畢業(yè)設(shè)計--直流無刷電動機控制系統(tǒng)設(shè)計

1、<p><b>　　本科生畢業(yè)設(shè)計</b></p><p>　　直流無刷電動機控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　Brushless dc motor control system design</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　當(dāng)今社會，電動機的發(fā)展十分

2、迅速，無刷直流電機是一種新型電機。直流無刷電機主要由轉(zhuǎn)子、定子和轉(zhuǎn)子位置檢測元件等組成,它具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高、工作特性優(yōu)良等特點,而且具有可靠性更高、制造維護更方便、應(yīng)用范圍更廣泛、體積更小、控制更容易等優(yōu)點。因此對無刷直流電動機及其控制器研究具有很大意義。本課題主要是根據(jù)直流無刷專用控制器MC33035與MC33039相結(jié)合，通過融合電路設(shè)計速度閉環(huán)電路的控制系統(tǒng)。首先，以直流無刷電動機控制器的研究現(xiàn)狀為出發(fā)點，對直流無刷電動機的原

3、理及結(jié)構(gòu)進行了總述，詳細分析了直流無刷電機的運行特性，推導(dǎo)出了其傳遞函數(shù)，并且創(chuàng)立了直流無刷電動機的數(shù)學(xué)模型。講述了本系統(tǒng)的總體設(shè)計方法和思路，建立了系統(tǒng)的總體框架，然后介紹了主電路設(shè)計、控制器外圍電路設(shè)計以及MOSFET驅(qū)動電路設(shè)計，其中重點講述了系統(tǒng)各個功能模塊的工作原理和作用，以及其硬件設(shè)備設(shè)計和實現(xiàn)。在課題的最后階段對直流無刷電機系統(tǒng)控制效果專門進行了實驗數(shù)據(jù)分析，并且對總體的設(shè)計過程做出了總結(jié)。</p><

4、p>　　關(guān)鍵詞：直流無刷電動機；開閉環(huán)電路；雙閉環(huán)調(diào)速；MOSFET驅(qū)動</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Nowadays society，motor has spread all areas of national economy and People's Daily life, and the Brushle

5、ss 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 t

6、akes 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 man</p><p>　　First, this paper sta

7、rts from the current research situation of brushless DC motor controller. The structure of the brushless DC motor and principle are reviewed to establish a mathematical model of brushless DC motor, and a detailed analysi

8、s of the operational characteristics of the motor is derived out of its transfer function. This part describes the overall design of this system and establishes the overall framework of the system. Then, the paper introd

9、uces the main circuit design, MOSFET dr</p><p>　　Key Words：the brushless DC motor； Hall signal detection；double-loop speed regulation；mosfet driver </p><p><b>　　目 錄</b></p>

10、<p><b>　　1 概述1</b></p><p>　　1.1課題背景與研究意義1</p><p>　　1.2無刷直流電動機的發(fā)展概況1</p><p>　　1.3本文的主要研究內(nèi)容2</p><p>　　2 直流無刷電動機結(jié)構(gòu)特點及基本工作原理3</p><p>　　2

11、.1直流無刷電動機的基本結(jié)構(gòu)3</p><p>　　2.2無刷直流電動機的運行特性5</p><p>　　2.2.1 機械特性5</p><p>　　2.2.2 調(diào)節(jié)特性6</p><p>　　2.2.3 工作特性7</p><p>　　2.3 無刷直流電動機的應(yīng)用與研究動向8</p><

12、;p><b>　　2.4小結(jié)9</b></p><p>　　3 直流無刷電動機控制系統(tǒng)的整體方案設(shè)計10</p><p>　　3.1系統(tǒng)總體設(shè)計方案10</p><p>　　3.2主電路的設(shè)計11</p><p>　　3.3 MOSFET的驅(qū)動電路設(shè)計12</p><p>　　3.

13、3 .1驅(qū)動電路分類13</p><p>　　3.3.2高端功率MOSFET驅(qū)動電路14</p><p>　　3.4控制單元設(shè)計17</p><p>　　3.4.1 MC33035無刷直流電動機控制器集成電路簡介18</p><p>　　3.4.2電流檢測模塊設(shè)計22</p><p>　　3.4.3速度閉環(huán)設(shè)

14、計23</p><p>　　3.4.4誤差放大器設(shè)計24</p><p>　　3.4.5振蕩器設(shè)計24</p><p>　　3.5控制器的開環(huán)電路設(shè)計25</p><p>　　3.6控制器的閉環(huán)電路設(shè)計26</p><p><b>　　3.7 小結(jié)27</b></p>&

15、lt;p><b>　　4 本文總結(jié)28</b></p><p><b>　　參考文獻29</b></p><p>　　附錄1：系統(tǒng)電路圖30</p><p>　　附錄2：簡易速度閉環(huán)電路31</p><p><b>　　附錄332</b></p>

16、<p><b>　　致謝39</b></p><p><b>　　1 概述</b></p><p>　　1.1課題背景與研究意義</p><p>　　直流電機具有線性機械特性優(yōu)秀、起動轉(zhuǎn)矩較大、調(diào)速范圍寬、控制電路結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。在各種驅(qū)動裝置和伺服系統(tǒng)中都廣泛使用直流電機，但是直流電機的換向器和電刷是電機更好

17、發(fā)展的一個阻礙。在直流電機中，機械的電刷和換向器因強迫性接觸，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機的調(diào)速精度和性能。因此，長久以來，人們都圍繞這些方面研究，以求解決根本問題。</p><p>　　通過這些年的研究和探索，隨著電子技術(shù)的進步和新型材料的出現(xiàn)，無刷直流電動機終于問世了。</p><p>　　無刷直流電動機用電子的換向器代替了機械的換向器和電刷，優(yōu)越了

