【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 L 011 CH,BL 010 AH,BL 110 AH,CL 100 BH,CL 101 BH,AL 第 9 頁 共 32 頁 直流電動(dòng)機(jī)的 PWM調(diào)速原理 直流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)速方法就是調(diào)節(jié)電樞電壓。改變電樞電壓調(diào)速的方法有穩(wěn)定性較好、調(diào)速范圍大的優(yōu)點(diǎn) 。 為了獲得可調(diào)的直流電壓，利用電力電子器件的完全可控性，采用脈寬調(diào)制 PWM)技術(shù)，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成可變大小和極性的直流電壓作為電動(dòng)機(jī)的電樞端電壓，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平滑調(diào)速，這種調(diào)速系統(tǒng)就稱為直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。它被 越來越廣泛的應(yīng)用在各種功率的調(diào)速系統(tǒng)中。 本系統(tǒng)利用開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制 (PWM)來控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。圖 PWM調(diào)速控制時(shí)的電樞繞組 兩端的電壓波形。當(dāng)開關(guān)管的柵極輸入高電平時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端有電壓 秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓為0, tz秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管的動(dòng)作重復(fù)前面的過程。 U1 0 T U0 Us t1 t2 0 圖 輸入輸出電壓波形 電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端的電壓平均值 。 為 : UUttt UtU aTS 1112110 ???? 式中占空比 a表示在一個(gè)周期 T里，開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值， a變化范圍為 01之間。所以當(dāng)電源電壓 Us不變時(shí)，電樞的端電壓的平均值 U。取決于占空比的大小，改變 a值就可改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的 .理想空載轉(zhuǎn)速與占空比a成正比。 3. 無刷直流電 機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì) 無刷直流電機(jī)控制器在控制方式上主要有以專用集成芯片、單片機(jī)和 DSP芯片控制三種方式。以專用集成芯片為核心的控制器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格較便宜，但是系第 10 頁 共 32 頁 電量檢測(cè) 助力信號(hào) 轉(zhuǎn)把信號(hào) BRK 信號(hào) MOD轉(zhuǎn)換 面板信號(hào) MCU 升壓電路 邏輯保護(hù)電路 電流檢測(cè) 驅(qū) 動(dòng) 電 路 電機(jī) 轉(zhuǎn)子位置信息 5V 36V 電源語法錯(cuò)誤，V 統(tǒng)靈活性不足，保護(hù)功能有限 :以 DSP芯片為核心的控制器，控制精度較高，但是算法較復(fù)雜，開發(fā)周期長(zhǎng)，成本較高，不易在市場(chǎng)上推廣。本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)作為主控芯片可以彌補(bǔ)上述兩方案的不足。 硬件組成 本控制器根據(jù)項(xiàng)目參數(shù)要求應(yīng)具有如下功能 : (1)具有電動(dòng)、定速、助力三種工作模式 :在電動(dòng)模式下，控制系統(tǒng)能夠根據(jù)電動(dòng)車轉(zhuǎn)把所給電壓，正常加電運(yùn)轉(zhuǎn) 。定速模式下，無需按住轉(zhuǎn)把，電動(dòng)車能夠按照設(shè)定速度運(yùn)行 :助力模式下，能夠根據(jù)助力傳感器測(cè)得的騎車者的用力實(shí)現(xiàn)助力騎行 .三種工作模式可通過模式轉(zhuǎn)換按鈕切換。 (2)當(dāng)系統(tǒng)出錯(cuò)或者位置傳感器、助力傳感器出錯(cuò)時(shí)能夠進(jìn)入自檢模式并顯示錯(cuò)誤。 (3)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)。 (4)能夠?qū)崟r(shí)顯示電動(dòng)車的狀態(tài)。 根據(jù)上述功能，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件框圖 。 如圖 。 50V PWM 圖 硬件系統(tǒng)框圖 三相全橋逆變電路和驅(qū)動(dòng)電路 逆變電路和驅(qū)動(dòng)電路是主控芯片與被控電機(jī)之間聯(lián)系的紐帶，其傳輸性能的好壞直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。