【正文】 題主要是根據(jù)直流無(wú)刷 專(zhuān)用控制器 MC33035 與 MC33039 相結(jié)合，通過(guò)融合電路設(shè)計(jì)速度閉環(huán)電路的控制系統(tǒng)。講述了本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方法和思路，建立了系統(tǒng)的總體框架，然后介紹了主電路設(shè)計(jì)、控制器外圍電路設(shè)計(jì)以及 MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，其中重點(diǎn)講述了系統(tǒng)各個(gè)功能模塊的工作原理和作用，以及其硬件設(shè)備設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。 關(guān)鍵詞： 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)；開(kāi)閉環(huán)電路；雙閉環(huán)調(diào)速； MOSFET 驅(qū)動(dòng) ABSTRACT Nowadays society， motor has spread all areas of national economy and People39。在各種驅(qū)動(dòng)裝置和伺服系統(tǒng)中都廣泛使用直流電機(jī)，但是直流電機(jī)的換向器和電刷是電機(jī)更好發(fā)展的一個(gè)阻礙。因此，長(zhǎng)久以來(lái)，人們都圍繞這些方面研究，以求解決根本問(wèn)題。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)用電子的換向器代替了機(jī)械的換向器和電刷，優(yōu)越了電機(jī)的性能，同時(shí)保留了直流電動(dòng)機(jī)的種種優(yōu)點(diǎn)，所以它一經(jīng)問(wèn)世就得到了迅速發(fā)展和普及應(yīng)用。我國(guó)稀土資源十分豐富，采用永磁材料激磁以及高性能稀土永磁材料，可很大程度上提高電機(jī)效率，縮小電動(dòng)機(jī)體積。 MC33035 中有一個(gè)用于確定換相順序的轉(zhuǎn)子位置譯碼器、可以向傳感器供電的溫度補(bǔ)償參考電壓、頻率可調(diào)式鋸齒波振蕩器、六個(gè) MOSFET 驅(qū)動(dòng)器。 MC33035 和 MC33039 配合使用，可簡(jiǎn)單有效地用于速度閉環(huán)控制器中，具有以下特點(diǎn)： 工作性能穩(wěn)定平衡、保護(hù)功能完善、構(gòu)成的系統(tǒng)所需外圍電路簡(jiǎn)潔明朗、抗干擾 能力較強(qiáng)等。可是先進(jìn)的技術(shù)和材料也不能解決電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)大這個(gè)問(wèn)題。在電子換向方面，主要分為：一是對(duì)電流的控制，二是對(duì)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)；關(guān)于控制電流一般采用穩(wěn)頻兩態(tài)和電流分時(shí)反饋，而對(duì)于轉(zhuǎn)子位置的感應(yīng)，一般方法是采用位置傳感器，為了減輕電路系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，國(guó)外的部分 專(zhuān)家提出了無(wú)位置傳感器法。這種方法雖然計(jì)算稍顯復(fù)雜，但是其優(yōu)點(diǎn)也很顯著，其誤差小、調(diào)速范圍廣，是一種比較理想的檢測(cè)方法，在當(dāng)時(shí)國(guó) 外已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于實(shí)踐和應(yīng)用中。在智能控制的研究方向上， 1984 年，美國(guó)通用電氣公司推出了一種先進(jìn)的智能電動(dòng)機(jī)，引起了國(guó)際上各方面的關(guān)注，其實(shí)這種電機(jī)是一種以微處理器作為控制核心的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)具有較寬的調(diào)速范圍，并且噪聲低，效率高，可實(shí)現(xiàn)一定程度的“智能”操作，它一經(jīng)問(wèn)世就受到了廣泛的關(guān)注，產(chǎn)品初期用于吊扇，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，然后逐步應(yīng)用于洗衣機(jī)、空調(diào)器和冰箱等各種家用電器設(shè)備，使這些家電完成了省電、多功能、自動(dòng)控制的工作。進(jìn)入 90 年代后，隨著微處理器芯片性能的逐漸提高和智能控制理論的快速發(fā)展，國(guó)外開(kāi)始采用 DSP 等微處理器作為控制核心單元，采用先進(jìn)的智能算法用于開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。 本文的主要研究?jī)?nèi)容 本文的的主要研究?jī)?nèi)容是：了解直流無(wú)刷電 動(dòng)機(jī)的基本組成，工作原理和控制方式；同時(shí)分析安森美 MC33035 專(zhuān)用控制器的特點(diǎn)和原理，分析其用于無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制的主要優(yōu)勢(shì)，再最后，重點(diǎn)學(xué)習(xí) MC33035 和 MC33039 相結(jié)合的方法，加上外圍的正反轉(zhuǎn)電路、堵轉(zhuǎn)保護(hù)電路等，設(shè)計(jì)出直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的控制電路系統(tǒng)。 