18、電機的性能，同時保留了直流電動機的種種優(yōu)點，所以它一經(jīng)問世就得到了迅速發(fā)展和普及應(yīng)用。近年來，各個國家關(guān)于直流無刷電動機的研究都十分活躍。我國稀土資源十分豐富，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效率，縮小電動機體積。</p><p>　　MC33035是安森美半導(dǎo)體推出的第二代無刷直流電機的專用控制器，其中包括了實現(xiàn)全新性能三相或四相電機開環(huán)控制系統(tǒng)所需要的一切功能。MC33035中有一

19、個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償參考電壓、頻率可調(diào)式鋸齒波振蕩器、六個MOSFET驅(qū)動器。而MC33039是專門設(shè)計用于無刷直流電機控制系統(tǒng)的高性能閉環(huán)速度控制適配器 ，可實現(xiàn)精準(zhǔn)的速度調(diào)變同時不需要光電測速計。MC33035和MC33039配合使用，可簡單有效地用于速度閉環(huán)控制器中，具有以下特點： 工作性能穩(wěn)定平衡、保護功能完善、構(gòu)成的系統(tǒng)所需外圍電路簡潔明朗、抗干擾能力較強等。</p>&

20、lt;p>　　1.2無刷直流電動機的發(fā)展概況</p><p>　　在國外，直流無刷電機發(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到提高無刷直流電機性能的目的?？墒窍冗M的技術(shù)和材料也不能解決電機低速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動大這個問題。與此同時，人們又把對直流無刷電機研究的方向轉(zhuǎn)移到電子換向與智能控制這兩個方面，以求降低產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩波動。在電子換向方面，主要分為：一是對電流的控制，二是對轉(zhuǎn)子位置的檢測；關(guān)于

21、控制電流一般采用穩(wěn)頻兩態(tài)和電流分時反饋，而對于轉(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)，國外的部分專家提出了無位置傳感器法。尤其是在1980年，H.Lehuy等人提出了利用轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢進行位置檢測，這種方法又叫“反電動勢法”，1990年，S.Ogasawara提出了續(xù)流二極管法：它是通過檢測反向并聯(lián)在驅(qū)動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

22、估計的檢測方法，通過相電壓、線電流信號計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。這種方法雖然計算稍顯復(fù)雜，但是其優(yōu)點也很顯著，其誤差小、調(diào)速范圍廣，是一種比較理想的檢測方法，在當(dāng)時國外已經(jīng)開始應(yīng)用于實踐和</p><p>　　在永磁材料上，人們采用了釹鐵硼、杉鉆等新型永磁材料。在智能控制的研究方向上，1984年，美國通用電氣公司推出了一種先進的智能電動機，引起了國際上各方面的關(guān)注，其實這種電機是一種以

23、微處理器作為控制核心的無刷直流電動機，這種電動機具有較寬的調(diào)速范圍，并且噪聲低，效率高，可實現(xiàn)一定程度的“智能”操作，它一經(jīng)問世就受到了廣泛的關(guān)注，產(chǎn)品初期用于吊扇，實現(xiàn)無級調(diào)速，然后逐步應(yīng)用于洗衣機、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、自動控制的工作。再后來，人們把無刷直流電機應(yīng)用在電子精密設(shè)備、工業(yè)自動化設(shè)備及汽車設(shè)備均取得了巨大的成果。進入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

24、，國外開始采用DSP等微處理器作為控制核心單元，采用先進的智能算法用于開發(fā)產(chǎn)品。</p><p>　　在直流無刷電機發(fā)展的同時，電子換向電路、驅(qū)動電路和轉(zhuǎn)子位置檢測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控制。</p><p>　　1.3本文的主要研究內(nèi)容</p>

25、;<p>　　本文的的主要研究內(nèi)容是：了解直流無刷電動機的基本組成，工作原理和控制方式；同時分析安森美MC33035專用控制器的特點和原理，分析其用于無刷電動機控制的主要優(yōu)勢，再最后，重點學(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)保護電路等，設(shè)計出直流無刷電動機的控制電路系統(tǒng)。</p><p>　　2 直流無刷電動機結(jié)構(gòu)特點及基本工作原理</p><

26、;p>　　2.1直流無刷電動機的基本結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　1.關(guān)于轉(zhuǎn)矩的分析</b></p><p>　　直流無刷永磁電動機主要是由電動機本體、電子開關(guān)線路和位置傳感器三部分組成。</p><p>　　電機本體的電樞繞組為三相星型連接，位置傳感器與電機轉(zhuǎn)子同軸，控制電路對位置信號進行邏輯變換后產(chǎn)生控制信號，控制動信號經(jīng)驅(qū)動電路

27、隔離放大后控制逆變器的功率開關(guān)管，使電機的各相繞組按一定的順序工作。</p><p>　　圖2-1 無刷直流電動機工作原理示意圖</p><p>　　如圖2-1所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（順時針）到圖a所示的位置時，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動逆變器，使T1、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，再從B相繞組流出，經(jīng)T6回到電源的負(fù)極，此時定

28、轉(zhuǎn)子磁場相互作用，使電機的轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動。</p><p>　　當(dāng)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過60電角度，到達圖b所示位置時，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動逆變器，使T1、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，再從C相繞組流出，經(jīng)T2回到電源負(fù)極。此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用，使電機的轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時針轉(zhuǎn)動。</p><p>　　轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過60電角度，逆變

