【文章內容簡介】 行過程中定子繞組所產生的磁場和轉動中的轉子磁鋼所產生的永久磁場，在空間始終保持在 090 左右的電角度，從而產生轉矩推動電機旋轉。 直流電源 邏輯變換 功率驅動 電動機本體 轉子位置傳感器 14 無刷直流電機的調速方法 眾所周知，直流電動機轉速 n 的表達式為 12 ???? 公式K IRUn 式中 U 表示電樞端電壓； I表示電樞電流； R 表示電樞電路總電阻； ? 表示每極磁通量； K 表示一電動機結構參數(shù)。 因此可知，直流電動機的調速方法有三種： (1) 調節(jié)電樞供電電壓 U 。 改變電樞供電電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動機額定轉速向下調速，屬恒轉矩調速方法。對于要求在一定范圍內無級平滑調速系統(tǒng)來說，這種方法最好。 I 的變化遇到的時間常數(shù)較小，能快速響應，但是需要大容量可調直流電源。 (2) 改變電機的主磁通 ? 。 改變磁通可以實現(xiàn)無級平滑調速，但只能減弱磁通，從電動機額定轉速向上調速，屬恒功率調速方 法。因為無刷直流電動機的定子磁場多由永磁鐵產生，所以這種調速方法不適用于無刷直流電動機。 (3) 改變電樞回路電阻 R 。 在電動機電樞回路外串電阻進行調速的方法，設備簡單，操作方便。但只能是有級調速，調速平滑性差，機械特性軟；空載時幾乎沒什么調速作用；在調速電阻上消耗大量的電能。改變電阻調速缺點很多，目前很少采用，僅在有些起重機、卷揚機及電車等調速性能要求不高或低速運轉時間不長的傳動系統(tǒng)中采用。弱磁調速范圍不大，往往和調壓調速配合使用，在額定轉速以上作小范圍的升速。 因此，自動控制的直流調速系統(tǒng)往往以調壓 調速為主，必要時把調壓調速和弱磁調速兩種方法配合起來使用，而對于無刷直流電動機，其調速多采用調壓調速。本設計采用的就是通過調整 PWM 波的占 空比，實現(xiàn)對無刷直流電機電樞電壓的控制，間接地控制了電機的轉速。 無刷直流電機的位置檢測 無刷直流電機運行是通過逆變器功率器件隨轉子不同位置相應改變其不同觸發(fā)狀態(tài)來實現(xiàn)的。因此準確檢測轉子位置并根據轉子位置準時切換功率器件觸發(fā)組合狀態(tài)是控制無刷直流電機的關鍵。轉子的位置檢測最直接、有效的方法就是 15 利用位置傳感器得到不同的轉子位置信號。 位置傳感器對直流無刷電動機（ BLDC）測定轉子位置的起著十分重要的作用，因為直流無刷電動機的換相是依據轉子的位置來的，轉子現(xiàn)在的位置將決定下個激磁相，所以換相完全是由轉子位置來決定的。直流無刷電動機（ BLDC）的位置傳感器主要包括三種：光點式位置傳感器 、電磁式位置傳感器、 以及霍爾式位置傳感器。 電磁式位置傳感器利用電磁效應來進行位置測量，特點是輸出信號大，工作可靠，適應性強，但是它的體積大，輸出的是交流信號，還需要經過整流和濾波后才能用。所以，在早期時候用的多，現(xiàn)在已逐漸退出應用。 光電式位置傳感器，是由發(fā)光二極管，光敏接受組件，遮關板 組成，其中，發(fā)光二極管和光敏接受組件分別安裝在遮光板的兩側，固定不動；遮光板安裝在轉子上隨轉子轉動。遮光板上開有 120 度的扇形開口，數(shù)目等于無刷直流電動機轉子磁極的級對數(shù)。當遮光板的扇行開口對著某個光敏接受組件時，該組件接收到對面二極管發(fā)出的光而產生光電流輸出，其它的則沒有輸出。這樣，隨著轉子的轉動，遮光板使光敏接收組件輪流接收光信號，產生不同的輸出，所以根據輸出就可以判斷轉子所處的位置。 霍爾式位置傳感器是利用 “ 霍爾 ” 效應工作的，利用霍爾式位置傳感器工作的無刷直流電動機的永磁轉子，同時也是霍爾式位置傳感器 的轉子?；魻栃?，在長方形半導體薄片上通入電流 I，當在垂直于薄片的方向上施加磁感應強度為 B的磁場時，則在與電流 I 和磁場強度 B 構成的平面相垂直的方向上產生一個電動勢 E，稱為霍爾電動勢，其大小為： BIKE ??? 其中 K為靈敏度系數(shù) 當磁場強度方向與半導體薄片不垂直，而是成 ? 