電機(jī)本體的電樞繞組為三相星型連接，位置傳感器與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸，控制電路對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生控制信號(hào)，控制動(dòng)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后控制逆變器的功率開(kāi)關(guān)管，使電機(jī)的各相繞組按一定的順序工作。 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） 4 當(dāng)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過(guò) 60 電角度， 到達(dá)圖 b 所示位置時(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 T2 導(dǎo)通， A、 C 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)?C 相繞組流出，經(jīng) T2 回到電源負(fù)極。 轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過(guò) 60 電角度，逆變器開(kāi)關(guān)就發(fā)生一次切換，功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通邏輯為 T T6— T T2— T T2— T T4— T T4— T T6— T T6。 轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過(guò) 60 電角度，定 子繞組就進(jìn)行一次換流，定子合成磁場(chǎng)的磁狀態(tài)就發(fā)生一次躍變。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的這種工作方式叫兩相導(dǎo)通星型三相六狀態(tài)，這是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)最常用的一種工作方式。其他時(shí)間段的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通情況與此類(lèi)似。然而，為了簡(jiǎn)化控制電路，每個(gè)霍爾傳感器的起始安裝位置在各自相繞組的基準(zhǔn)點(diǎn)（ r0=00）上 .那么在 r0=00的控制條件下， A相繞組開(kāi)始通電的時(shí)刻（即該相反 電勢(shì)相位 30度位置）恰好與 A相位置傳感器輸出信號(hào) A的電平跳變時(shí)刻重合，此時(shí)應(yīng)將 T1開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通。 本設(shè)計(jì)選用的是三相無(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)，其額定電壓 UH=36V,電樞額定電流IaH=,電樞峰值電流 IaP? 15A,額定轉(zhuǎn)速 nH=350r/min,額定功率 PH=250W。在不同的供電電壓驅(qū)動(dòng)下，可以得到如 24圖所示機(jī)械特性曲線(xiàn)簇。 調(diào)節(jié)特性 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性如圖 25所示。因?yàn)橛来朋w的勵(lì)磁磁場(chǎng)不可調(diào)，所以不能調(diào)節(jié)勵(lì)磁調(diào)速。 圖 26 工作特性 在輸出額定轉(zhuǎn)矩時(shí) ,電機(jī)效率高、損耗低是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的重要特點(diǎn)之一。自 20世紀(jì) 90年代以來(lái)，隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代化生產(chǎn)、辦公自動(dòng)化的發(fā)展，家用電器、工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備都越來(lái)越趨向于高效率化、小型化及高智能化。尤其在節(jié)能已成為時(shí)代主題的今天，無(wú)刷直流電機(jī)高效率的特點(diǎn)更顯示了其巨大的應(yīng)用價(jià)值 。由于稀土永磁材料的矯頑力高、剩磁大，可產(chǎn)生很大的氣隙磁通，這樣可以大大縮小轉(zhuǎn)子半徑，減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因而在要求有良好的靜態(tài)特性和高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等應(yīng)用中， 無(wú)刷直流電機(jī)比交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)顯示了更多的優(yōu)越性。 目前，無(wú)刷直流電機(jī)的研究主要集中在以下方面： （ 1）無(wú)機(jī)械式轉(zhuǎn)子位置傳感器控制。在很多應(yīng)用場(chǎng)合，例如空調(diào)器和計(jì)算機(jī)外設(shè)都要求無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)以無(wú)轉(zhuǎn)子位置傳感器方式運(yùn)行。 2 定子三次諧波檢測(cè)法。 但現(xiàn)有方法都存在各自的局限性，仍在不斷完善之中。 存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的固有缺點(diǎn)，特別是隨著轉(zhuǎn)速升高，換相導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)加劇，并使平均轉(zhuǎn)矩顯著下降。 