【正文】 最后根據(jù)系統(tǒng)需要分別設(shè)計(jì)了直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 SA4SB5SC6F W D / R E V3E R A +11E R A 12I S E N9B R A K E23OE7GND15O S C10AB21BB20CB19AT2BT1CT24VC18VDD17F A U L T14R E F8E R / P W M13D R V G N D16NC22U1M C 33035R E M A C T5S E N 23I N D O U T6V C C1D R V O U T8I S R C4S E N 12V E E7U2M C 33039R1R2R41KR8R e s 1R9R 181MR 1712D S 1V C C 24vC2R 10R 11R 12R 13R 14R 15*C3750PR調(diào)速控制啟停控制正反轉(zhuǎn)控制速度閉環(huán)控制堵轉(zhuǎn)保護(hù)復(fù)位D3R 20霍爾信號(hào)輸入上橋臂輸出信號(hào)下橋臂輸出信號(hào)C 11 圖 317 閉環(huán)控制系統(tǒng)控制器外圍電路設(shè)計(jì) 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 27 Q1 Q2 Q3Q4 Q5 Q6D2 D6 D 10D4D1 D3D8D5 D7 D9 D 11D 1224VABCA T 1 B T 1 C T 1A B 1 B B 1 C B 1LO1C O M2V C C3NC4VS5VB6HO7NC8V+9H I N10SD11L I N12V13NC14U1I R 2110D 1 1C 3 1+ 12C 1 1C 2 1+ 12R 1 1R 2 1ABATA T 1A B 1LO1C O M2V C C3NC4VS5VB6HO7NC8V+9H I N10SD11L I N12V13NC14U2I R 2110D 1 2C 3 2C 1 2C 2 2+ 12R 1 2R 2 2BBBTB T 1B B 1LO1C O M2V C C3NC4VS5VB6HO7NC8V+9H I N10SD11L I N12V13NC14U3I R 2110D 1 3C 3 3C 1 3C 2 3+ 12R 1 3R 2 3CBCTC T 1C B 11 2U 4A3 4U 4B5 6U 4C 圖 318 控制器閉環(huán)系統(tǒng)主功率電路設(shè)計(jì) 小結(jié) 本章主要介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，從局部到整體介紹了設(shè)計(jì)過(guò)程，首先講解了主功率電路的設(shè)計(jì)內(nèi)容，針對(duì)以往電路設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，加入了諸多改正措施 (如夾斷MOSFET 內(nèi)部續(xù)流二極管等 )，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。系統(tǒng)是通過(guò)改變控制信號(hào)的脈沖寬度來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)繞組上的電流大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的控制。大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 MOSFET 內(nèi)部的續(xù)流管一般頻率較低，導(dǎo)致信號(hào)的上升沿和下降沿不夠陡峭，增加了熱損耗。所以，在控制器輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)與驅(qū)動(dòng)芯片之間需 要電平翻轉(zhuǎn)，我們采用非門(mén)電路 CD4069 來(lái)實(shí)現(xiàn)?？煽啃赃h(yuǎn)遠(yuǎn)大于分立元件搭建的自舉電路。上臂信號(hào)可直接驅(qū)動(dòng) P溝道的 MOSFET,下臂信號(hào)可直接驅(qū)動(dòng) N 溝道 MOSFET（內(nèi)部有互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路） 。 圖 314 振蕩器電路 R10C2810+CRR1111213天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 25 控制器的開(kāi)環(huán)電路設(shè)計(jì) 根據(jù)課題需要結(jié)合控制器手冊(cè)中的經(jīng)典電路設(shè)計(jì)出開(kāi)環(huán)控制電路如圖 315 所示。改變圖中 1R 的值可以改變控制器的調(diào)速范圍。此時(shí)放大器增益為 10。 而開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)。開(kāi)關(guān)閉合時(shí)?？扇《〞r(shí)元件 R 為 1MΩ , C 為 750PF。設(shè)計(jì)中 , 電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為 500 r /min )。 由課題可知 , 從 MC33039的管腳 5輸出的脈沖數(shù)是電動(dòng)機(jī)每一轉(zhuǎn)輸出的 3 4 = 12 個(gè)脈沖數(shù)。經(jīng)“或”運(yùn)算得到相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)每對(duì)極下 6 個(gè)脈沖的信號(hào)。它直接利用三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器 3 個(gè)輸出信號(hào) , 經(jīng) /FV變換成正比于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的電壓信號(hào)。 