【正文】 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離方式有多種，其中最主要的是脈沖變壓器隔離和光電禍合器隔離。在這種電路中，晶體管是作為射極跟隨器工作的，不會(huì)出現(xiàn)飽和，因而不影響功率 MOSFET 的開關(guān)頻率。隔離驅(qū)動(dòng)分為電磁隔離和光電隔離兩種。 .1 驅(qū)動(dòng)電路分類 按驅(qū)動(dòng)電路與柵極的連接方式可分為 :直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)。 ，功率管極間電容越大，所需電流越大，即帶負(fù)載能力越大。 ，關(guān)斷時(shí)為柵極提供低電阻放電回路，以提高功率MOSFET 的開關(guān)速度。由于 本系統(tǒng)采用橋式電路，所以后面將對(duì)其做詳細(xì)介紹。上橋臂的功率 MOSFET的源極是連接在下橋臂的功率 MOSFET 的漏極上，這樣上橋臂的功率 MOSFET 的驅(qū)動(dòng)電路的“地”就不能連在下橋臂的“地”上。 “地”可浮動(dòng)的直流電源 柵極驅(qū)動(dòng)電壓是對(duì)功率 MOSFET 源極的電壓，而不是對(duì)“地”的電壓。在功率 MOSFET 的應(yīng)用中，經(jīng)常是上下橋臂串聯(lián)，同一橋臂上的另一個(gè)器件的漏極或源極施加一個(gè)階躍電壓，此電壓經(jīng)柵漏電容藕合到柵極上，該電壓可以大到使 下常工作在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)的功率 MOSFET誤導(dǎo)通，或使正常工作在導(dǎo)通狀態(tài)的功率 MOSFET 誤關(guān)斷。另一方面，如果器件工作在線性模式，柵極驅(qū)動(dòng)電路具有比較大的電流容量將把與“密勒”效應(yīng)相關(guān)的現(xiàn)象減至最小，從而改善本極帶寬和減小協(xié)波失真。理想上，達(dá)此目的的最好辦法就是借助一個(gè)電壓源，它能在盡可能短的時(shí)間內(nèi)提供任何 量值的電流。 根據(jù)以上綜合考慮，一般選擇柵源電壓為 1018V，本文取 15V。但是柵源電壓也不能太低，原因有 2 個(gè) :一是功率 MOSFET 的通態(tài)電阻是柵源電壓的函數(shù)，隨著柵源電壓的下降而增大，通態(tài)電阻的增大使得通態(tài)損耗增大 。通過漏柵自身電容，還能把漏極電路瞬變?cè)斐傻倪^電壓藕合過來。由于該氧化層的擊穿是器件失效的最常見原因之一，應(yīng)該注意使柵源電壓不超過最大額定電壓。本設(shè)計(jì)選用型號(hào)為 RF540 的 MOSFET，耐壓 200V，在保證參數(shù)余量的前提下降低了使用成本。相同面積芯片制作的 IGBT，其最大輸出電流可比 MOSFET 的輸出電流增加兩倍以上。 MOSFET 是一種多數(shù)載流子器件，無少數(shù)載流子的存儲(chǔ)效應(yīng)，因此開關(guān)速度快，而且 MOSFET 是一種理想的電壓控制器件，驅(qū)動(dòng)電路較為簡(jiǎn)單， MOSFET 沒有二次擊穿現(xiàn)象，工作安全區(qū)大，因此 MOSFET 特別適于高頻變流裝置，只是在高壓大電流的情況下導(dǎo)通電阻較大，器件發(fā)熱稍大。它們?cè)谀蛪骸⑷萘?、開關(guān)速度等方面的差 異很大，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選取。 主電路的設(shè)計(jì) 主電路主要由逆變電路構(gòu)成，與電動(dòng)機(jī)的聯(lián)結(jié)關(guān)系如圖 32 所示，圖中直流無刷電機(jī)額定功率為 50W，電樞繞組 Y 連接。模擬量信號(hào)被加入到控 制器內(nèi)部的比較器輸入端，當(dāng)電壓大時(shí)，過壓欠壓檢測(cè)控制器驅(qū)動(dòng)電路F / V 變換過流檢測(cè)霍爾信號(hào)調(diào)速 、 正反轉(zhuǎn)換向開關(guān)直流無刷電動(dòng)機(jī)積分電路堵轉(zhuǎn)檢測(cè)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） 11 控制器會(huì)減小輸出脈寬，通過減小輸出電流的方式來降低電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到速度閉環(huán)的目的。當(dāng)堵轉(zhuǎn)時(shí)，電流檢測(cè)電路會(huì)給檢測(cè)電容充電，當(dāng)堵轉(zhuǎn)的時(shí)間夠長(zhǎng)時(shí)，封鎖電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)開關(guān)信號(hào)，起到堵轉(zhuǎn)保護(hù)的作用。電壓檢測(cè)環(huán)節(jié)主要是實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的保護(hù)（如過壓、欠壓、以及能量回饋制動(dòng)方式運(yùn)行等）。當(dāng)系統(tǒng)處在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，通過外部輸入設(shè)備（如開關(guān)、滑動(dòng)變阻器等）向控制器發(fā)送運(yùn)行指令（如正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速等），并且載入運(yùn)行參數(shù)。各個(gè)電路之間的連接關(guān)系以及能量和信號(hào)的傳輸方向如圖 31 所示 。通過這些為深入學(xué)習(xí)無刷直流電機(jī)的控制奠定一定的基礎(chǔ)。減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是提高無刷直流電動(dòng)機(jī)性能的重要方面。 （ 1）轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制。 3 續(xù)流二極管電流通路檢測(cè)法。 無轉(zhuǎn)子位置傳感器運(yùn) 行實(shí)際上就是要求在不采用機(jī)械傳感器的條件下，利用電機(jī)的電壓和電流信息獲得轉(zhuǎn)子磁極的位置 . 目前比較成熟的無轉(zhuǎn)子位置傳感器運(yùn)行方式有： 1 反電動(dòng)勢(shì)法 —— 包括直接反電動(dòng)勢(shì)法、間接反電動(dòng)勢(shì)法以及派生出來的反電動(dòng)勢(shì)積分法等。 轉(zhuǎn)子位置傳感器是整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中最為脆弱的部件，不僅增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，而且降低系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，同時(shí)還需要占據(jù)一定的空間位置。