29、器開關(guān)就發(fā)生一次切換，功率開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯為T1、T6—T1、T2—T3、T2—T3、T4—T5、T4—T5、T6—T1、T6。</p><p>　　在次期間，轉(zhuǎn)子始終受到順時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩作用，沿順時針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過60電角度，定子繞組就進行一次換流，定子合成磁場的磁狀態(tài)就發(fā)生一次躍變。可見，電機有6種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導(dǎo)通，每相繞組的導(dǎo)通時間

30、對應(yīng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120電角度。無刷直流電動機的這種工作方式叫兩相導(dǎo)通星型三相六狀態(tài)，這是無刷直流電動機最常用的一種工作方式。</p><p>　　2．無刷直流電動機與輸出開關(guān)管換流信號</p><p>　　無刷直流電動機的位置一般采用三個在空間上相隔120電角度的霍爾位置傳感器進行檢測，當(dāng)位于霍爾傳感器位置處的磁場極性發(fā)生變化時，傳感器的輸出電平將發(fā)生改變，由于三個霍爾傳感器位檢測元件的位置

31、在空間上各差120電角度，因此從這三個檢測元件輸出端可以獲得三個在時間上互差120度、寬度為180度的電平信號，分別用A、B、C來表示，如圖2-3所示，以信號A為例，A相位置寬度為180電導(dǎo)角：在0-60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，所以此段時間為T1和T6等于1，（此時下部可供導(dǎo)通的管子為T4、 T6和T2，而為避免橋臂直通，T4不能導(dǎo)通；T2的導(dǎo)通時間未到，故只能是T6導(dǎo)通）；而在60度—120度，此

32、時只有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，由于 每一相只有120電導(dǎo)角導(dǎo)電時間，故此時T1關(guān)斷（T1=0），T2仍然導(dǎo)通（B相開始進入導(dǎo)電期），此時可知，T1關(guān)斷，T5不能開通（防止橋臂直通），則此時只能開通T3，所以T3信號此時間段為1。其他時間段的開關(guān)管導(dǎo)通情況與此類似</p><p>　　理論上，只要保證三個位

33、置傳感器在空間上互差120度，開關(guān)管的換流時刻總是可以推算出來的。然而，為了簡化控制電路，每個霍爾傳感器的起始安裝位置在各自相繞組的基準(zhǔn)點（r0=00）上.那么在r0=00的控制條件下，A相繞組開始通電的時刻（即該相反電勢相位30度位置）恰好與A相位置傳感器輸出信號A的電平跳變時刻重合，此時應(yīng)將T1開關(guān)管驅(qū)動導(dǎo)通。同理，其他開關(guān)管的導(dǎo)通時刻也可以按同樣方法確定。</p><p>　　本設(shè)計選用的是三相無刷永磁直流

34、電動機，其額定電壓UH=36V,電樞額定電流IaH=8.5A,電樞峰值電流IaP15A,額定轉(zhuǎn)速nH=350r/min,額定功率PH=250W。</p><p>　　圖2-2 無刷電動機位置檢測及開關(guān)管驅(qū)動信號</p><p>　　表2-1無刷電動機直流通電控制方式開關(guān)切換表</p><p>　　2.2無刷直流電動機的運行特性</p><p>

35、;　　2.2.1 機械特性</p><p>　　無刷直流電動機的機械特性為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　　-開關(guān)器件的管壓降</b></p><p><b>　　-電樞電流</b></p><p><

36、b>　　-電機的電動勢常數(shù)</b></p><p><b>　　-每級磁通量</b></p><p>　　可見無刷直流電動機的機械特性與一般直流電動機的機械特性表達式相同，機械特性較硬。在不同的供電電壓驅(qū)動下，可以得到如2-4圖所示機械特性曲線簇。</p><p>　　圖2-4 機械特性曲線簇</p><p

37、>　　當(dāng)電機的轉(zhuǎn)速較低、轉(zhuǎn)矩較大時，流過電樞繞組和開關(guān)管的電流很大，這時，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，因而圖所示的機械特性曲線會偏離直線，向下彎曲。</p><p>　　2.2.2 調(diào)節(jié)特性</p><p>　　無刷直流電動機的調(diào)節(jié)特性如圖2-5所示。</p><p><b>　　圖2-5 調(diào)節(jié)特性</b>

38、</p><p>　　調(diào)節(jié)特性的始動電壓和斜率分別為：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　從調(diào)節(jié)特性和機械特性可以看出，無刷直流電動機具有良好的調(diào)速控制性能，可以通過調(diào)節(jié)電源電壓實現(xiàn)無級調(diào)速。因為永磁體的勵磁磁場不可調(diào)

39、，所以不能調(diào)節(jié)勵磁調(diào)速。</p><p>　　2.2.3 工作特性</p><p>　　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2-6所示。</p><p><b>　　圖2-6 工作特性</b></p><p>　　在輸出額定轉(zhuǎn)矩時,電機效率高、損耗低是無刷直流電動機的重要特點之一。</p>&l

40、t;p>　　2.3 無刷直流電動機的應(yīng)用與研究動向</p><p>　　現(xiàn)階段，在傳動應(yīng)用中直流和交流電動機雖然占的比例比較高，但無刷直流電動機正受到普遍的關(guān)注。自20世紀(jì)90年代以來，隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代化生產(chǎn)、辦公自動化的發(fā)展，家用電器、工業(yè)機器人等設(shè)備都越來越趨向于高效率化、小型化及高智能化。作為執(zhí)行元件的重要組成部分，電機必須具有精度高、速度快、效率高等特點，無刷直流電機的應(yīng)用也因此而迅速增

