【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 外，還需要由位置傳感器、控制電路以及功率邏輯開(kāi)關(guān)共同構(gòu)成的換向裝置，使得無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的永久磁場(chǎng)，在空間始終保持在 090 左右的電角度，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。 無(wú)刷直流電機(jī)的調(diào)速方法 眾所周知，直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n 的表達(dá)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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。 因此可知，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有三種： 直流電源 邏輯變換 功率驅(qū)動(dòng) 電動(dòng)機(jī)本體 轉(zhuǎn)子位置傳感器 13 (1) 調(diào)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(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這種方法最好。 I 的變化遇到的時(shí)間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需要大容量可調(diào)直流電源。 (2) 改變電機(jī)的主磁通 ? 。 改變磁通可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑調(diào)速，但只能減弱磁通，從電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法。因?yàn)闊o(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的定子磁場(chǎng)多由永磁鐵產(chǎn)生，所以這種調(diào)速方法不適用于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。 (3) 改變電樞回路電阻 R 。 在電動(dòng)機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。但只能是有級(jí)調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性軟；空載時(shí)幾乎沒(méi)什么調(diào)速作用；在調(diào)速電阻上消耗大量的電能。改變電阻調(diào)速缺點(diǎn)很多，目前很少采用，僅在有些起重機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長(zhǎng)的傳 動(dòng)系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速范圍不大，往往和調(diào)壓調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速。 因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，必要時(shí)把調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速兩種方法配合起來(lái)使用，而對(duì)于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，其調(diào)速多采用調(diào)壓調(diào)速。本設(shè)計(jì)采用的就是通過(guò)調(diào)整 PWM 波的占 空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)電樞電壓的控制，間接地控制了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 無(wú)刷直流電機(jī)的位置檢測(cè) 無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行是通過(guò)逆變器功率器件隨轉(zhuǎn)子不同位置相應(yīng)改變其不同觸發(fā)狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此準(zhǔn)確檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置準(zhǔn)時(shí)切換功率器件觸發(fā)組合狀態(tài)是控制無(wú) 刷直流電機(jī)的關(guān)鍵。轉(zhuǎn)子的位置檢測(cè)最直接、有效的方法就是利用位置傳感器得到不同的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。 位置傳感器對(duì)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)（ BLDC）測(cè)定轉(zhuǎn)子位置的起著十分重要的作用，因?yàn)橹绷鳠o(wú)刷電動(dòng)機(jī)的換相是依據(jù)轉(zhuǎn)子的位置來(lái)的，轉(zhuǎn)子現(xiàn)在的位置將決定下個(gè)激磁相，所以換相完全是由轉(zhuǎn)子位置來(lái)決定的。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)（ BLDC）的位置傳感器主要包括三種：光點(diǎn)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(yīng)來(lái)進(jìn)行位置測(cè)量，特點(diǎn)是輸出信號(hào)大，工作可靠，適應(yīng)性強(qiáng)，但是它的體積大，輸出的是交流信號(hào)，還需 要經(jīng)過(guò)整流和濾波后才能用。所以，在早期時(shí)候用的多，現(xiàn)在已逐漸退出應(yīng)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(guān)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(cè)，固定不動(dòng)；遮光板安裝在 14 轉(zhuǎn)子上隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。