其功能是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給無刷直流電動(dòng)機(jī)定子上各相繞組。功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有開關(guān)速度快、高頻特性好、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無二次擊 穿問題、安全工作區(qū)寬和跨導(dǎo)線性度電源 第 11 頁 共 32 頁 高等顯著特點(diǎn)，因而在各類中小功率開關(guān)電路中得到了廣泛的應(yīng)用。 在本控制系統(tǒng)中就采用了 MOSFET組成的逆變器變換電路。根據(jù)第二 節(jié) 所述，半橋逆變器的控制比較復(fù)雜，需要六組控制信號(hào)，電機(jī)三相繞組的工作也相對(duì)獨(dú)立，必須對(duì)三相電流分別控制。而全橋逆變器的控制比較簡(jiǎn)單，只需三組獨(dú)立控制信號(hào)，且任一時(shí)刻導(dǎo)通的兩相電流相等，只要對(duì)其中一相電流進(jìn)行控制，另外一相電流也得到了控制 .因此本設(shè)計(jì)采用全橋逆變電路來控制各相位的導(dǎo)通，如圖 。 本設(shè)計(jì)中逆變器上下橋臂都采用 N溝道 MOSFET管， 如圖 。 P型 MOSFET管由于工藝的原因，參數(shù)一致性較差，價(jià)格較貴，而且其內(nèi)阻比 N溝道的 MOSFET管大，損耗也大 。 因此，當(dāng)前的無刷控制器一般都采用兩個(gè) N溝道 MOSFET管組成逆變器的一相。 當(dāng) 功率 MOSFET管用作開關(guān)，被驅(qū)動(dòng)飽和導(dǎo)通，即在它的兩極之間壓降最低時(shí)，其柵極驅(qū)動(dòng)要求可概括如下 : (1) 柵極電壓一定要比漏極電壓高 10~15V，用作高壓側(cè)開關(guān)時(shí)其柵極電壓必定高于干線電壓，常?？赡苁窍到y(tǒng)中的最高電壓 . (2) 柵極電壓從邏輯上看必須是可控的，它通常以地 為參考點(diǎn)。 (3) 柵極驅(qū)動(dòng)電路吸收的功率不會(huì)顯著地影響總效率。 本系統(tǒng)中功率 MOSFET的漏極電壓為 36V，本系統(tǒng)的最高電源電壓也為 36V。為滿足柵極高于漏極 10V~15V的要求，需要采用升壓電路 。 頂端、底端驅(qū)動(dòng)電路 (1) 驅(qū)動(dòng)電路 如圖 ，由于受到匹配電壓的限制，頂端驅(qū)動(dòng)電路無法直接與 TTL器件匹配， 因此在電路中通過 LM339用來間接匹配電壓，匹配后的 LM339輸出端 (a相 2腳、 b相 1腳、 c相 14腳 )電平分別為 12V的有效狀態(tài)或大于 25V的無效狀態(tài)。 當(dāng)某相頂端驅(qū)動(dòng)電路有效時(shí) ，場(chǎng)效應(yīng)器件 VF1(或 VF3,V F5)的柵極電壓不低于46V，才能保證場(chǎng)效應(yīng)管的充分導(dǎo)通 .導(dǎo)通后， X1(或 X2, X3電壓與電池電壓相同 )。由于 MOSFET管的柵極絕緣柵易被擊穿破壞，因此柵源間電壓不得超過正負(fù) 20V。 柵源間并聯(lián)電阻或齊納二極管，以防止柵源間電壓過大。本設(shè)計(jì)中，頂端驅(qū)動(dòng)電路中的 15V穩(wěn)壓二極管 DZ2, DZ4和 DZ6為保護(hù)二極管。漏源間也要加保護(hù)電路以防止開關(guān)過程中因電壓的突變而產(chǎn)生漏極尖峰電壓損壞管子，可用齊納二極管籍位 .當(dāng)電機(jī)意外突然停轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)繞組產(chǎn)生瞬間的反向高壓可能會(huì)損壞功率管， 所以在直流母線上并聯(lián)一只耐高壓電容，意外停機(jī)時(shí)，母線上產(chǎn)生的瞬間高壓會(huì)由于電容兩端電壓不能突變而第 12 頁 共 32 頁 得到抑制。 底端電壓驅(qū)動(dòng)電路采用 NE555內(nèi)部 推挽電路，利用單片機(jī)產(chǎn)生的 PWM信號(hào)調(diào)制底端驅(qū)動(dòng)信號(hào)， 調(diào)制后的信號(hào)通過電阻藕合至底端驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管柵極，控制場(chǎng)效應(yīng)管 導(dǎo)通狀態(tài)。因?yàn)榈锥蓑?qū)動(dòng)電路中 NE555功耗較大，因此 需要為 U8, U9和 U10配上禍合電容 C37, C39和 C43。底端電壓驅(qū)動(dòng)電路中 R22,R30,R38為串聯(lián)柵電阻，是場(chǎng)效應(yīng)管底端驅(qū)動(dòng) 保護(hù)電路，可消去由 MOSFET電容和柵一源電路在任何串聯(lián)繞組感應(yīng)而生 的高頻振蕩 。 以 A相為例，頂端驅(qū)動(dòng)，當(dāng) LM339的 2口輸出為低時(shí)， 12腳 正端接地，使得 Ql基極電壓為 22VQl開通，電流流過 R19，電流方向?yàn)樽笳邑?fù) (從而保證 Ql開通時(shí) Q2關(guān)斷 )， VF1柵極電壓為 50V左右，源極電壓為 36V左右， VF1開通 。