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） 9 小 結(jié) 本章主要講述了直流無(wú)刷電動(dòng)的基本構(gòu)成，同時(shí)闡述了直流無(wú)刷電機(jī)的基本工作原理以及電機(jī)的所具有的運(yùn)行特性。 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） 10 3 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)主要由電源電路、給定電路、電壓和電流檢測(cè)電路、功率管驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路、直流無(wú)刷電機(jī)位置信號(hào)檢測(cè)環(huán)節(jié)以及控制電路和其外圍電路組成。 圖 31 系統(tǒng)框圖 圖 31 描述了硬件系統(tǒng)各部分之間的關(guān)聯(lián)，圖中箭頭表示能量、控制或檢測(cè)信號(hào)的傳送方向。根據(jù)外部檢測(cè)到的電機(jī)的位置信號(hào)以及電機(jī)所處的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)改變控制器輸出的控制信號(hào)從而調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。電流檢測(cè)環(huán)節(jié)主要是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制和過(guò)流保護(hù)，從外部檢測(cè)到的電流信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣后，送 到控制單元，控制單元根據(jù)檢測(cè)電流的大小來(lái)決定時(shí)序信號(hào)的輸出與否，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流故障時(shí)，時(shí)序電路會(huì)停止輸出控制信號(hào)，電機(jī)停轉(zhuǎn)。位置信號(hào)的檢測(cè)在本系統(tǒng)中主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，一是檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，為控制單元提供準(zhǔn)確的位置信號(hào)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的正確換相；此外它還起到轉(zhuǎn)速測(cè)量的作用，根據(jù)轉(zhuǎn)子每換相一次轉(zhuǎn)過(guò)固定的電角度，和電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)，系統(tǒng)利用 F/V 變換器，把轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)速越快，電壓越大。下面將具體介紹系統(tǒng)硬件的各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)方案以及所實(shí)現(xiàn)的主要功能。功率逆變電路采用三相全橋逆變電路 在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)里，開(kāi)關(guān)器件一般都選用全控型器件如 GTR、GTO、功率 MOSFET、 IGBT 等。首先逆變器的開(kāi)關(guān)頻率很高，功率開(kāi)關(guān)元件不宜采用晶閘管，而雙極型大功率晶體管雖然在大電流導(dǎo)通時(shí)其導(dǎo)通電阻很小，但卻要求較大的驅(qū)動(dòng)功率，其開(kāi)關(guān)速度也要比 MOSFET、 IGBT 低。絕緣基極雙極型大功率 晶體管（ IGBT）則是集 MOSFET 的電壓控制與雙極型大功率晶體管的大電流、低導(dǎo)通電阻的特點(diǎn)于一體的新型復(fù)合場(chǎng)控器件，它還保持了高速、低開(kāi)關(guān)損耗、對(duì)溫度不敏感等特點(diǎn)。根據(jù)電路要求，電機(jī)電源為 24V,功率為 50W,屬于小功率電動(dòng)機(jī)。 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 1 圖 32 主功率電路 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） 12 MOSFET 的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 盡管功率 MOSFET 較其他 功率開(kāi)關(guān)器件容易驅(qū)動(dòng)，但為了避免器件受損，同時(shí)也為了得到最佳控制性能，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)應(yīng)具備以下要求 : 1. 柵極電壓的限制 如果柵極電壓超過(guò) 20V,即使電流被限制到很小值，柵源間的氧化層也很容易被擊穿。而且，即使所加?xùn)艠O電壓保持低于柵源間的的最大額定電壓，柵極連線(xiàn)的寄生電感和柵極電容藕合也會(huì)產(chǎn)生使該氧化層毀壞的振蕩電壓。柵源電壓不能過(guò)高的另一個(gè)原因是 :隨著柵源電壓的升高，功 率 MOSFET 開(kāi)通關(guān)斷的充放電的時(shí)間就會(huì)加長(zhǎng)，開(kāi)關(guān)速度就會(huì)降低。二是柵源電壓過(guò)低，抗干擾能力差，容易誤關(guān)斷。 2. 柵極電路的阻抗 對(duì)一于一個(gè)己導(dǎo)通的器件，不管在線(xiàn)性區(qū)還是飽和區(qū)，必定是要有一定的電荷被送到柵極上，使其達(dá)到預(yù)期的電壓。