遮光板上開(kāi)有 120 度的扇形開(kāi)口，數(shù)目等于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的級(jí)對(duì)數(shù)。當(dāng)遮光板的扇行開(kāi)口對(duì)著某個(gè)光敏接受組件時(shí)，該組件接收到對(duì)面二極管發(fā)出的光而產(chǎn)生光電流輸出，其它的則沒(méi)有輸出。這樣，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，遮光板使光敏接收組件輪流接收光信號(hào)，產(chǎn)生不同的輸出，所以根據(jù)輸出就可以判斷轉(zhuǎn)子所處的 位置。 霍爾式位置傳感器是利用 “ 霍爾 ” 效應(yīng)工作的，利用霍爾式位置傳感器工作的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子，同時(shí)也是霍爾式位置傳感器的轉(zhuǎn)子?；魻栃?yīng)，在長(zhǎng)方形半導(dǎo)體薄片上通入電流 I，當(dāng)在垂直于薄片的方向上施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B的磁場(chǎng)時(shí)，則在與電流 I 和磁場(chǎng)強(qiáng)度 B 構(gòu)成的平面相垂直的方向上產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì) E，稱為霍爾電動(dòng)勢(shì)，其大小為： BIKE ??? 其中 K 為靈敏度系數(shù) 當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度方向與半導(dǎo)體薄片不垂直，而是成 ? 角時(shí)，霍爾電動(dòng)勢(shì)大的大小改為： ?co s???? BIKE 圖 24 霍爾位置傳感器的工作原理圖 所以，利用永磁轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)，對(duì)霍爾半導(dǎo)體通入直流電，當(dāng)轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)大小和方向隨著它的位置不同而發(fā)生變化時(shí)，霍爾半導(dǎo)體就會(huì)輸出霍爾電動(dòng)勢(shì)，其大小和相位隨轉(zhuǎn)子位置而發(fā)生變化，從而起到了檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的作用。常用開(kāi)關(guān)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，成本低，是目前在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)上應(yīng)用最廣的一種位置傳感器。在本次開(kāi)發(fā)的控制系統(tǒng)中，也是采用霍爾式傳感器來(lái)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子 位置。 霍爾組件 放大裝置 VCC Uo 輸出 GND 15 第 3章 系統(tǒng)元器件選擇 控制芯片 MC33033 MC33033是 MOTOROLA公司 生產(chǎn)的 低價(jià)格第二代無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器，它是由MC33034和 MC33035演變而 成的， 具備無(wú)刷直流電機(jī)控制所必需的功能， 現(xiàn)將其特點(diǎn)和引腳功能作 如下 說(shuō)明。 工作電壓范圍寬， 10V30V 片內(nèi) 含 有欠壓鎖定 片內(nèi)有基準(zhǔn)電壓源 具有熱保護(hù)和限流電路 大電流驅(qū)動(dòng)器 能 方便地選擇相角 外圍控制電路簡(jiǎn)單 使用和調(diào)節(jié)方便 性價(jià)比高 110 1120BTATCT正轉(zhuǎn)/ 反轉(zhuǎn)SASBSC基準(zhǔn)電壓輸出振蕩器轉(zhuǎn)速控制腳內(nèi)部放大器輸入 內(nèi)部放大器輸出過(guò)流信號(hào)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： 20腳：上臂驅(qū)動(dòng)輸出端。 16 3腳：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)輸人端，它可改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向。 6腳：傳感器信號(hào)輸入 端。 7腳：這是基準(zhǔn)電壓輸出端 。 8腳：振蕩器輸出 端。 9腳：轉(zhuǎn)速控制端。 10腳：內(nèi)部大器反相輸入端 。 11腳：內(nèi)部放大器輸出端。 12腳：過(guò)流信號(hào)輸入端。 13腳： 地。 14腳：電源 1 l l7腳：下臂驅(qū)動(dòng)輸出端。 18腳：相角調(diào)整端。 19腳：使能端，用做剎車斷電及保護(hù)作用。 MC33033內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 32所示． 該芯片由轉(zhuǎn)子位置譯碼器、具有傳感器供電的基準(zhǔn)電壓源、振蕩器、誤差放大器、脈寬調(diào)制 （ PWM） 比較器、集電極開(kāi)路輸出的三個(gè)上驅(qū)動(dòng)輸出和具有大電流輸出的三個(gè)下驅(qū)動(dòng)輸出、負(fù)電壓保護(hù) 、 過(guò)熱和過(guò)流保護(hù)等組成 。 現(xiàn)對(duì)其中主要部分作些分析 ： 轉(zhuǎn)子位置譯碼器 轉(zhuǎn)子位置譯碼器的傳感器信號(hào)輸入端為引腳 6， 譯碼器能使上下驅(qū)動(dòng)以適當(dāng)?shù)捻樞蚬ぷ?。 由于傳感器輸入端直接與集電極的霍爾開(kāi)關(guān)或光耦合器界面，另外片內(nèi) 有上拉電阻，所以能減少芯片外圍所器器件的個(gè)數(shù) 。 該譯碼器有專門設(shè)計(jì)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?yàn)橛腥齻€(gè)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(zhuǎn)子位置 ， 其他兩種是由傳感器開(kāi)路或短路引起的，因而是無(wú)效的 。 因?yàn)橛?6種有效輸 入 碼 ，圖 32 MC33033 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 17 譯碼器以 60186。電角度為 l步可以計(jì)算出轉(zhuǎn)子的位置 。 