目前無刷直流電機(jī)的應(yīng)用范圍已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，并日趨廣泛，特別是在家用電器、電動(dòng)汽車、航空航天等領(lǐng)域已得到大量應(yīng)用。 無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵，其產(chǎn)生的氣隙磁通保持為常值，因而特別適用于恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行；對(duì)于恒功率運(yùn)行，無刷直流電機(jī)雖然不能直接改變磁通實(shí)現(xiàn)弱磁控制，但通過控制方法的改進(jìn)也可以獲得弱磁控制的效果。作為執(zhí)行元件的重要組成部分，電機(jī)必須具有精度高、速度快、效 率高等特點(diǎn)，無刷直流電機(jī)的應(yīng)用也因此而迅速增長(zhǎng)。 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） 8 無刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用與研究動(dòng)向 現(xiàn)階段，在傳動(dòng)應(yīng)用中直流和交流電動(dòng) 機(jī)雖然占的比例比較高，但無刷直流電動(dòng)機(jī)正受到普遍的關(guān)注。 工作特性 電樞電流與輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系、效率輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系如圖 26所示 。 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） 7 圖 25 調(diào)節(jié)特性 調(diào)節(jié)特性的始動(dòng)電壓和斜率分別為： 0 2 2e TTrTUUC ???? （ 22） 1eK C ??? （ 23） 從調(diào)節(jié)特性和機(jī)械特性可以看出，無刷直流電動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速控制性能，可以通過調(diào)節(jié)電源電壓實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。 圖 24 機(jī)械特性曲線簇 當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速較低、轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，流過電樞繞組和開關(guān)管的電流很大，這時(shí)，管壓降隨著電流增大而增加較快，使在電樞繞組上的電壓有所減小，因而圖所示的機(jī)械特性曲線會(huì)偏離直線，向下彎曲。 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） 5 圖 22 無刷電動(dòng)機(jī)位置檢測(cè)及開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào) 表 21無刷電動(dòng)機(jī)直流通電控制方式開關(guān)切換表 旋轉(zhuǎn)方向 位置傳感器 逆變橋開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào) A B C T1 T2 T3 T4 T5 T6 正轉(zhuǎn) 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 反轉(zhuǎn) 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 機(jī)械特性 無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為： 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） 6 22 2 2 2S T a s T ee e e tU U r I U U rnTC C C C? ? ?? ? ?? ? ?? ? ? （ 21） TU 開關(guān)器件的管壓降 aI 電樞電流 eC 電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù) ?? 每級(jí)磁通量 可見無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與一般直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式相同，機(jī)械特性較硬。同理，其他開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)刻也可以按同樣方法確定。 理論上，只要保證三個(gè)位置傳感器在空間上互差 120度，開關(guān)管的換流時(shí)刻總是可以推算出來的。 2．無刷直流電動(dòng)機(jī)與輸出開關(guān)管換流信號(hào) 無刷直流電動(dòng)機(jī)的位置一般采用三個(gè)在空間上相隔 120 電角度的霍爾位置傳感器進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)位于霍爾傳感器位置處的磁場(chǎng)極性發(fā)生變化時(shí)，傳感器的輸出電平將發(fā)生改變，由于三個(gè)霍爾傳感器位檢測(cè)元件的位置在空間上各差 120 電角度，因此從 這三個(gè)檢測(cè)元件輸出端可以獲得三個(gè)在時(shí)間上互差 120 度、寬度為 180 度的電平信號(hào)，分別用 A、 B、 C 來表示，如圖 23 所示，以信號(hào) A 為例， A 相位置寬度為 180電導(dǎo)角：在 060 度， T1 必須導(dǎo)通，故 T1 狀態(tài)為 1，而 C 相還剩下 60 度通電寬度，所以此段時(shí)間為 T1 和 T6 等于 1，（此時(shí)下部可供導(dǎo)通的管子為 T T6 和 T2，而為避免橋臂直通， T4 不能導(dǎo)通； T2 的導(dǎo)通時(shí)間未到，故只能是 T6 導(dǎo)通）；而在 60 度— 120 度，此時(shí)只有 A 相通電， B 和 C 相處于非導(dǎo)電期，故導(dǎo)通的開關(guān)管為 T1 和 T2（ T1 和 T2 等于 1），其中 T2 是為 B 相導(dǎo) 電作準(zhǔn)備；而在 120 度 — 180 度時(shí)，由于 每一相只有 120 電導(dǎo)角導(dǎo)電時(shí)間，故此時(shí) T1 關(guān)斷（ T1=0）， T2 仍然導(dǎo)通（ B 相開始進(jìn)入導(dǎo)電期），此時(shí)可知， T1 關(guān)斷， T5 不能開通（防止橋臂直通），則此時(shí)只能開通 T3，所以 T3 信號(hào)此時(shí)間段為 1。