【正文】 柵極開(kāi)路工作，或因?yàn)轵?qū)動(dòng)不良造成的器件損壞，在功率 MOSFET 的柵、源極之間并接了 20K? 的電阻，即 R530。 3． 2． 4 功率 緩沖（ 吸收 ） 電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用常用的 RCD 緩沖電路， 如圖 39 所示。 緩沖電路跨接在母線(xiàn)電源的正負(fù)極兩端，吸收電路對(duì)過(guò)電壓的吸收效果與吸收電路中電容和電阻的選擇有著很大的關(guān)系，如果電容和電阻的值選擇不當(dāng)將會(huì)削弱吸收電路對(duì)過(guò)電壓的吸收效果，嚴(yán)重的甚至?xí)陔娐分幸鹫袷帯? 圖 39 RCD 緩沖（吸收）電路 在功率 MOSFET 器件關(guān)斷過(guò)程中，器件中的電流迅速下降，而吸收電路中電流以相同的變化率上升。當(dāng)功率 MOSFET 器件中電流全部轉(zhuǎn)移到吸收電路以后，主電路寄生電感所儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量將全部 轉(zhuǎn)換成吸收電路中吸收電容的電場(chǎng)能量。由于開(kāi)關(guān)的關(guān)斷過(guò)程很短，故假設(shè)關(guān)斷時(shí)流過(guò)主開(kāi)關(guān)管的電流線(xiàn)性下降，而流過(guò)緩沖電路中的電流線(xiàn)性上升，即有： fti (1 )tT I?? (36) ftiitCTII? ? ? (37) 上面兩式中： iT 一關(guān)斷時(shí)主開(kāi)關(guān)管的電流 iC 一關(guān)斷時(shí)吸收電容的充電電流 ft 一主開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)的下降時(shí)間 I 一直流母線(xiàn)電流的有效值 因此，電容兩端的電壓變化值為： f00t11d t= d t= 2ffC S cfItU i IC C t C? ?? (38) 在 ft 時(shí)的電容電壓 CSU 通常 可取為電源電壓 DCU 的 10%到 50%，如取 CSU =0． 5 DCU ，關(guān)斷時(shí)相電流為 9A， IGBT 的最快關(guān)斷速度為 350ns。 則： ft 0 .0 5 6 uDCICFU?? (39) 根據(jù)上述計(jì)算并保證有一定的安全欲量，最終選取吸收電容為 0． 1 uF／ 1600V 的CBB 電容。吸收電路電阻 Rs 的選擇是希望功率 MOSFET 在關(guān)斷信號(hào)到來(lái)之前，將緩沖器電容所積累的電荷放凈。緩沖電路中 R 阻值若過(guò)大，則 C 放電時(shí)間過(guò)慢，在下一次開(kāi)關(guān)過(guò)程中 C 不能充分發(fā)揮吸收能量的作用。但 R 過(guò)小，在器件導(dǎo)通時(shí)， RC 放電電流過(guò)大、過(guò)快，可能危及器件的安全也可能引起振蕩。為此可取開(kāi)關(guān)器件的工作周期 T約等于 (12)3RC。由上面計(jì)算可知吸收電容 C 為 0． 1uF／ 1600V，功率 MOSFET 的最大開(kāi)關(guān)頻率為 2kHz，可由下式估算得： 1 = 8 0 06fR C???? （ 310） 由上式計(jì)算得到吸收電阻不應(yīng)大于 800 歐姆，本系統(tǒng)中選用 390 歐姆。如果取吸收電容上的電壓變化值 V? =0． 5 DCU ，則電阻上的最大功耗為： 21 f= 62RP C V W?? (311) 綜上計(jì)算和分析，最終選取電阻為 390 歐姆 3w 的功率電阻。由于 4KW／ 513V 小功率開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的額定有效值電流為 9A，并且功率 MSOFET不是在峰值電流時(shí)關(guān)斷，所以吸收電路中快恢復(fù)二極管采用 FR307， FR307 的額定電流值為 3A，峰值電流為150A，耐壓為 1000V。 上述 RCD 吸收電路的缺點(diǎn)是損耗較大，發(fā)熱量較大。由于電路中雜散電感的估計(jì)不夠準(zhǔn)確造成的吸收電路吸收效果的不佳，只能通過(guò)不斷實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)調(diào)整吸收電容大小加以改善。 3． 3 驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括控制核心單片機(jī) AT89C51 的資源分配和外圍電路設(shè)計(jì)、電機(jī)智能控制模塊 MCSRD9800 的使用、位置檢測(cè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)、電流 檢測(cè) 環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì) 、驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的邏輯綜合、顯示電路設(shè)計(jì)以及單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì)等 。 3． 3． 1 硬件 總體 方案 的 設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng) 系統(tǒng) 硬件 的結(jié)構(gòu)框圖如圖 310 所示 。單片機(jī)的功 能包括控制接口，綜合各種保護(hù)信號(hào)和給定信息，判斷轉(zhuǎn)子的位置信息， 計(jì)算轉(zhuǎn)速，同時(shí)顯示轉(zhuǎn)速和狀態(tài)信息，給出相通斷信號(hào)及電流斬波 閾值 。 圖 310 硬件 總體方案 的 結(jié)構(gòu)框圖 3． 3． 