【正文】 止功率 MOSFET 柵極開路工作，或因為驅(qū)動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 本設(shè)計采用常用的 RCD 緩沖電路， 如圖 39 所示。 緩沖電路跨接在母線電源的正負極兩端，吸收電路對過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將會削弱吸收電路對過電壓的吸收效果，嚴重的甚至會在電路中引起振蕩。 圖 39 RCD 緩沖（吸收）電路 在功率 MOSFET 器件關(guān)斷過程中，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存的磁場能量將全部轉(zhuǎn)換成吸收電路中吸收電容的電場能量。由于開關(guān)的關(guān)斷過程很短，故假設(shè)關(guān)斷時流過主開關(guān)管的電流線性下降，而流過緩沖電路中的電流線性上升，即有： fti (1 )tT I?? (36) ftiitCTII? ? ? (37) 上面兩式中： iT 一關(guān)斷時主開關(guān)管的電流 iC 一關(guān)斷時吸收電容的充電電流 ft 一主開關(guān)管關(guān)斷時的下降時間 I 一直流母線電流的有效值 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 時的電容電壓 CSU 通?？扇殡娫措妷?DCU 的 10%到 50%，如取 CSU =0． 5 DCU ，關(guān)斷時相電流為 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)斷信號到來之前，將緩沖器電容所積累的電荷放凈。緩沖電路中 R 阻值若過大，則 C 放電時間過慢，在下一次開關(guān)過程中 C 不能充分發(fā)揮吸收能量的作用。但 R 過小，在器件導通時， RC 放電電流過大、過快，可能危及器件的安全也可能引起振蕩。為此可取開關(guān)器件的工作周期 T約等于 (12)3RC。由上面計算可知吸收電容 C 為 0． 1uF／ 1600V，功率 MOSFET 的最大 開關(guān)頻率為 2kHz，可由下式估算得： 1 = 8 0 06fR C???? （ 310） 由上式計算得到吸收電阻不應大于 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 小功率開關(guān)磁阻電機的額定有效值電流為 9A，并且功率 MSOFET不是在峰值電流時關(guān)斷，所以吸收電路中快恢復二極管采用 FR307， FR307 的額定電流值為 3A，峰值電流為150A，耐壓為 1000V。 上述 RCD 吸收電路的缺點是損耗較大，發(fā)熱量較大。由于電路中雜散電感的估計不夠準確造成的吸收電路吸收效果的不佳，只能通過不斷實驗的方法來調(diào)整吸收電容大小加以改善。 3． 3 驅(qū)動 系統(tǒng)設(shè)計 驅(qū)動 系統(tǒng) 設(shè)計包括控制核心單片機 AT89C51 的資源分配和外圍電路設(shè)計、電機智能控制模塊 MCSRD9800 的使用、位置檢測環(huán)節(jié)的設(shè)計、電流檢測 環(huán)節(jié)的設(shè)計 、驅(qū)動控制信號的邏輯綜合、顯示電路設(shè)計以及單片機復位電路設(shè)計等 。 3． 3． 1 硬件 總體 方案 的 設(shè)計 本設(shè)計驅(qū)動 系統(tǒng) 硬件 的結(jié)構(gòu)框圖如圖 310 所示 。單片機的功 能包括控制接口，綜合各種保護信號和給定信息，判斷轉(zhuǎn)子的位置信息， 計算轉(zhuǎn)速，同時顯示轉(zhuǎn)速和狀態(tài)信息，給出相通斷信號及電流斬波 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 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、兩個十六位定時／計數(shù)器、四個 8 位 I／ O 口、 128 個位尋址單元，并可同時對外部 64K 字節(jié)的程序存儲器和 64K 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器進行尋址。 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；給出電壓數(shù)字信號，經(jīng) D／ A 轉(zhuǎn)換得到電流斬波閾值；根據(jù)角度細分電路的輸入計算轉(zhuǎn)速，并決定導通角和關(guān)斷角；除此之外還兼有過壓、欠壓、過載、堵轉(zhuǎn)、過溫等保護功能和系統(tǒng)轉(zhuǎn)速和狀態(tài)顯示功能。 3． 3． 3 電 機智能控制模塊 MCSRD9800 圖 311 電機智能控制模塊 MCSRD9800 管腳圖 電機智能控制模塊 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、相電流過流保護以及頻壓轉(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表34 和表 35 所示。 控制系統(tǒng)調(diào)速的方法是通過調(diào)節(jié)電機智能控制模塊 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，達到調(diào)速的目的。雙管斬波的控制方法有上下橋臂同時斬波和單管斬波兩種，單管斬波通常包括導通上橋臂斬下橋臂方式、導通下橋臂斬上橋臂方式、上下橋臂輪流斬波方式等。對于上下橋臂同時斬波的方式的缺點是同時斬波增加了系統(tǒng)的開關(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。