可見，電機(jī)有 6 種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導(dǎo)通，每相繞組的導(dǎo)通時(shí)間對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn) 120 電角度。 在次期間，轉(zhuǎn)子始終受到順時(shí)針方向的電磁轉(zhuǎn)矩作用，沿順時(shí)針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖 21 無刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖 如圖 21 所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（順時(shí)針）到圖 a 所示的位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器，使 T T6 導(dǎo)通，即 A、 B 兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng) T1 流入 A 相繞組，再?gòu)?B 相繞組流出，經(jīng) T6 回到電源的負(fù)極，此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。 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） 3 2 直流無刷電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及基本工作原理 直流無刷電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 直流無刷永磁電動(dòng)機(jī)主要是由電動(dòng)機(jī)本體、電子開關(guān)線路和位置傳感器三部分組成。 在直流無刷電機(jī)發(fā)展的同時(shí)，電子換向電路、驅(qū)動(dòng)電路和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路也隨著專用集成電路、微處理器、晶體管、傳感器等電路原器件的發(fā)展而迅速的發(fā)展，而MC33035 就是其專用集成電路中的重要產(chǎn)品，主要的適用于中小功率的無刷電機(jī)控制。再后來，人們把無刷直流 電機(jī)應(yīng)用在電子精密設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備及汽車設(shè)備均取得了巨大的成果。 在永磁材料上，人們采用了釹鐵硼、杉鉆等新型永磁材料。尤其是在 1980 年， 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） 2 等人提出了利用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行位置檢測(cè)，這種方法又叫“反電動(dòng)勢(shì)法”， 1990 年， 提出了續(xù)流二極管法：它是通過檢測(cè)反向并聯(lián)在驅(qū)動(dòng)功率管上的二極管的導(dǎo)通狀態(tài)來得出轉(zhuǎn)子的位置，以及一些學(xué)者于 1994年提出了基于定子磁鏈估計(jì)的檢測(cè)方法，通過相電壓、線電流信號(hào)計(jì)算出定子繞組各相的磁鏈，再根據(jù)磁鏈得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。與此同時(shí)，人們又把對(duì)直流無刷電機(jī)研究的方向轉(zhuǎn)移到電子換向與智能控制這兩個(gè)方面，以求降低產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。 無刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況 在國(guó)外，直流無刷電機(jī)發(fā)展的初始階段，人們主要是通過改變電子器件和材料來達(dá)到提高無刷直流電機(jī)性能的目的。而 MC33039 是專門設(shè)計(jì)用于無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的高性能閉環(huán)速度控制適配器 ，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的速度調(diào)變同時(shí)不需要光電測(cè)速計(jì)。 MC33035 是安森美半導(dǎo)體推出的第二代無 刷直流電機(jī)的專用控制器，其中包括了實(shí)現(xiàn)全新性能三相或四相電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)所需要的一切功能。近年來，各個(gè)國(guó)家關(guān)于直流無刷電動(dòng)機(jī)的研究都十分活躍。 通過這些年的研究和探索，隨著電子技術(shù)的進(jìn)步和新型材料的出現(xiàn)，無刷直流電動(dòng)機(jī)終于問世了。在直流電機(jī)中，機(jī)械的電刷和換向器因強(qiáng)迫性接觸，導(dǎo)致其可靠性差、接觸電阻變化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、噪聲等問題影響直流電動(dòng)機(jī) 的調(diào)速精度和性能。s Daily life, and the Brushless DC motor, as a new mechanical and electrical integration, is rapidly matured in recent years. The motor consists of the stator, rotor and rotor position detection devices etc. In the absence of excitation device, it takes advantage of high efficiency, simple structure and excellent features, what’s more, it is smaller, more reliable, easier to control and more convenient to maintain and manufacture, and it has more extensive application scope. All the advantages mentioned above make the