2 控制核心 AT89C51 功能 本系統(tǒng)以單片機(jī) AT89C51 作為邏輯控制單元，它具有 4K 內(nèi)部 Flash ROM、 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM、兩個(gè)十六位定時(shí)／計(jì)數(shù)器、四個(gè) 8 位 I／ O 口、 128 個(gè)位尋址單元，并可同時(shí)對(duì)外部 64K 字節(jié)的程序存儲(chǔ)器和 64K 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行尋址。 在本系統(tǒng)中， AT89C51 的主要作用就是根據(jù)外部操作要求和位置傳感器的狀態(tài)決定相通斷信號(hào)；給出電壓數(shù)字信號(hào)，經(jīng) D／ A 轉(zhuǎn)換得到電流斬波閾值；根據(jù)角度細(xì)分電路的輸入計(jì)算轉(zhuǎn)速，并決定導(dǎo)通角和關(guān)斷角；除此之外還兼有過(guò)壓、欠壓、過(guò)載、堵轉(zhuǎn)、過(guò)溫等保護(hù)功能和系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和狀態(tài)顯示功能。 3． 3． 3 電機(jī)智能控制模塊 MCSRD9800 圖 311 電機(jī)智能控制模塊 MCSRD9800 管腳圖 電機(jī)智能控制模塊 MCSRD9800 的主 要功能包括轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器、 PWM 控制、電流斬波控制、相電流過(guò)流保護(hù)以及頻壓轉(zhuǎn)換等。該模塊封裝形式為 36 腳雙列直插型器件，管腳圖如圖 311 所示，供電電源為 15V? ，主要的輸入、輸出端口及其功能見(jiàn)表34 和表 35 所示。 控制系統(tǒng)調(diào)速的方法是通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)智能控制模塊 MCSRD98000 內(nèi)部的 PWM 波的占空比，從而改變加在繞組上的平均電壓，達(dá)到調(diào)速的目的。雙管斬波的控制方法有上下橋臂同時(shí)斬波和單管斬波兩種，單管斬波通常包括導(dǎo)通上橋臂斬下橋臂方式、導(dǎo)通下橋臂斬上 橋臂方式、上下橋臂輪流斬波方式等。對(duì)于上下橋臂同時(shí)斬波的方式的缺點(diǎn)是同時(shí)斬波增加了系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)損耗，另外由于續(xù)流回路加在電源回路上，造成電流不連續(xù)，易引起轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。對(duì)于單管斬波方式由于每次只斬一個(gè)開(kāi)關(guān)管，相對(duì)于同時(shí)斬雙管模式減少了系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)續(xù)流回路中的電壓為零，電流連續(xù)，有益于減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。MCSRD9800 模塊內(nèi)部產(chǎn)生兩路 PWM 信號(hào)輸出為 PWMl 和 PWM2，它能做到通上橋斬下橋，通下橋斬上橋，從而使上下兩個(gè)橋臂輪流斬波，使得上下橋臂功率模塊的能力得到到均勻的發(fā)揮。 表 34 MCSRD9800 輸入端口 序號(hào) 功能 標(biāo)示符 管腳號(hào) 1 速度控制命令 VI 19 2 三相電流輸入 INA、 INB、 INC 2 2 29 3 過(guò)流保護(hù)設(shè)置輸入 ICA、 ICB、 ICC 7 4 峰值電流斬波控制令 VR 32 5 頻壓轉(zhuǎn)換輸入信號(hào) FC 33 6 實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速輸入信號(hào) FVINI 26 7 閉環(huán)控制反饋輸入 FEED 16 8 動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)置 RP202 17 9 升降速時(shí)間控制設(shè)定 DL DL2 1 20 10 PWM 頻率設(shè)定 FVT、 PP 3 36 11 調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)定 Q Q J J7 3 1 13 表 35 MCSRD9800 輸出端口 序號(hào) 功能 標(biāo)示符 管腳號(hào) 1 三相過(guò)電流保護(hù)信號(hào) IA、 IB、 IC 2 4 2 三相峰值電流斬波控制信號(hào) VAI、 VBI、 VCI 2 23 3 電流峰值斬波狀態(tài)信號(hào) CP 24 4 頻壓轉(zhuǎn)換輸出 VOUT 35 5 上下橋臂 PWM 控制信號(hào) PWM PWM2 1 15 6 三相平均電流反向輸出 CF 30 7 速度信號(hào) 反向輸出 SF 9 8 正向轉(zhuǎn)速模擬信號(hào) SP 10 電機(jī)智能控制模塊 MCSRD9800 的外圍電路如圖 312 所示，電位器 RP201 用于調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的升速時(shí)間，電位器 RP202 用于調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的降速時(shí)間。