【正文】 R 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(dòng)芯片 IR2110 驅(qū)動(dòng)，其頻率及驅(qū)動(dòng)能力方面都表現(xiàn)非常出色，尤其適合驅(qū)動(dòng) 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(dòng)高端 MOSFET。然后針對(duì)技術(shù)難點(diǎn)講解了高端 MOSFET 的驅(qū)動(dòng)方式和方法，以及控制器的外圍電路 （過流檢測(cè)、速度閉環(huán)、誤差放大器、振蕩器等）設(shè)計(jì)。 圖 313 誤差放大電路 振蕩器設(shè)計(jì) 由于 PWM 頻率 約為 24 kHz, MC33035 的振蕩器元件參數(shù)為 : 10R 選 kΩ , 2C 選 F，圖 314 是它的連接方式。腳 3 接收位置傳感器 3 個(gè)信號(hào) , 經(jīng)有滯后的緩沖電路 , 抑制輸入噪聲。在半波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，不需要頂端驅(qū)動(dòng)輸出，通常情況為令其不連接。 240176。當(dāng) VC 在 10V 到30V 的范圍內(nèi)，控制器均可正常工作。傳感器相位 或 120186。位置反饋采用霍爾傳感器。但是開關(guān)速度較慢，不適合高頻應(yīng)用場(chǎng)合。同時(shí)要求柵極驅(qū)動(dòng)電路功率不會(huì)顯著地影響總效率。采用變壓器隔離的驅(qū)動(dòng)電路一般為無源驅(qū)動(dòng)電路，它具有信號(hào)傳輸時(shí)延小，適合于高頻開關(guān)的特點(diǎn)。在功率MOSFET 的應(yīng)用中，功率 MOSFET 經(jīng)常連接成橋臂的形式。 Q1 Q2 Q3Q4 Q5 Q6D2 D6 D 10D4D1 D3D8D5 D7 D9 D 11D 1224VABCA T 1 B T 1 C T 1A B 1 B B 1 C B 1 圖 32 主功率電路 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） 12 MOSFET 的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 盡管功率 MOSFET 較其他 功率開關(guān)器件容易驅(qū)動(dòng)，但為了避免器件受損，同時(shí)也為了得到最佳控制性能，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)應(yīng)具備以下要求 : 1. 柵極電壓的限制 如果柵極電壓超過 20V,即使電流被限制到很小值，柵源間的氧化層也很容易被擊穿。根據(jù)外部檢測(cè)到的電機(jī)的位置信號(hào)以及電機(jī)所處的運(yùn)行狀態(tài)來改變控制器輸出的控制信號(hào)從而調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。 目前，無刷直流電機(jī)的研究主要集中在以下方面： （ 1）無機(jī)械式轉(zhuǎn)子位置傳感器控制。 本設(shè)計(jì)選用的是三相無刷永磁直流電動(dòng)機(jī)，其額定電壓 UH=36V,電樞額定電流IaH=,電樞峰值電流 IaP? 15A,額定轉(zhuǎn)速 nH=350r/min,額定功率 PH=250W。 本文的主要研究?jī)?nèi)容 本文的的主要研究?jī)?nèi)容是：了解直流無刷電 動(dòng)機(jī)的基本組成，工作原理和控制方式；同時(shí)分析安森美 MC33035 專用控制器的特點(diǎn)和原理，分析其用于無刷電動(dòng)機(jī)控制的主要優(yōu)勢(shì)，再最后，重點(diǎn)學(xué)習(xí) MC33035 和 MC33039 相結(jié)合的方法，加上外圍的正反轉(zhuǎn)電路、堵轉(zhuǎn)保護(hù)電路等，設(shè)計(jì)出直流無刷電動(dòng)機(jī)的控制電路系統(tǒng)。我國(guó)稀土資源十分豐富，采用永磁材料激磁以及高性能稀土永磁材料，可很大程度上提高電機(jī)效率，縮小電動(dòng)機(jī)體積。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 直流無刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) Brushless dc motor control system design 摘 要 當(dāng)今社會(huì)，電動(dòng)機(jī)的發(fā)展十分迅速，無刷直流電機(jī)是一種新型電機(jī) 。 MC33035 是安森美半導(dǎo)體推出的第二代無 刷直流電機(jī)的專用控制器，其中包括了實(shí)現(xiàn)全新性能三相或四相電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)所需要的一切功能。 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） 3 2 直流無刷電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及基本工作原理 直流無刷電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 直流無刷永磁電動(dòng)機(jī)主要是由電動(dòng)機(jī)本體、電子開關(guān)線路和位置傳感器三部分組成。 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） 5 圖 22 無刷電動(dòng)機(jī)位置檢測(cè)及開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào) 表 21 無刷電動(dòng)機(jī)直流通電控制方式開關(guān)切換表 旋轉(zhuǎn)方向 位置傳感器 逆變橋開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào) 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(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 機(jī)械特性 無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為： 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） 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(guān)器件的管壓降 aI 電樞電流 eC 電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù) ?? 每級(jí)磁通量 可見無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與一般直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式相同，機(jī)械特性較硬。 轉(zhuǎn)子位置傳感器是整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中最為脆弱的部件，不僅增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，而且降低系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，同時(shí)還需要占據(jù)一定的空間位置。電壓檢測(cè)環(huán)節(jié)主要是實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的保護(hù)（如過壓、欠壓、以及能量回饋制動(dòng)方式運(yùn)行等）。由于該氧化層的擊穿是器件失效的最常見原因之一，應(yīng)該注意使柵源電壓不超過最大額定電壓。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(dòng)電路的“地”就不能連在下橋臂的“地”上。但是，這種隔離方式的最大缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)信號(hào)的寬度受變壓器飽和限制。 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 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(diǎn)高端柵極Da Db DcC1 C2振蕩器AQ1Q4D2 D4D1 D3+ 24參考點(diǎn)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(dòng) MOSFET 驅(qū)動(dòng)常用技術(shù) 采用隔離電源法對(duì) MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)的電路如圖 35 a)所示。 自舉法電路如圖 35d)所示。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。/240 186。 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。 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?；?300176。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)。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)。 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。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)。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） 。 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)。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。 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。 /120176。 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。 主要特點(diǎn)有： 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。當(dāng)高端功率 MOSFET關(guān)斷時(shí)，電源 Vcc。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)。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。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。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。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。 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。 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。 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，再從 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)。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)。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。 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。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。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。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。 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。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)。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。 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。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。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)。 （ 2）逆變主回路