41、長。尤其在節(jié)能已成為時代主題的今天，無刷直流電機高效率的特點更顯示了其巨大的應(yīng)用價值。</p><p>　　無刷直流電機轉(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)矩運行；對于恒功率運行，無刷直流電機雖然不能直接改變磁通實現(xiàn)弱磁控制，但通過控制方法的改進也可以獲得弱磁控制的效果。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)動慣量，因而在要求有

42、良好的靜態(tài)特性和高動態(tài)響應(yīng)的伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，如數(shù)控機床、機器人等應(yīng)用中，無刷直流電機比交流伺服電機和直流伺服電機顯示了更多的優(yōu)越性。目前無刷直流電機的應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，并日趨廣泛，特別是在家用電器、電動汽車、航空航天等領(lǐng)域已得到大量應(yīng)用。</p><p>　　目前，無刷直流電機的研究主要集中在以下方面：</p><p>　　（1）無機械式轉(zhuǎn)子位置傳感器控制。</p&g

43、t;<p>　　轉(zhuǎn)子位置傳感器是整個驅(qū)動系統(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，同時還需要占據(jù)一定的空間位置。在很多應(yīng)用場合，例如空調(diào)器和計算機外設(shè)都要求無刷直流電動機以無轉(zhuǎn)子位置傳感器方式運行。</p><p>　　無轉(zhuǎn)子位置傳感器運行實際上就是要求在不采用機械傳感器的條件下，利用電機的電壓和電流信息獲得轉(zhuǎn)子磁極的位置.</p><

44、p>　　目前比較成熟的無轉(zhuǎn)子位置傳感器運行方式有：</p><p>　　1 反電動勢法——包括直接反電動勢法、間接反電動勢法以及派生出來的反電動勢積分法等。</p><p>　　2 定子三次諧波檢測法。</p><p>　　3 續(xù)流二極管電流通路檢測法。</p><p>　　但現(xiàn)有方法都存在各自的局限性，仍在不斷完善之中。</p&

45、gt;<p>　?。?）轉(zhuǎn)矩脈動控制。</p><p>　　存在轉(zhuǎn)矩脈動是無刷直流電動機的固有缺點，特別是隨著轉(zhuǎn)速升高，換相導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動加劇，并使平均轉(zhuǎn)矩顯著下降。減小轉(zhuǎn)矩脈動是提高無刷直流電動機性能的重要方面。</p><p><b>　　2.4小結(jié)</b></p><p>　　本章主要講述了直流無刷電動的基本構(gòu)成，同時闡述了直

46、流無刷電機的基本工作原理以及電機的所具有的運行特性。通過這些為深入學(xué)習(xí)無刷直流電機的控制奠定一定的基礎(chǔ)。</p><p>　　3 直流無刷電動機控制系統(tǒng)的整體方案設(shè)計</p><p>　　3.1系統(tǒng)總體設(shè)計方案</p><p>　　直流無刷電機控制系統(tǒng)主要由電源電路、給定電路、電壓和電流檢測電路、功率管驅(qū)動及保護電路、直流無刷電機位置信號檢測環(huán)節(jié)以及控制電路和其外圍

47、電路組成。各個電路之間的連接關(guān)系以及能量和信號的傳輸方向如圖3-1 所示。</p><p>　　圖3-1 系統(tǒng)框圖</p><p>　　圖3-1 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、控制或檢測信號的傳送方向。當(dāng)系統(tǒng)處在運行狀態(tài)時，通過外部輸入設(shè)備（如開關(guān)、滑動變阻器等）向控制器發(fā)送運行指令（如正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速等），并且載入運行參數(shù)。根據(jù)外部檢測到的電機的位置信號以及電機所處

48、的運行狀態(tài)來改變控制器輸出的控制信號從而調(diào)整電機的運行狀態(tài)。電壓檢測環(huán)節(jié)主要是實現(xiàn)電機運行時的保護（如過壓、欠壓、以及能量回饋制動方式運行等）。電流檢測環(huán)節(jié)主要是實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制和過流保護，從外部檢測到的電流信號經(jīng)過采樣后，送到控制單元，控制單元根據(jù)檢測電流的大小來決定時序信號的輸出與否，當(dāng)出現(xiàn)過流故障時，時序電路會停止輸出控制信號，電機停轉(zhuǎn)。當(dāng)堵轉(zhuǎn)時，電流檢測電路會給檢測電容充電，當(dāng)堵轉(zhuǎn)的時間夠長時，封鎖電機轉(zhuǎn)動開關(guān)信號，起到

49、堵轉(zhuǎn)保護的作用。位置信號的檢測在本系統(tǒng)中主要實現(xiàn)兩個功能，一是檢測轉(zhuǎn)子位置，為控制單元提供準(zhǔn)確的位置信號，實現(xiàn)開關(guān)管的正確換相；此外它還起到轉(zhuǎn)速測量的作用，根據(jù)轉(zhuǎn)子每換相一次轉(zhuǎn)過固定的電角度，和電機轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)，系統(tǒng)利用F/V變換器，把轉(zhuǎn)子的位置信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，轉(zhuǎn)速越快，電壓越大。模擬量信號被加入到控</p><p><b>　　3.2主電路的設(shè)計</b></p><