在模塊內(nèi)部集成了一個(gè)雙 PI 閉環(huán)調(diào)節(jié)器，其中調(diào)節(jié)器的外環(huán)可以根據(jù)控制需要選擇反饋類(lèi)型，調(diào)節(jié)器的內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，圖中 R2 C209 決定了內(nèi)環(huán)電流環(huán)的 PI 時(shí) 間常數(shù)和比例系數(shù)， R20 C207 決定了調(diào)節(jié)器外環(huán)的 PI 時(shí)間常數(shù)和比例系數(shù)。具體參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系如下： （ 1） 調(diào)節(jié)器外環(huán) 1 n205P RK R? （ 312） 1 207 205T C R?? (313) （ 2） 調(diào)節(jié)器內(nèi)環(huán)電流環(huán)： 2202 iP RK R? （ 314） 2 209 220T C R?? (315) 其中 iR 為電流環(huán)的等效輸入電阻。 在本文設(shè)計(jì)的 4kW 開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制器中在電機(jī)智能控制模塊 MCSRD9800外環(huán)預(yù)設(shè)置了轉(zhuǎn)速反饋和平均電流反饋，其中轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)是由位置傳感器發(fā)出的 FC信號(hào)通過(guò) F/V 頻壓 變換后得到的，從而實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)速控制；平均電流反饋是通過(guò)電流傳感器檢測(cè)三相繞組的電流經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理后得到的，用于構(gòu)成間接的轉(zhuǎn)矩控制。由電流傳感器檢測(cè)的三相電流信號(hào)構(gòu)成電流調(diào)節(jié)器的反饋輸入信號(hào)，是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的主要控制參數(shù)。同時(shí)，在驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)低速重載運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)采用電流斬波控制方式，通過(guò)檢測(cè)得到的繞組電流幅值與單片機(jī)給出的參考電流斬波閾值進(jìn)行比較，從而決定電流斬波控制輸出；在智能控制模塊 MCSRD9800 內(nèi)部提供了電流峰值保護(hù)功能，通過(guò)設(shè)置電路圖中RP300、 RP30 RP302 三個(gè)電位器對(duì)應(yīng)的 ICC、 ICB、 ICA 三個(gè)管腳輸入的電壓參考值，同檢測(cè)的電流峰值進(jìn)行比較，起到保護(hù)功率主電路和電機(jī)的作用。 圖 312 MCSRD9800 外圍電路圖 3． 3． 4 位置檢測(cè)部分設(shè)計(jì) 位置傳感器是開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī) 的關(guān)鍵部件和特征部件。轉(zhuǎn)子位置信號(hào)是各相主開(kāi)關(guān)器件正確進(jìn)行邏輯切換的重要依據(jù)，轉(zhuǎn)子相對(duì)位置，以反饋至邏輯控制電路，位置檢測(cè)的目的是要用位置傳感器測(cè)定確定對(duì)相繞組的開(kāi)通或關(guān)斷。同時(shí)還可以根據(jù)位置檢測(cè)器反饋回來(lái)的信息進(jìn)行速度計(jì)算，實(shí)現(xiàn)速度控制和電機(jī)轉(zhuǎn)速信息顯示 。 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)傳感器是由光電傳感元件 (固定部分 )和光電盤(pán) (旋轉(zhuǎn)部分 )構(gòu)成。 電機(jī)每相各用一只光電傳感元件，它由安裝底座、紅外發(fā)光二極管和紅外光電三極管組成。在發(fā)光二極管和光電三極管之間有一個(gè)槽，當(dāng)槽中無(wú)遮擋物時(shí)，光線(xiàn)能夠照射到光電三極管上，光電三極管飽和導(dǎo)通；當(dāng)光線(xiàn)被遮擋時(shí)，光電三極管截止。光電盤(pán)是與電機(jī)轉(zhuǎn)子 同軸旋轉(zhuǎn)，均勻開(kāi)有與轉(zhuǎn)子同等數(shù)目 齒槽的齒槽盤(pán)。齒槽盤(pán)與轉(zhuǎn)子同軸，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒槽盤(pán)的齒槽從光電傳感元件的槽中順序穿過(guò)，當(dāng)它的齒進(jìn)入槽中時(shí)便遮擋住發(fā)光二極管的光線(xiàn)，使光電三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，其集電極輸出高電平給單片機(jī) AT89C51：當(dāng)光電盤(pán)的槽在這一位置 時(shí)，發(fā)光二極管的光線(xiàn)能夠照射到光電三極管，使之飽和導(dǎo)通，集電極輸出低電平給單片機(jī) AT89C51，光電三極管電平高低的變化通過(guò)如圖 313 所示的適當(dāng)?shù)耐饨幼儞Q電路轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)。 圖 313 位置傳感器變換電路 圖 314 三相位置信號(hào)波形 即這些位置信號(hào)輸入 CD40106 施密特觸發(fā)器，將光電傳感器波形進(jìn)行整理輸入給CD4049 變換器，經(jīng)過(guò)該變換器可以將 +15V 信號(hào)變換為 +5V 信號(hào) (S S S3)，傳給單片機(jī)， S 信號(hào)是由 S S