對于單管斬波方式由于每次只斬一個開關(guān)管，相對于同時斬雙管模式減少了系統(tǒng)的開關(guān)損耗，同時續(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。MCSRD9800 模塊內(nèi)部產(chǎn)生兩路 PWM 信號輸出為 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 功能 標示符 管腳號 1 速度控制命令 VI 19 2 三相電流輸入 INA、 INB、 INC 2 2 29 3 過流保護設(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 FC 33 6 實時轉(zhuǎn)速輸入信號 FVINI 26 7 閉環(huán)控制反饋輸入 FEED 16 8 動態(tài)參 數(shù)設(shè)置 RP202 17 9 升降速時間控制設(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 功能 標示符 管腳號 1 三相過電流保護信號 IA、 IB、 IC 2 4 2 三相峰值電流斬波控制信號 VAI、 VBI、 VCI 2 23 3 電流峰值斬波狀態(tài)信號 CP 24 4 頻壓轉(zhuǎn)換輸出 VOUT 35 5 上下橋臂 PWM 控制信號 PWM PWM2 1 15 6 三相平均電流反向輸出 CF 30 7 速度信號反向輸出 SF 9 8 正向轉(zhuǎn)速模擬信號 SP 10 電機智能控制模塊 MCSRD9800 的外圍電路如圖 312 所示，電位器 RP201 用于調(diào)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)中開關(guān)磁阻電動機啟動時的升速時間，電位器 RP202 用于調(diào)節(jié)電動機的降速時間。在模塊內(nèi)部集成了一個雙 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 時間常數(shù)和比例系數(shù)。具體參數(shù)對應關(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)計的 4kW 開關(guān)磁阻電機 驅(qū)動系統(tǒng)控制器中在電機 智能控制模塊 MCSRD9800外環(huán)預設(shè)置了轉(zhuǎn)速反饋和平均電流反饋，其中轉(zhuǎn)速反饋信號是由位置傳感器發(fā)出的 FC信號通過 F/V 頻壓 變換后得到的，從而實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)速控制；平均電流反饋是通過電流傳感器檢測三相繞組的電流經(jīng)過運算處理后得到的，用于構(gòu)成間接的轉(zhuǎn)矩控制。由電流傳感器檢測的三相電流信號構(gòu)成電流調(diào)節(jié)器的反饋輸入信號，是系統(tǒng)運行時的主要控制參數(shù)。同時，在驅(qū)動電動機低速重載運行時系統(tǒng)采用電流斬波控制方式，通過檢測得到的繞組電流幅值與單片機給出的參考電流斬波閾值進行比較，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功能，通過設(shè)置電路圖中RP300、 RP30 RP302 三個電位器對應的 ICC、 ICB、 ICA 三個管腳輸入的電壓參考值，同檢測的電流峰值進行比較，起到保護功率主電路和電機的作用。 圖 312 MCSRD9800 外圍電路圖 3． 3． 4 位置檢測部分設(shè)計 位置傳感器是開關(guān)磁阻電機 的關(guān)鍵部件和特征部件。轉(zhuǎn)子位置信號是各相主開關(guān)器件正確進行邏輯切換的重要依據(jù)，轉(zhuǎn)子相對位置，以反饋至邏輯控制電路，位置檢測的目的是要用位置傳感器測定確定對相繞組的開通或關(guān)斷。同時還可以根據(jù)位置檢測器反饋 回來的信息進行速度計算，實現(xiàn)速度控制和電機轉(zhuǎn)速信息顯示 。 本設(shè)計系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子位置信號傳感器是由光電傳感元件 (固定部分 )和光電盤 (旋轉(zhuǎn)部分 )構(gòu)成。 電機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槽，當槽中無遮擋物時，光線能夠照射到光電三極管上，光電三極管飽和導通；當光線被遮擋時，光電三極管截止。光電盤是與電機轉(zhuǎn)子 同軸旋轉(zhuǎn)，均勻開有與轉(zhuǎn)子同等數(shù)目 齒槽的齒槽盤。齒槽盤與轉(zhuǎn)子同軸，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，齒槽盤的齒槽從光電傳感元件的槽中順序穿過，當它的齒進入槽中時便遮擋住發(fā)光二極管的光線，使光電三極管處于截止狀態(tài)，其集電極輸出高電平給單片機 AT89C51：當光電盤的槽在這一位置時，發(fā)光二極管的光線能夠照射到光電三極管，使之飽和導通，集電極輸出低電平給單片機 AT89C51，光電三極管電平高低的變化通過如圖 313 所示的適當?shù)耐饨幼儞Q電路轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的位置信號。 圖 313 位置傳感器變換電路 圖 314 三相位置信號波形 即這些位置信號輸入 CD40106 施密特觸發(fā)器，將光電傳感器波形進行整理輸入給CD4049 變換器，經(jīng)過該變換器可以將 +15V 信號變換為 +5V 信號 (S S S3)，傳給單片機， S 信