50、p>　　主電路主要由逆變電路構(gòu)成，與電動機的聯(lián)結(jié)關(guān)系如圖3-2 所示，圖中直流無刷電機額定功率為 50W，電樞繞組 Y 連接。功率逆變電路采用三相全橋逆變電路 </p><p>　　在直流無刷電動機的控制系統(tǒng)里，開關(guān)器件一般都選用全控型器件如 GTR、GTO、功率 MOSFET、IGBT 等。它們在耐壓、容量、開關(guān)速度等方面的差異很大，需要根據(jù)實際情況進行選取。首先逆變器的開關(guān)頻率很高，功率開關(guān)元件不宜采用

51、晶閘管，而雙極型大功率晶體管雖然在大電流導(dǎo)通時其導(dǎo)通電阻很小，但卻要求較大的驅(qū)動功率，其開關(guān)速度也要比 MOSFET、IGBT 低。MOSFET 是一種多數(shù)載流子器件，無少數(shù)載流子的存儲效應(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)動電路較為簡單，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。絕緣基極雙極型大功率晶體管（

52、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)通電阻的特點于一體的新型復(fù)合場控器件，它還保持了高速、低開關(guān)損耗、對溫度不敏感等特點。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。根據(jù)電路要求，電機電源為24V,功率為50W,屬于小功率電動機。本設(shè)計選用型號為RF</p><p>　　圖3-2 主功率電路</p><p>

53、;　　3.3 MOSFET的驅(qū)動電路設(shè)計</p><p>　　盡管功率MOSFET較其他功率開關(guān)器件容易驅(qū)動，但為了避免器件受損，同時也為了得到最佳控制性能，設(shè)計驅(qū)動電路時應(yīng)具備以下要求:</p><p><b>　　柵極電壓的限制</b></p><p>　　如果柵極電壓超過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。由于該

54、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。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，柵極連線的寄生電感和柵極電容藕合也會產(chǎn)生使該氧化層毀壞的振蕩電壓。通過漏柵自身電容，還能把漏極電路瞬變造成的過電壓藕合過來。柵源電壓不能過高的另一個原因是:隨著柵源電壓的升高，功率MOSFET開通關(guān)斷的充放電的時間就會加長，開關(guān)速度就會降低。但是柵源電壓也不能太低，原因有2個:一是功率MOSFET的通態(tài)電阻

55、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;二是柵源電壓過低，抗干擾能力差，容易誤關(guān)斷。</p><p>　　根據(jù)以上綜合考慮，一般選擇柵源電壓為10-18V，本文取15V。</p><p><b>　　柵極電路的阻抗</b></p><p>　　對一于一個己導(dǎo)通的器件，不管在線性區(qū)還是飽和區(qū)，必定是要有一定的電

56、荷被送到柵極上，使其達到預(yù)期的電壓。理想上，達此目的的最好辦法就是借助一個電壓源，它能在盡可能短的時間內(nèi)提供任何量值的電流。如果器件用作開關(guān)運行，驅(qū)動電路具有供出大的瞬態(tài)電流的能力，這將減小處于線性區(qū)的時間，因而減小開關(guān)損耗。另一方面，如果器件工作在線性模式，柵極驅(qū)動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。</p><p>　　在某些電路結(jié)構(gòu)中，即使其性能無關(guān)

57、緊要，為使柵極上的有害瞬變電壓.達到最低，使柵極驅(qū)動電路的阻抗減至最小也是重要的。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器件的漏極或源極施加一個階躍電壓，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。減小驅(qū)動電阻的內(nèi)阻抗，這種危險就會減小，直至消失。</p><p>　　3.具有對“地”可浮動

58、的直流電源</p><p>　　柵極驅(qū)動電壓是對功率MOSFET源極的電壓，而不是對“地”的電壓。在功率MOSFET的應(yīng)用中，功率MOSFET經(jīng)常連接成橋臂的形式。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)動電路的“地”就不能連在下橋臂的“地”上。這就需要一個獨立的直流電源給上橋臂的驅(qū)動電路供電。由于本系統(tǒng)采用橋式電路，所以后面將對其做詳細介紹。<

59、;/p><p>　　4.觸發(fā)脈沖要具有足夠快的上升和下降速度。</p><p>　　5.開通時以低電阻為柵極電容充電，關(guān)斷時為柵極提供低電阻放電回路，以提高功率MOSFET的開關(guān)速度。</p><p>　　6.為了使功率MOSFET可靠觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖電壓應(yīng)高于管子的開啟電壓.為了防止誤導(dǎo)通，在其截止時應(yīng)提供負(fù)的柵源電壓。</p><p>　　

60、7.功率開關(guān)管開關(guān)時所需驅(qū)動電流為柵極電容的充放電電流，功率管極間電容越大，所需電流越大，即帶負(fù)載能力越大。</p><p>　　8.功率MOSFET并聯(lián)應(yīng)用時，電路除了滿足通常的驅(qū)動要求外，還應(yīng)特別注意:具有足夠的峰值驅(qū)動功率，較高的開通關(guān)斷速度。</p><p>　　3.3 .1驅(qū)動電路分類</p><p>　　按驅(qū)動電路與柵極的連接方式可分為:直接驅(qū)動和隔離驅(qū)

61、動。直接驅(qū)動分為TTL驅(qū)動、互補輸出驅(qū)動和CMOS驅(qū)動三種方式;隔離驅(qū)動分為電磁隔離和光電隔離兩種。</p><p>　　直接驅(qū)動中常用互補輸出驅(qū)動，它們被稱為圖騰柱，如圖3-3所示，由一對NPN-PNP晶體管組成的互補輸出電路，采用這種電路不但可以提高開通時的速度，還可以提高關(guān)斷速度。在這種電路中，晶體管是作為射極跟隨器工作的，不會出現(xiàn)飽和，因而不影響功率MOSFET的開關(guān)頻率。</p><

