【正文】 2+ 12R 1 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(jì) 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） 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(jì)是按電動機(jī)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?yàn)楸容^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(hù)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(dú)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(jī)電機(jī)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) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 19 控制系統(tǒng)接口。 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） 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(jī)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(diǎn)的信號進(jìn)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(dú)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(bǔ)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(bǔ)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) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （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(dá)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(diǎn)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(diǎn)。位置信號的檢測在本系統(tǒng)中主要實(shí)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(shí)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(jī)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) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 10 3 直流無刷電動機(jī)控制系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 直流無刷電機(jī)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(hù)電路、直流無刷電機(jī)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(jī)高效率的特點(diǎn)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(jī)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) 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，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(jìn)的智能電動機(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機(jī)，這種電動機(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(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。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(jì)速度閉環(huán)電路的控制系統(tǒng)。 首先，以直流無刷電動機(jī)控制器的研究現(xiàn)狀為出發(fā)點(diǎn)，對直流無刷電動機(jī)的原理及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了總述，詳細(xì)分析了直流無刷電機(jī)的運(yùn)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(jī)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(jìn)步和新型材料的出現(xiàn)，無刷直流電動機(jī)終于問世了。 無刷直流電動機(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。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(jī)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) 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)無級調(diào)速。 無刷直流電機(jī)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(yùn)行；對于恒功率運(yùn)行，無刷直流電機(jī)雖然不能直接改變磁通實(shí)現(xiàn)弱磁控制，但通過控制方法的改進(jìn)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(jī)積分電路堵轉(zhuǎn)檢測天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 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(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)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) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （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(jī)控制功能包括開環(huán)速度、正向或反向、運(yùn)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(shí)際上，整流時序被反向，電機(jī)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(shí)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(jì) MC33039 是專為無刷直流電動機(jī)閉環(huán)速度控制設(shè)計(jì)的集成電路。設(shè)計(jì)中 , 電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為 500 r /min )。此時放大器增益為 10?？煽啃赃h(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)繞組上的電流大小，從而實(shí)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(hù)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(jì) 天津職業(yè)技