角時，霍爾電動勢大的大小改為： ?co s???? BIKE 霍爾組件 放大裝置 VCC Uo 輸出 GND 16 圖 24 霍爾位置傳感器的工作原理圖 所以，利用永磁轉子的磁場， 對霍爾半導體通入直流電，當轉子的磁場大小和方向隨著它的位置不同而發(fā)生變化時，霍爾半導體就會輸出霍爾電動勢，其大小和相位隨轉子位置而發(fā)生變化，從而起到了檢測轉子位置的作用。常用開關式霍爾集成電路作為傳感器件，它的外行像一只普通晶體管，特點是結構簡單，性能可靠，成本低，是目前在無刷直流電動機上應用最廣的一種位置傳感器。在本次開發(fā)的控制系統(tǒng)中，也是采用霍爾式傳感器來檢測電動機的轉子 位置。 17 第 3 章 系統(tǒng)元器件選擇 控制芯片 MC33033 MC33033是 MOTOROLA公司生產的 低價格第二代無刷直流電動機 控制器，它是由MC33034和 MC33035演變而 成的，具備無刷直流電機控制所必需的功能， 現(xiàn)將其特點和引腳功能作 如下 說明。 工作電壓范圍寬， 10V30V 片內 含 有欠壓鎖定 片內有基準電壓源 具有熱保護和限流電路 大電流驅動器 能 方便地選擇相角 外圍控制電路簡單 使用和調節(jié)方便 性價比高 110 1120BTATCT正轉/ 反轉SASBSC基準電壓輸出振蕩器轉速控制腳內部放大器輸入 內部放大器輸出過流信號輸入地VC CCBBBAB60 176。 /12 0 176。 選擇使能端MC 33 03 3 圖 31 MC33033引腳圖 MC33033是一種 20引腳雙列直插式封裝，其引腳圖如圖 31所示。 各引腳功能如下： 18 20腳：上臂驅動輸出端。 3腳：正轉、反轉輸人端，它可改變電動機轉向。 6腳：傳感器信號輸入 端。 7腳：這是基準電壓輸出端 。 8腳：振蕩器輸出 端。 9腳：轉速控制端。 10腳：內部大器反相輸入端 。 11腳：內部放大器輸出端。 12腳：過流信號輸入端。 13腳： 地。 14腳：電源 1 l l7腳：下臂驅動輸出端。 18腳：相角調整端。 19腳：使能端，用做剎車斷電及保護作用。 MC33033內部結構圖如圖 32所示． 該芯片由轉子位置譯碼器、具有傳感器供電的基準電壓源、振蕩器、誤差放大器、脈寬調制 （ PWM） 比較器、集電極開路輸出的三個上驅動輸出和具有大電流輸出的三個下驅動輸出、負電壓保護 、 過熱和過流保護等組成 。 現(xiàn)對其中主要部分作些分析 ： 轉子位置譯碼器 轉子位置譯碼器的傳感器信號輸入端為引腳 6， 譯碼器能使上下驅動以適當?shù)捻樞蚬ぷ?。 由于傳感器輸入端直接與集電極的霍爾開關或光耦合器界面，另外片內有上拉電阻，所以能減少芯片外圍所器器件的個數(shù) 。 該譯碼器有專門設計的角度選擇腳 (22腳 )，它可以選擇傳感器最常用的電相角 60186。、 120186。、 240186?；?360186。， 因為有三個傳感器輸入，所以譯碼器共有 8種可能的輸入組合碼，但只有 6種是有效的轉子位置 ， 其他兩種是由傳感器開路或短路引起 圖 32 MC33033 內部結構圖 19 的，因而是無效的 。 因為有 6種有效輸 入 碼 ， 譯碼器以 60186。電角度為 l步可以計算出轉子的位置 。 用正轉 、 反轉的輸入 (引腳 3)來改變電動機的旋轉方向 。 例如當輸入碼為 100時，引腳 3的電平從高變低就使得具有相同的字母標號的上驅動和下驅動輸出內容相互交換 ，即 AT、 AB、 BT和 BB、 CB、 CT相互交換 ， 這樣就改變了換流順序 ， 從而改變了電動機的轉向 。 電動機開 /關控制是輸出使能引腳 19來控制的。當?shù)?19腳 斷開時，電動機處于正常工作 狀態(tài)當?shù)?19腳接地時．上驅動輸出處于截止狀態(tài) ， 下驅動輸出處于低電平狀態(tài) ， 這樣電機慣性轉動直至停止。 誤差放大器 誤差放大器具有直流電壓增益高 (80dB)、輸入共模電壓范圍寬和增益帶寬為 ， 因此在大多數(shù)開環(huán)調速系統(tǒng)中，可把該放大器設計成電壓跟隨器，其同相輸入連至設定速度的電壓源 。 