62、p>　　圖3-3 互補驅(qū)動電路 </p><p>　　在實際線路中，驅(qū)動信號與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，上、下橋臂的驅(qū)動信號是不共地的。驅(qū)動信號的隔離方式有多種，其中最主要的是脈沖變壓器隔離和光電禍合器隔離。采用變壓器隔離的驅(qū)動電路一般為無源驅(qū)動電路，它具有信號傳輸時延小，適合于高頻開關(guān)的特點。但是，這種隔離方式的最大缺點是驅(qū)動信號的寬度受變壓器飽和限制。要解決這一問題

63、必須增加線路的復(fù)雜程度，而且脈沖變壓器的制作工藝要求較高。采用光電禍合器隔離的驅(qū)動電路是有源驅(qū)動電路，它需要獨立的電源，驅(qū)動電路的時延可以根據(jù)主回路開關(guān)頻率的要求選擇相應(yīng)工作速度的光電藕合器來達到要求，驅(qū)動信號的寬度不受限制。但是這種隔離方式由于需要獨立電源而電路較復(fù)雜，且由于高速光電藕合器的價格使驅(qū)動回路的成本較高。另外，一般光電耦合器初次級之間的分布電容藕合到控制回路，造成誤觸發(fā)。一個大電流關(guān)斷電路可以很快的對輸入電容放電，提供短的

64、開關(guān)時間因而開關(guān)損耗低。對于常用的N溝道器件，大的放電電流可以通過低輸出阻抗驅(qū)動器或負(fù)的驅(qū)動電壓而得到?？斓拈_關(guān)速度可以降低開關(guān)損耗，但關(guān)斷加速電路由于MOSFET高的關(guān)斷di/dt和dv/dt會使波形產(chǎn)生</p><p>　　1.關(guān)斷二極管加速關(guān)斷電路（圖3-3中的D元件）；</p><p>　　2.局部PNP關(guān)斷電路；</p><p>　　3. NPN關(guān)斷電路；

65、</p><p>　　4. NMOS關(guān)斷電路。</p><p>　　本章對加速驅(qū)動電路不做詳細介紹，下面重點介紹高端功率MOSFET驅(qū)動電路。</p><p>　　3.3.2高端功率MOSFET驅(qū)動電路</p><p>　　功率MOSFET因耐壓較高，導(dǎo)通電流大以及低廉的價格而獲得了廣泛的應(yīng)用。在有些應(yīng)用場合，需要功率MOSFET用作高壓側(cè)開

66、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。為保證MOSFET飽和導(dǎo)通，要求柵極驅(qū)動電壓比漏極電壓高10-15V。柵極控制電壓一般以地為參考點，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，控制信號必須轉(zhuǎn)換電平，使其為高壓側(cè)源極電位。同時要求柵極驅(qū)動電路功率不會顯著地影響總效率。</p><p>　　圖3-4 高壓浮動MOSFET應(yīng)用電路</p><p>　　a

67、) 隔離電源法基本電路 b) 脈沖變壓器法基本電路</p><p>　　c) 電荷泵法基本電路 d) 自舉電路法基本電路</p><p>　　圖3-5 高壓浮動MOSFET驅(qū)動常用技術(shù)</p><p><b>　　1.隔離電源法</b></p><p&

68、gt;　　采用隔離電源法對MOSFET柵極驅(qū)動的電路如圖3-5 a)所示。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。該驅(qū)動方法對控制信號開關(guān)周期沒有要求，能夠?qū)艠O進行連續(xù)驅(qū)動。但每個高壓側(cè)MOSFET需要一個隔離電源，電路成本較高，同時需要將以地為參考點的信號進行電平轉(zhuǎn)換，電平轉(zhuǎn)換器必須承受全部電壓，要求低功耗快速開關(guān)。一般要求下可以采用光電隔離器。</p>&l

69、t;p><b>　　2.脈沖變壓器法</b></p><p>　　脈沖變壓器法電路如圖3-5 b)所示。采用脈沖變壓器隔離驅(qū)動，電路結(jié)構(gòu)簡單，成本適中.但其應(yīng)用在許多方面受到限制。開關(guān)頻率較低時，脈沖變壓器尺寸顯著增大;開關(guān)頻率較高時，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;如果在很寬的占空比范圍內(nèi)工作時，應(yīng)用技術(shù)復(fù)雜;不能對柵極做連續(xù)控制。</p><

70、p><b>　　3電荷泵法</b></p><p>　　充電泵式電路結(jié)構(gòu)如圖3-5 c)所示。利用電平控制MOSFET的開啟，當(dāng)MOSFET被開啟后，以充電泵驅(qū)動?xùn)艠O來產(chǎn)生過干線電壓。該電路同樣需要電平轉(zhuǎn)換，同時MOSFET開啟時間較長，可能需要兩級泵激勵，才能保證MOSFET飽和驅(qū)動。該驅(qū)動方法對控制信號開關(guān)周期沒有要求，能夠?qū)艠O進行連續(xù)驅(qū)動，成本較低。但是開關(guān)速度較慢，不適合高頻

71、應(yīng)用場合。</p><p><b>　　4.自舉法</b></p><p>　　自舉法電路如圖3-5d)所示。通過自舉電容產(chǎn)生過干線電壓。當(dāng)高端功率MOSFET關(guān)斷時，電源Vcc。通過自舉二極管D向自舉電容C充電，功率MOSFET驅(qū)動電路研究C就成為驅(qū)動器的浮動電源。當(dāng)高端功率MOSFET導(dǎo)通時，自舉電源將超過直流母線電壓，自舉二極管截止。自舉電容C的值應(yīng)大于功率MO