R5120R633R7C1下橋臂公共端M C 33 03 5 15 腳M C 33 03 5 9 腳 圖 311 電流檢測(cè)電路 速度閉環(huán)設(shè)計(jì) MC33039 是專為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)速度控制設(shè)計(jì)的集成電路。對(duì)于本設(shè)計(jì) : 67/RR= （ 10 ） /= 4。 100 （ mV）代表6 m 57 1100axR I RR ?? 1)(3天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 23 的是過(guò)流檢測(cè)比較器的反相輸入端的輸入電壓。事實(shí)上 , 由分壓關(guān)系可得 : 式中 , maxI 為 電機(jī)最大允許電流（設(shè)為 10A） 。分流電阻的阻值一般比較小。功率驅(qū)動(dòng)橋的下端與功率板地線之間所接的是分流電阻。在此情況下，因或非門(mén)是將底部電壓傳感到頂部驅(qū)動(dòng)輸出的晶體管，仍然是制動(dòng)狀態(tài)。其目的是當(dāng)頂部驅(qū)動(dòng)輸出達(dá)到高電位時(shí)，才能制動(dòng)，防止頂部和底部 電源同時(shí)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。內(nèi)置的 40k? 上拉電阻保證在開(kāi)路或斷開(kāi)的情況下實(shí)施制動(dòng)，簡(jiǎn)化了與系統(tǒng)安全開(kāi)關(guān)的接口，圖 20顯示的是換向邏輯真值表。此時(shí)頂部驅(qū)動(dòng)輸出全部關(guān)斷，底部驅(qū)動(dòng)全部接通，電機(jī)短接產(chǎn)生 EMF。 阻尼式的電機(jī)制動(dòng)功能讓最終產(chǎn)品的設(shè)計(jì)增加了新的安全保證。A 電源電流將會(huì)啟動(dòng)頂部和底部驅(qū)動(dòng)輸出時(shí)序。實(shí)際上，整流時(shí)序被反向，電機(jī)改變旋轉(zhuǎn)方向。 正向 /反向輸出 (管腳 3)通過(guò)翻轉(zhuǎn)定子繞組上的電壓用來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)向?；?300176。 l20176。 /l20176。輸入與門(mén)限典型值為 的 TTL 電平兼容， MC33035 系列被設(shè)計(jì)用于控制三相電機(jī)，并可在最常見(jiàn)的四種傳感器相位下工作。傳感器輸入被設(shè)計(jì)為直接與集電極開(kāi)路類型霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)或者光開(kāi)天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 22 槽耦合器連接。 23 制動(dòng)輸入 輸入為邏輯低時(shí)允許電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；為邏輯高時(shí)電機(jī)不允許工作，如是在工作時(shí)則立即減速。（高電平狀態(tài)）或 120176。 /120176。 19,20,21 CB,BB,AB 這三個(gè)圖騰柱式底部驅(qū)動(dòng)輸出被設(shè)計(jì)用于直接驅(qū)動(dòng)外部底部功率開(kāi)關(guān)晶體管。 18 底部驅(qū)動(dòng)輸出的高電平狀態(tài)（ VOH）是表 32 MC33035 管腳功能圖 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 21 VC 由加到該管腳的電壓得到。 17 VCC 此管腳為控制 IC的正電源。通常此管腳連接至電流檢測(cè)電阻下端。 14 錯(cuò)誤指示輸出 這個(gè)集電極開(kāi)路輸出在下列至少一種條件下顯示低電位：無(wú)效的傳感器輸入代碼，輸出使能為邏輯 0，電流檢測(cè)輸入大于100mV(管腳 9對(duì)應(yīng)于管腳 15)，欠壓鎖定動(dòng)作，及熱關(guān)斷。 12 誤差放大器反向輸入 在開(kāi)環(huán)應(yīng)用情況下，此輸入通常連接到誤差放大器輸出。通過(guò)長(zhǎng)此管腳連接至電流檢測(cè)電阻的上端。 8 參考輸出 為振蕩器定時(shí)電容 CT提供電源并為誤差放大器提供參考電壓，向傳感器供電。 也可與外部 MOSFET 半橋有效地控制有刷直流電動(dòng)機(jī) 管腳圖排列如圖 39 所示，各管腳功能如表 32所示。／ 240 186。／ 300 186。 內(nèi)部熱關(guān)斷 逐周限流 完全可訪問(wèn)的誤差放大器，用于閉環(huán)伺服應(yīng)用 欠壓鎖定功能 主要特點(diǎn)有： /240 186。/300 186。典型的電 動(dòng)機(jī)控制功能包括開(kāi)環(huán)速度、正向或反向、運(yùn)行使能以及能耗制動(dòng)。此器件有一個(gè)用于確定換向順序的轉(zhuǎn)子位置譯碼器、可向傳感器供電的溫度補(bǔ)償參考電壓、頻率可調(diào)鋸齒波振蕩器、三個(gè)集電極開(kāi)路高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器和三個(gè)特別適用于驅(qū)動(dòng)電力MOSFET 的大電流圖騰柱輸出電路低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)器。這樣既能保證系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)響應(yīng)速度快 , 整體上又是一個(gè)無(wú)靜差系統(tǒng) , 能達(dá)到很高的控制精度。外環(huán)是速度環(huán) , 內(nèi)環(huán)是電流環(huán) , 均采用 P I 控制 , 以消除靜差。整個(gè)控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制。由 MC33035 接收霍爾傳感器的位置信號(hào) , 并對(duì)其進(jìn)行譯碼 , 對(duì)應(yīng)的真值見(jiàn)表 31。