用正轉(zhuǎn) 、 反轉(zhuǎn)的輸入 (引腳 3)來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向 。 例如當(dāng)輸入碼為 100時(shí)，引腳 3的電平從高變低就使得具有相同的字母標(biāo)號(hào)的上驅(qū)動(dòng)和下驅(qū)動(dòng)輸出內(nèi)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向 。 電動(dòng)機(jī)開(kāi) /關(guān)控制是輸出使能引腳 19來(lái)控制的。當(dāng)?shù)?19腳斷開(kāi)時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于正常工作 狀態(tài)當(dāng)?shù)?19腳接地時(shí)．上驅(qū)動(dòng)輸出處于截止?fàn)顟B(tài) ， 下驅(qū)動(dòng)輸出處于低電平狀態(tài) ， 這樣電機(jī)慣性轉(zhuǎn)動(dòng)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(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，可把該放大器設(shè)計(jì)成電壓跟隨器，其同相輸入連至設(shè)定速度的電壓源 。 在死循環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，能方便地利用該 放大器所具有的高性 能全 補(bǔ)償特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行 控制。 欠壓鎖定 片內(nèi)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(yùn)行 。另 外，還能輸出足夠的驅(qū)動(dòng)電壓 。 當(dāng)與功率 MOSFET器件接口時(shí)，該電壓能確保獲得低接通漏源電阻 所 需要的柵極驅(qū)動(dòng)。當(dāng)直接驅(qū)動(dòng)霍爾傳感器件時(shí) 。 如基準(zhǔn)電壓輸出低于 ，那末傳感器將不能正常運(yùn)行．如果兩個(gè)比較器中有一個(gè)測(cè)出處于欠電壓的狀態(tài) ，那么 上驅(qū)動(dòng)輸出截止 ， 下驅(qū)動(dòng)輸出為低電平 ， 每一個(gè)比較器均有滯后環(huán)，以防跨越門限電壓時(shí)發(fā)生振蕩，從而可提高芯片 的抗干擾能力 。 驅(qū)動(dòng)輸出 上驅(qū)動(dòng)輸出 ( 20引腳 )為 NPN型晶體管． 吸入電流為 50mA． 下驅(qū)動(dòng)輸出 (1l l7腳 )特別適合于驅(qū)動(dòng) 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(guò)流將導(dǎo)致過(guò)熱，從而毀壞電動(dòng)機(jī) 。 輸出開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)檢測(cè)定子電流，一旦發(fā)生過(guò)電流很快地使開(kāi)關(guān)斷開(kāi) ， 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(nèi) 100mV基準(zhǔn)電壓相比較，如果電流超過(guò)門 限 值，比較器使下部的鎖存器復(fù)位，從而使導(dǎo)通狀 態(tài)終止。 功率器件 MOSFET 的結(jié)構(gòu) 18 MOSFET 的種類結(jié)構(gòu)繁多，按導(dǎo)電溝道可分為 P溝道和 N溝道。當(dāng)柵極電壓為零時(shí)漏源極之間存在導(dǎo)電溝道的稱耗盡型。對(duì)于 N（ P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時(shí)才存在導(dǎo)電溝道的稱增強(qiáng)型。 在 MOSFET 中，主要是 N 溝道增強(qiáng)型。 MOSFE 的電氣圖形符號(hào) ,如圖 33所示。 圖 33 N溝道 MOSFET（左） P溝道 MOSFET（右） MOSFET 在導(dǎo)通時(shí)只有一種極性的載流子（也就是多子）參與導(dǎo)電，是單極型晶體管。 的基本特性 （ 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(gè)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(kāi)啟電壓，漏源間電壓。 MOSFET 的工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。 MOSFET 的通態(tài)電阻具有正溫度系 數(shù)，這一點(diǎn)對(duì)器件的并聯(lián)時(shí)均流有利。 （ 2）動(dòng)態(tài)特性 MOSFET 的開(kāi)關(guān)過(guò)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 19 圖 35 MOSFET 的開(kāi)關(guān)過(guò)程波形 當(dāng)GSu上升到開(kāi)啟電壓TU時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)漏極電流 iD。 從前沿時(shí)刻到GSu=TU并開(kāi)始出現(xiàn) iD的時(shí)刻這段時(shí)間稱為開(kāi)通延遲時(shí)間 ()dont 。此后 iD隨的GSu上升而上升。GSu從開(kāi)啟電壓上升到 MOSFET 進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓 UGSP 這段時(shí)間稱為上升時(shí)間 tr。 MOSFET 的開(kāi)通時(shí)間 ton 為開(kāi)通延遲時(shí)間與上升時(shí)間之和。 即 () r ond ont t t?? （ 31） 當(dāng)脈沖電壓 up 下降到零時(shí)，柵極輸入電容 Cin 通過(guò)信號(hào)源內(nèi)阻 Rs 和柵極電阻RG 開(kāi)始放電，柵極電壓GSu按指數(shù)曲線下降，當(dāng)下降到 UGSP 時(shí)，漏極電流 iD才開(kāi)始減小，這段時(shí)間稱為關(guān)斷延遲時(shí)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(shí)溝道才消失 ,iD下降到零。 這段時(shí)間稱為下降時(shí)間tf 。 MOSFET 的的關(guān)斷時(shí)間 tof 為關(guān)斷延遲時(shí)間和下降時(shí)間之和。 即 ()off d off ft t t?? （ 32） M