72、SFET柵極電容的10倍，驅(qū)動器向柵極充電后，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)開關(guān)。該方法簡單，價格便宜，但占空比和開啟時間受自舉電容刷新時間的限制，要求控制信號開關(guān)頻率在幾十赫茲以上，而且自舉電容的值必須十分精確?？刂菩盘栃枰M行電平轉(zhuǎn)換。</p><p>　　通過分析和計算，本系統(tǒng)采用自舉電路法來實現(xiàn)高端MOSFET驅(qū)動，這種電路結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，不需要隔離電源，但分

73、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3-6）來完成驅(qū)動電路的設(shè)計。</p><p>　　a) 分立元件驅(qū)動電路 b) 專用驅(qū)動集成芯片</p><p>　　圖3-6 MOSFET專用驅(qū)動集成芯片</p><p>　　圖3-7 換向電路的一個橋臂及其驅(qū)動電路</p><p>　　

74、逆變電路中其中一個半橋結(jié)構(gòu)原理圖如圖3-7所示，由2個功能模塊組成。驅(qū)動控制芯片采用IR2110，電力電子器件采用IRF540，續(xù)流二極管采用FER307。</p><p>　?。?）電力電子器件的驅(qū)動 完成對逆變電路中電力電子器件的驅(qū)動。驅(qū)動控制芯片采用IR2110本身具備自具功能，所以上橋驅(qū)動信號不需要隔離。</p><p>　?。?）逆變主回路 該全橋結(jié)構(gòu)包含6個功率MOSFET，

75、為了減小MOSFET中寄生二極管的影響每個器件分別串并了一個快速恢復(fù)二極管。</p><p><b>　　3.4控制單元設(shè)計</b></p><p>　　根據(jù)技術(shù)要求 控制器是以專用芯片MC33035和 MC33039來進行設(shè)計。位置反饋采用霍爾傳感器。設(shè)計有轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)控制、正反轉(zhuǎn)、過電流保護等。根據(jù)技術(shù)要求 , 以 MC33035為核心構(gòu)成的控制系統(tǒng)采用 PWM方

76、式控制電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速 , 采用電機內(nèi)置的霍爾傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置。由MC33035接收霍爾傳感器的位置信號 , 并對其進行譯碼 , 對應(yīng)的真值見表3-1。</p><p>　　表3-1 三相六步換向表真值表</p><p>　　以電機驅(qū)動芯片MC33039作為功率變換元件 , 采用三相全橋驅(qū)動。整個控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制?？刂瓶驁D如圖3-8所示。外環(huán)是速度環(huán) , 內(nèi)環(huán)是電流環(huán) , 均采用

77、P I 控制 , 以消除靜差。電機剛起動時 , 系統(tǒng)基本上為恒流控制 , 即內(nèi)環(huán)起作用 , 當(dāng)轉(zhuǎn)速達到一定值后 , 系統(tǒng)基本表現(xiàn)為一個恒轉(zhuǎn)速系統(tǒng)。這樣既能保證系統(tǒng)起動時響應(yīng)速度快 , 整體上又是一個無靜差系統(tǒng) , 能達到很高的控制精度。</p><p>　　圖3-8 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　3.4.1 MC33035無刷直流電動機控制器集成電路簡介</p>&

78、lt;p>　　MC33035是美國安森美半導(dǎo)體公司的高性能第二代單片無刷直流電動機控制器，包含實現(xiàn)一個全性能三相或四相電動機開環(huán)控制系統(tǒng)所需的全部功能。此器件有一個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償參考電壓、頻率可調(diào)鋸齒波振蕩器、三個集電極開路高壓側(cè)驅(qū)動器和三個特別適用于驅(qū)動電力MOSFET的大電流圖騰柱輸出電路低壓側(cè)驅(qū)動器。包括的保護功能有欠壓鎖定、用可選延時鎖存關(guān)斷模式的逐周限流、內(nèi)部過熱關(guān)斷以及獨特的

79、故障輸出，可與微處理器控制系統(tǒng)接口。典型的電動機控制功能包括開環(huán)速度、正向或反向、運行使能以及能耗制動。還設(shè)計了用于傳感器電氣相位為60º/300 º或120º/240 º的無刷直流電動機運行，也可有效地控制有刷直流電動機。</p><p><b>　　主要特點有：</b></p><p>　　· 10到30伏寬工作

80、電壓</p><p><b>　　· 欠壓鎖定功能</b></p><p>　　· 可作為傳感器電源的6.25伏參考電壓</p><p>　　· 完全可訪問的誤差放大器，用于閉環(huán)伺服應(yīng)用</p><p>　　· 大電流驅(qū)動器，可控制3相MOSFET橋</p>

81、<p><b>　　· 逐周限流</b></p><p>　　· 帶電流檢測參考的引腳</p><p><b>　　· 內(nèi)部熱關(guān)斷</b></p><p>　　· 可選60º／300 º或l20 º／240 º傳感器相位<

82、;/p><p>　　· 也可與外部MOSFET半橋有效地控制有刷直流電動機</p><p>　　管腳圖排列如圖3-9所示，各管腳功能如表3-2所示。</p><p>　　圖3-9 MC33035俯視圖</p><p>　　圖3-10 典型電路框圖</p><p>　　內(nèi)置轉(zhuǎn)子位置譯碼器監(jiān)控三個傳感器輸入(管