在死循環(huán)調速系統(tǒng)中，能方便地利用該放大器所具有的高性 能全 補償特點來進行 控制。 欠壓鎖定 片內具有雙欠壓鎖定電路，該電路能防止在欠電壓情況下?lián)p壞集成塊和外部功放晶體管，并能保證集成電路和 傳感器的正常運行 。另 外，還能輸出足夠的驅動電壓 。 當與功率 MOSFET器件接口時，該電壓能確保獲得低接通漏源電阻 所 需要的柵極驅動。當直接驅動霍爾傳感器件時 。 如基準電壓輸出低于 ，那末傳感器將不能正常運行．如果兩個比較器中有一個測出處于欠電壓的狀態(tài) ，那么 上驅動輸出截止 ， 下驅動輸出為低電平 ， 每一個比較器均有滯后環(huán)，以防跨越門限電壓時發(fā)生振蕩，從而可提高芯片的抗干擾能力 。 驅動輸出 上驅動輸出 ( 20引腳 )為 NPN型晶體管． 吸入電流為 50mA． 下驅動輸出 (1l l7腳 )特別適合于驅動 N溝道 MOSFET或 NPN雙極 型晶體管。 源電流和吸電流為100mA。 限流 電路中過流將導致過熱，從而毀壞電動機 。 輸出開關導通時檢測定子電流，一旦發(fā)生過電流很快地使開關斷開 ， 圖中敏感電阻 R5與 Q Q Q6相連．電阻上的電壓由引腳 l2輸入并與片內 100mV基準電壓相比較，如果電流超過門 限 值，比較器使下部的鎖存器復位，從而使導通狀 態(tài)終止。 20 功率器件 MOSFET MOSFET的種類結構繁多，按導電溝道可分為 P溝道和 N溝道。當柵極電壓為零時漏源極之間存在導電溝道的稱耗盡型。對于 N（ P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道的稱增強型。 在 MOSFET中，主要是 N溝道增強型。 MOSFE的電氣圖形符號 ,如圖 33所示。 圖 33 N溝道 MOSFET（左） P溝道 MOSFET（右） MOSFET在導通時只有一種極性的載流子（也就是多子）參與導電，是單極型晶體管。 （ 1）靜態(tài)特性 MOSFET是電壓控制型器件，其輸入阻抗極高，輸入電流非常小。 MOSFET的漏極伏安特性。 其可分為截止區(qū)，飽和區(qū)和非飽和區(qū)三個區(qū)域。如圖 34所示。 其中： DI ， GSU ， TU ， DSU 分別表示漏極電流，柵源間電壓，開啟電壓，漏源間電壓。 MOSFET 的工作在開關狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉換。 MOSFET的通態(tài)電阻具有正溫度系數(shù)，這一點對器件的并聯(lián)時均流有利。 （ 2）動態(tài)特性 MOSFET的開關過程波形，如圖 35 IDUTUG SUD S0=截 止 區(qū)飽 和 區(qū)非 飽 和 區(qū) 圖 34 MOSFET 的輸出特性 21 圖 35 MOSFET 的開關過程波形 當GSu上升到開啟電壓TU時，開始出現(xiàn)漏極電流 iD。 從前沿時刻到GSu=TU并開始出現(xiàn) iD的時刻這段時間稱為開通延遲時間 ()dont 。此后 iD隨的GSu上升而上升。GSu從開啟電壓上升到 MOSFET進入非飽和區(qū)的柵壓 UGSP 這段時間稱為上升時間 tr。 MOSFET的開通時間 ton 為開通延遲時間與上升時間之和。 即 () r ond ont t t?? （ 31） 當脈沖電壓 up 下降到零時，柵極輸入電容 Cin 通過信號源內阻 Rs 和柵極電阻RG 開始放電，柵極電壓GSu按指數(shù)曲線下降，當下降到 UGSP 時，漏極電流 iD才 開始減小，這段時間稱為關斷延遲時間 t )(offd 。此后 Cin 繼續(xù)放電，GSu從 UGSP 繼續(xù)下降， iD減小，到GSuTU時溝道才消失 ,iD下降到零。 這段時間稱為下降時間tf 。 MOSFET的的關斷時間 tof 為關斷延遲時間和下降時間之和。 即 ()off d off ft t t?? （ 32） MOSFET是場控器件，在靜態(tài)是幾乎不需要輸入電流。但是