如果器件用作開(kāi)關(guān)運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)電路具有供出大的瞬態(tài)電流的能力，這將減小處于線(xiàn)性區(qū)的時(shí)間，因而減小開(kāi)關(guān)損耗。 在某些電路結(jié)構(gòu)中，即使其性能無(wú)關(guān)緊要，為使柵極上的有害瞬變電壓 .達(dá)到最低，使柵極驅(qū)動(dòng)電路的阻抗減至最小也是重要的。減小驅(qū)動(dòng)電阻的內(nèi)阻抗，這種危險(xiǎn)就會(huì)減小，直至消失。在功率MOSFET 的應(yīng)用中，功率 MOSFET 經(jīng)常連接成橋臂的形式。這就需要一個(gè)獨(dú)立的直流電源給上橋臂的驅(qū)動(dòng)電路供電。 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） 13 。 MOSFET 可靠觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)高于管子的開(kāi)啟電壓 .為了防止誤導(dǎo)通，在其截止時(shí)應(yīng)提供負(fù)的柵源電壓。 MOSFET 并聯(lián)應(yīng)用時(shí)，電路除了滿(mǎn)足通常的驅(qū)動(dòng)要求外，還應(yīng)特別注意 :具有足夠的 峰值驅(qū)動(dòng)功率，較高的開(kāi)通關(guān)斷速度。直接驅(qū)動(dòng)分為 TTL驅(qū)動(dòng)、互補(bǔ)輸出驅(qū)動(dòng)和 CMOS 驅(qū)動(dòng)三種方式 。 直接驅(qū)動(dòng)中常用互補(bǔ)輸出驅(qū)動(dòng)，它們被稱(chēng)為圖騰柱，如圖 33 所示，由一對(duì)NPNPNP 晶體管組成的互補(bǔ)輸出電路，采用這種電路不但可以提高開(kāi)通時(shí)的速度，還可以提高關(guān)斷速度。 圖 33 互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路 在實(shí)際線(xiàn)路中，驅(qū)動(dòng)信號(hào)與 MOSFET 的連接一般要做電氣上的隔離，如主回路為橋型結(jié)構(gòu)時(shí)，上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是不共地的。采用變壓器隔離的驅(qū)動(dòng)電路一般為無(wú)源驅(qū)動(dòng)電路，它具有信號(hào)傳輸時(shí)延小，適合于高頻開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)。要解決這一問(wèn)題必須增加線(xiàn)路的復(fù)雜程度，而且脈沖變壓器的制作工藝要求較高。但是這種隔離方式由于需要獨(dú)立電源而電路較復(fù)雜，且由于高速光電藕合器的價(jià)格使驅(qū)動(dòng)回路的成本較高。一個(gè)大電流關(guān)斷電路可以很快的對(duì)輸入電容放電，提供短的開(kāi)關(guān)時(shí)間因而開(kāi)關(guān)損耗低?？斓拈_(kāi)關(guān)速度可以降低開(kāi)關(guān)損耗，但關(guān)斷加速電路由于 MOSFET 高的關(guān)斷 di/dt 和 dv/dt 會(huì)使波形產(chǎn)生振鈴。加速驅(qū)動(dòng)電路有以下幾種方式： （圖 33 中的 D 元件）； PNP 關(guān)斷電路； 3. NPN 關(guān)斷電路； 4. NMOS 關(guān)斷電路。 高端功率 MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路 功率 MOSFET 因耐壓較高，導(dǎo)通電流大以及低廉的價(jià)格而獲得了廣泛的應(yīng)用。為保證 MOSFET 飽和導(dǎo)通， 要求柵極驅(qū)動(dòng)電壓比漏極電壓高 1015V。同時(shí)要求柵極驅(qū)動(dòng)電路功率不會(huì)顯著地影響總效率。隔離電源的地與MOSFET 源極相接，柵源電壓 Ugs 為隔離電源電壓，因此能夠保證 MOSFET 飽和導(dǎo)通。但每個(gè)高壓側(cè) MOSFET 需要一個(gè)隔離電源，電路成本較高，同時(shí)需要將以地為參考點(diǎn)的信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換器必須承受全部電壓，要求低功耗快速開(kāi)關(guān)。 脈沖變壓器法電路如圖 35 b)所示。開(kāi)關(guān)頻率較低時(shí)，脈沖變壓器尺寸顯著增大 。如果在很寬的占空比范圍內(nèi)工作時(shí)，應(yīng)用技術(shù)復(fù)雜 。 3 電荷泵法 充電泵式電路結(jié)構(gòu)如圖 35 c)所示。該電路同樣需要電平轉(zhuǎn)換，同時(shí)MOSFET 開(kāi)啟時(shí)間較長(zhǎng)，可能需要兩級(jí) 泵激勵(lì)，才能保證 MOSFET 飽和驅(qū)動(dòng)。但是開(kāi)關(guān)速度較慢，不適合高頻應(yīng)用場(chǎng)合。通過(guò)自舉電容產(chǎn)生過(guò)干線(xiàn)電壓。通過(guò)自舉二極管 D 向自舉電容 C 充電，功率 MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路研究 C 就成為驅(qū)動(dòng)器的浮動(dòng)電源。自舉電容 C 的值應(yīng)大于功率 MOSFET 柵極電容的 10倍，驅(qū)動(dòng)器向柵極充電后，將使電容上的電 壓下降約 10%，在導(dǎo)通期間還將繼續(xù)下降，故自舉法不適合靜態(tài)開(kāi)關(guān)。控制信號(hào)需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。 a) 分立元件驅(qū)動(dòng)電路 b) 專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)集成芯