高壓側(cè)開關(guān)，漏極接到高壓干線，負(fù)載或功率器件接在源極，如圖 12 所示。一般要求下可天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 （論文） 16 以采用光電隔離器。利用電平控制 MOSFET 的開啟，當(dāng) MOSFET被開啟后，以充電泵驅(qū)動?xùn)艠O來產(chǎn)生過干線電壓。當(dāng)高端功率 MOSFET 導(dǎo)通時，自舉電源將超過直流母線電壓，自舉二極管截止。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。整個控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制。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。 欠壓鎖定功能 ／ 300 186。通過長此管腳連接至電流檢測電阻的上端。 17 VCC 此管腳為控制 IC的正電源。（高電平狀態(tài)）或 120176。 /l20176。實際上，整流時序被反向，電機改變旋轉(zhuǎn)方向。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(guān)的接口，圖 20顯示的是換向邏輯真值表。分流電阻的阻值一般比較小。 R5120R633R7C1下橋臂公共端M C 33 03 5 15 腳M C 33 03 5 9 腳 圖 311 電流檢測電路 速度閉環(huán)設(shè)計 MC33039 是專為無刷直流電動機閉環(huán)速度控制設(shè)計的集成電路。設(shè)計中 , 電動機的最高轉(zhuǎn)速為 500 r /min )。此時放大器增益為 10?？煽啃赃h遠大于分立元件搭建的自舉電路。系統(tǒng)是通過改變控制信號的脈沖寬度來調(diào)節(jié)電機繞組上的電流大小，從而實現(xiàn)對速度的控制。 SA4SB5SC6F W D / R E V3E R A +11E R A 12I S E N9B R A K E23OE7GND15O S C10AB21BB20CB19AT2BT1CT24VC18VDD17F A U L T14R E F8E R / P W M13D R V G N D16NC22U1M C 33035R E M A C T5S E N 23I N D O U T6V C C1D R V O U T8I S R C4S E N 12V E E7U2M C 33039R1R2R41KR8R e s 1R9R 181MR 1712D S 1V C C 24vC2R 10R 11R 12R 13R 14R 15*C3750PR調(diào)速控制啟?？刂普崔D(zhuǎn)控制速度閉環(huán)控制堵轉(zhuǎn)保護復(fù)位D3R 20霍爾信號輸入上橋臂輸出信號下橋臂輸出信號C 11 圖 317 閉環(huán)控制系統(tǒng)控制器外圍電路設(shè)計 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)