當(dāng) LM339的 2口輸出為高時(shí)，Ql關(guān)斷，這時(shí) VF1截止。 Q2與 R18, R19, C26組成有源濾波器。底端驅(qū)動(dòng)，當(dāng)經(jīng)過邏輯 保護(hù)的 A相底端控制信號(hào) aBTM輸入為 1時(shí)，經(jīng)過底端驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生 12V有效信號(hào)，使得 VF2導(dǎo)通。同時(shí)，單片機(jī)輸出的 PWM信號(hào)送到 NE555的 RST端，對(duì)底端控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。 452312a T O PC 2 6C 2 9C 4 3R 1 5D Z 1D Z 2Q1 Q2R 1 6R 1 7R 1 8R 1 9R 2 0+ 12R 2 2R 2 1+ 36+ 36P W Ma B T M T R I G2OUT3R S T4C V o l t5T H R6D I S7V C C8GND1U1+ 12+ 50+ 12452312a T O PC 2 7C 3 0C 3 9R 2 3D Z 3D Z 4Q3 Q4R 2 4R 2 5R 2 6R 2 7R 2 8+ 12R 3 0R 2 9+ 36+ 36P W Ma B T M T R I G2OUT3R S T4C V o l t5T H R6D I S7V C C8GND1U2+ 12+ 50+ 12452312a T O PC 2 8C 3 1C 3 7R 3 1D Z 5D Z 6Q5 Q6R 3 2R 3 3R 3 4R 3 5R 3 6+ 12R 3 8R 3 7+ 36+ 36P W Ma B T M T R I G2OUT3R S T4C V o l t5T H R6D I S7V C C8GND1U3+ 12+ 12R 5 1OUTR 2 6R E S 1+ 50a C O M EV F 3V F 1V F 4X1V F 6V F 5V F 2a C O M Ea C O M EX3X2M O T O RM O T O RM O T O R 圖 MOSFET驅(qū)動(dòng)逆變電路 第 13 頁 共 32 頁 電源電路 驅(qū)動(dòng)電路的電源部分包含兩部分電路 :一部分是將電池電源 36V，通過三端穩(wěn)壓器LM7915產(chǎn)生相對(duì)電源電壓的 15V電壓，即 36V15V=21V ，用于倍壓電路產(chǎn)生高驅(qū)動(dòng)電壓 。另一部分是通過三端穩(wěn)壓器 LM7812產(chǎn)生的 +12V電壓，用于頂端驅(qū)動(dòng)匹配和底端驅(qū)動(dòng)電路。如圖 ，電源電路中，根據(jù)各個(gè)部分的電流，合理的選擇分流電阻 **R14和 **R45的阻值和功率，減小直接流過三端穩(wěn)壓器件的電流，降低其發(fā)熱量，提 高電路穩(wěn)定性。 IN1OUT3GND2U6L M 7 81 2 C T ( 3)I N ( T A B )2OUT3GND1U4L M 7 91 5 C T ( 3)C 3 31 04C 1 81 04C 1 91 04C 2 01 04C 3 41 04C 3 51 04R 1 41 .5 KR 4 52 .4 K.ICP C B .I C.I CP C B .I C+ 36 + 36+ 36 + 36+ 21+ 12+ 12+ 36 圖 +21V和 +12V電源電路 振蕩倍壓 和 硬件保護(hù)電路 （ 1）硬件保護(hù)電路 為了增加控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，設(shè)計(jì)了純硬件制動(dòng)保護(hù)電路，如圖 示。制動(dòng)電路通過控制振蕩電路的 RST端的電平狀態(tài)，間接控制頂端驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)通 所需 電壓源 .通過 LM339的保護(hù)功能，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，測(cè)試點(diǎn) 1處的電壓通過上拉電阻，電平為 12V，經(jīng)過 22V穩(wěn)壓二極管，測(cè)試點(diǎn) 2處的電平在 34V左右，振蕩電路正常工作 。當(dāng)系統(tǒng)過流時(shí)，純硬件的保護(hù)電路 U5反向輸入端的電壓將高 于正向輸入端 參考電壓， U5內(nèi)部的三極管導(dǎo)通，測(cè)試點(diǎn) 1處電平約 ,測(cè)試點(diǎn) 2處電壓為 21V左右， RST有效，振蕩電路停止振蕩， 頂 端驅(qū)動(dòng)電路將不再輸出驅(qū)動(dòng)電壓，從而實(shí)現(xiàn)硬 件制動(dòng)穩(wěn)定性。 R47和 C36組成電流波形尖峰抑制器，可抑制電流波形的前導(dǎo)峰緣，增強(qiáng)系統(tǒng)。 （ 2）振蕩倍壓電路 如圖 ， NE555的電源接 +36V電壓，地端接 +21V電壓。 NE555和外圍電路組成振蕩電路，振蕩電路產(chǎn)生的振蕩頻率約為 45KHz,振蕩信號(hào)從 NE555的 3腳輸后，通過陶瓷電容 C23和 C2二極管 D3和 D4構(gòu)成的倍壓電路 ，將輸出電壓提升到 50V左右，送到 MOS管的柵極。 NE555的 RST腳能夠控制振蕩電路的起停。 倍壓電路的工作原理是 :當(dāng) NE555的 3腳為 GND電壓 (+21V)時(shí)，電源 36V通過二極管第 14 頁 共 32 頁 D4給電容 C24充電，如果時(shí)