【文章內(nèi)容簡介】 010 AH,BL 110 AH,CL 100 BH,CL 101 BH,AL 第 9 頁 共 32 頁 直流電動機(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。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機(jī)的電樞端電壓，實現(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)來控制電動機(jī)電樞電壓，實現(xiàn)調(diào)速。圖 PWM調(diào)速控制時的電樞繞組 兩端的電壓波形。當(dāng)開關(guān)管的柵極輸入高電平時，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動機(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，電動機(jī)電樞兩端電壓為0, tz秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖剑_關(guān)管的動作重復(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表示在一個周期 T里，開關(guān)管導(dǎo)通的時間與周期的比值， a變化范圍為 01之間。所以當(dāng)電源電壓 Us不變時，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 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)簡單，價格較便宜，但是系第 10 頁 共 32 頁 電量檢測 助力信號 轉(zhuǎn)把信號 BRK 信號 MOD轉(zhuǎn)換 面板信號 MCU 升壓電路 邏輯保護(hù)電路 電流檢測 驅(qū) 動 電 路 電機(jī) 轉(zhuǎn)子位置信息 5V 36V 電源語法錯誤，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，成本較高，不易在市場上推廣。本設(shè)計使用單片機(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)項目參數(shù)要求應(yīng)具有如下功能 : (1)具有電動、定速、助力三種工作模式 :在電動模式下，控制系統(tǒng)能夠根據(jù)電動車轉(zhuǎn)把所給電壓，正常加電運轉(zhuǎn) 。定速模式下，無需按住轉(zhuǎn)把，電動車能夠按照設(shè)定速度運行 :助力模式下，能夠 根據(jù)助力傳感器測得的騎車者的用力實現(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)出錯或者位置傳感器、助力傳感器出錯時能夠進(jìn)入自檢模式并顯示錯誤。 (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顯示電動車的狀態(tài)。 根據(jù)上述功能，所設(shè)計的系統(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)動電路 逆變電路和驅(qū)動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系統(tǒng)的運行質(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機(jī)定子上各相繞組。功率場效應(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，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，電機(jī)三相繞組的工作也相對獨立，必須對三相電流分別控制。而全橋逆變器的控制比較簡單，只需三組獨立控制信號，且任一時刻導(dǎo)通的兩相電流相等，只要對其中一相電流進(jìn)行控制，另外一相電流也得到了控制 .因此本設(shè)計采用全橋逆變電路來控制各相位的導(dǎo)通，如圖 。 本設(shè)計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 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)動飽和導(dǎo)通，即在它的兩極之間壓降最低時，其柵極驅(qū)動要求可概括如下 : (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)時其柵極電壓必定高于干線電壓，常常可能是系統(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。 (3) 柵極驅(qū)動電路吸收的功率不會顯著地影響總效率。 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)動電路 (1) 驅(qū)動電路 如圖 ，由于受到匹配電壓的限制，頂端驅(qū)動電路無法直接與 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)動電路有效時，場效應(yīng)器件 VF1(或 VF3,V F5)的柵極電壓不低于46V，才能保 證場效應(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)計中，頂端驅(qū)動電路中的 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，電機(jī)繞組產(chǎn)生瞬間的反向高壓可能會損壞功率管，所以在直流母線上并聯(lián)一只耐高壓電容，意外停機(jī)時，母線上產(chǎn)生的瞬間高壓會 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信號調(diào)制底端驅(qū)動信號，調(diào)制后的信號通過電阻藕合至底端驅(qū)動場效應(yīng)管柵極，控制場效應(yīng)管導(dǎo)通狀態(tài)。因為底端驅(qū)動電路中 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)動電路中 R22,R30,R38為串聯(lián)柵電阻，是場效應(yīng)管底端驅(qū)動保護(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，當(dāng) LM339的 2口輸出為低時， 12腳 正端接地，使得 Ql基極電壓為 22VQl開通，電流流過 R19，電流方向為左正右負(fù) (從而保證 Ql開通時 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，Ql關(guān)斷，這時 VF1截止。 Q2與 R18, R19, C26組成有源濾波器。底端驅(qū)動，當(dāng)經(jīng)過邏輯 保護(hù)的 A相底端控制信號 aBTM輸入為 1時，經(jīng)過底端驅(qū)動電路產(chǎn)生 12V有效信號，使得 VF2導(dǎo)通。同時，單片機(jī)輸出的 PWM信號送到 NE555的 RST端，對底端控制信號進(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)動逆 變電路 第 13 頁 共 32 頁 電源電路 驅(qū)動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)生相對電源電壓的 15V電壓，即 36V15V=21V ，用于倍壓電路產(chǎn)生高驅(qū)動電壓 。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)動匹配和底端驅(qū)動電路。如圖 ，電源電路中，根據(jù)各個部分的電流，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)計了純硬件制動保護(hù)電路，如圖 示。制動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，測試點 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，測試點 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，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，測試點 1處電平約 ,測試點 2處電壓為 21V左右， RST有效，振蕩電路停止振蕩， 頂 端驅(qū)動電路將不再輸出驅(qū)動電壓，從而實現(xiàn)硬件制動穩(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，電源 36V通過二極管第 14 頁 共 32 頁 D4給電容 C24充電，如果時間常數(shù)合適， C24上的電壓近似等于 36V21V=15V，方向為左負(fù)右正 :當(dāng) NE555的 3腳為高時，電容 C24左側(cè)為 36V，右側(cè)為 36V+