設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)控制、正反轉(zhuǎn)、過(guò)電流保護(hù)等。 控制單元設(shè)計(jì) 根據(jù)技術(shù)要求 控制器是以專用芯片 MC33035 和 MC33039 來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)控制芯片采用 IR2110 本身具備自具功能，所以上橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)不需要隔離。驅(qū)動(dòng)控制芯片采用 IR2110，電力電子器件采用 IRF540，續(xù)流二極管采用 FER307。 通過(guò)分析和計(jì)算，本系統(tǒng)采用自舉電路法來(lái)實(shí)現(xiàn)高端 MOSFET 驅(qū)動(dòng)，這種電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，不需要隔離電源，但分立元件搭建的自舉電路穩(wěn)定性不夠好，所以系統(tǒng)采用 IR 公司生產(chǎn)的集成自舉芯片（圖 36）來(lái)完成驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。該方法簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但占空比和開(kāi)啟時(shí)間受自舉電容刷新時(shí)間的限制，要求控制信號(hào)開(kāi)關(guān)頻率在幾十赫茲以上，而且自舉電容的值必須十分精確。當(dāng)高端功率 MOSFET 導(dǎo)通時(shí)，自舉電源將超過(guò)直流母線電壓，自舉二極管截止。當(dāng)高端功率 MOSFET關(guān)斷時(shí)，電源 Vcc。 自舉法電路如圖 35d)所示。該驅(qū)動(dòng)方法對(duì)控制信號(hào)開(kāi)關(guān)周期沒(méi)有要求，能夠?qū)艠O進(jìn)行連續(xù)驅(qū)動(dòng)，成本較低。利用電平控制 MOSFET 的開(kāi)啟，當(dāng) MOSFET被開(kāi)啟后，以充電泵驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O來(lái)產(chǎn)生過(guò)干線電壓。不能對(duì)柵極做連續(xù)控制。開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)，由于脈沖變壓器的寄生參數(shù)不能忽視，波形變得不夠理想 。采用脈沖變壓器隔離驅(qū)動(dòng)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本適中 .但其應(yīng)用在許多方面受到限制。一般要求下可天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 16 以采用光電隔離器。該驅(qū)動(dòng)方法對(duì)控制信號(hào)開(kāi)關(guān)周期沒(méi)有要求，能夠?qū)艠O進(jìn)行連續(xù)驅(qū)動(dòng)。 AQ1Q4D2 D4D1 D3+ 24參考點(diǎn)高端柵極 圖 34 高壓浮動(dòng) MOSFET 應(yīng)用電路 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 15 AQ1Q4D2 D4D1 D3+ 24參考點(diǎn)高端柵極N P NP N Pvc cRD隔離電源 AQ1Q4D2 D4D1 D3+ 24參考點(diǎn)高端柵極T1T r a ns E q a) 隔離電源法基本電路 b) 脈沖變壓器法基本電路 AQ1Q4D2 D4D1 D3+ 24參考點(diǎn)高端柵極Da Db DcC1 C2振蕩器AQ1Q4D2 D4D1 D3+ 24參考點(diǎn)DCV C CQ2 c) 電荷泵法基本電路 d) 自舉電路法基本電路 圖 35 高壓浮動(dòng) MOSFET驅(qū)動(dòng)常用技術(shù) 采用隔離電源法對(duì) MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)的電路如圖 35 a)所示。柵極控制電壓一般以地為參考點(diǎn)，因此柵極電壓必定高于干線電壓，其可能是系統(tǒng)中最高的電壓，控制信號(hào)必須轉(zhuǎn)換電平，使其為高壓側(cè)源極電位。在有些應(yīng)用場(chǎng)合，需要功率 MOSFET 用作高壓側(cè)開(kāi)關(guān)，漏極接到高壓干線，負(fù)載或功率器件接在源極，如圖 12 所示。 本章對(duì)加速驅(qū)動(dòng)電路不做詳細(xì)介紹，下面重點(diǎn)介紹高端功率 MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路。所以在選擇功率器 件時(shí)應(yīng)考慮選擇合適的電壓等級(jí)。對(duì)于常用的 N 溝道器件，大的放電電流可以通過(guò)低輸出阻抗驅(qū)動(dòng)器或負(fù)的驅(qū)動(dòng)電壓而得到。另外，一般光電耦合器初次級(jí)之間的分布電容藕合到控制回路，造成誤觸發(fā)。采用光電禍合器隔離的驅(qū)動(dòng)電路是有源驅(qū)動(dòng)電路，它需要獨(dú)立的電源，驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)延可以根據(jù)主回路開(kāi)關(guān)頻率 的要求N P NP N PV C C 1QV C C 2RD天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 14 選擇相應(yīng)工作速度的光電藕合器來(lái)達(dá)到要求，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的寬度不受限制。但是，這種隔離方式的最大缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)信號(hào)的寬度受變壓器飽和限制。