83、腳4，5，6)以提供頂端、底部驅(qū)動輸入的正確時序。傳感器輸入被設(shè)計為直接與集電極開路類型霍爾效應(yīng)開關(guān)或者光開槽耦合器連接。包含了內(nèi)置上拉電阻以使所需的外部器件最少。輸入與門限典型值為2.2V的TTL電平兼容，MC33035系列被設(shè)計用于控制三相電機，并可在最常見的四種傳感器相位下工作。提供的60°/l20°選擇(管腳22)可使MC33035很方便地控制具有60°，l20°，240°或30

84、0°的傳感器相位的電機，對于三個傳感器輸入，有八種可能的輸入編碼組合，其中六種是有效的轉(zhuǎn)子位置，另外兩種編碼組合無效，通常是由于傳感器的開路或者短路所致，利用6個有效輸入編碼，譯碼器可以在使用60度電氣相位的窗口內(nèi)分辨出電機轉(zhuǎn)子的位置。</p><p>　　正向/反向輸出(管腳3)通過翻轉(zhuǎn)定子繞組上的電壓用來改變電機轉(zhuǎn)向。當(dāng)輸入改變了狀態(tài)，一個指定的傳感器輸入編碼從高電平變?yōu)榈碗娖?例如100)，具相同

85、字母標(biāo)識的可用頂部和底部驅(qū)動輸出將互相轉(zhuǎn)換(AT變AB，BT變BB，CT變CB)。實際上，整流時序被反向，電機改變旋轉(zhuǎn)方向。</p><p>　　電機通/斷控制由輸出使能(管腳7)實現(xiàn)，當(dāng)該管腳開路時，內(nèi)部的25µA電源電流將會啟動頂部和底部驅(qū)動輸出時序。接地時，頂端驅(qū)動輸出關(guān)閉并且底部驅(qū)動強制為低，使電動機停轉(zhuǎn)，錯誤指示產(chǎn)生輸出。</p><p>　　阻尼式的電機制動功能讓最終

86、產(chǎn)品的設(shè)計增加了新的安全保證。當(dāng)制動輸入(管腳23)接高電位時，實施制動。此時頂部驅(qū)動輸出全部關(guān)斷，底部驅(qū)動全部接通，電機短接產(chǎn)生EMF。制動輸入較所有的其它輸入具有無條件的優(yōu)先權(quán)。內(nèi)置的40k?上拉電阻保證在開路或斷開的情況下實施制動，簡化了與系統(tǒng)安全開關(guān)的接口，圖20顯示的是換向邏輯真值表。四個輸入或非門電路用于檢測制動輸入及三個頂部驅(qū)動輸出晶體管的輸入。其目的是當(dāng)頂部驅(qū)動輸出達到高電位時，才能制動，防止頂部和底部電源同時開關(guān)導(dǎo)通。

87、在半波電動機驅(qū)動應(yīng)用中，不需要頂端驅(qū)動輸出，通常情況為令其不連接。在此情況下，因或非門是將底部電壓傳感到頂部驅(qū)動輸出的晶體管，仍然是制動狀態(tài)。</p><p>　　3.4.2電流檢測模塊設(shè)計</p><p>　　采用分流電阻進行電流檢測的電路示意圖如圖3-11所示。功率驅(qū)動橋的下端與功率板地線之間所接的是分流電阻。因為比較器的正相輸入端連接在 MC33035的管腳 9內(nèi)部 , 因此該比較器

88、的反相輸入端可為芯片內(nèi)部提供 100 mV的標(biāo)準(zhǔn)電壓。分流電阻的阻值一般比較小。本設(shè)計中采用康銅絲來代替 , 取值為 0.05 Ω/3W。事實上 , 由分壓關(guān)系可得:</p><p>　　式中 ,為電機最大允許電流（設(shè)為10A）; 為分流電阻; 100 （mV）代表的是過流檢測比較器的反相輸入端的輸入電壓。管腳 9的輸入電壓為過流檢測比較器的正相輸入端. 這樣 , 通過選擇合適的、 （阻值盡量大）的值 , 并滿足

89、以上關(guān)系 , 便能起到很好的過流保護作用。對于本設(shè)計: = （10×0.05）/0.1-1= 4。這樣 , 可取 為 120 Ω, 為 30 Ω。</p><p>　　圖3-11 電流檢測電路</p><p>　　3.4.3速度閉環(huán)設(shè)計</p><p>　　MC33039是專為無刷直流電動機閉環(huán)速度控制設(shè)計的集成電路。系統(tǒng)不必使用高價的電磁式或光電測速機

90、 , 就可實現(xiàn)精確調(diào)速控制。它直接利用三相無刷直流電動機轉(zhuǎn)子位置傳感器 3個輸出信號 , 經(jīng) 變換成正比于電動機轉(zhuǎn)速的電壓信號。腳 1、2、3接收位置傳感器 3個信號 , 經(jīng)有滯后的緩沖電路, 抑制輸入噪聲。經(jīng)“或”運算得到相當(dāng)于電動機每對極下 6個脈沖的信號。再經(jīng)有外接定時元件 CT和 RT的單穩(wěn)態(tài)電路 , 從腳 5輸出的 fout信號的占空比與電動機轉(zhuǎn)速有關(guān) , 其直流分量與轉(zhuǎn)速成正比 , 此信號經(jīng) , , 低通濾波器處理后

91、, 即可得到與轉(zhuǎn)速成正比的測速電壓 ,送入 MC33035 PWM輸入端進行閉環(huán)控制。</p><p>　　由課題可知 , 從 MC33039的管腳 5輸出的脈沖數(shù)是電動機每一轉(zhuǎn)輸出的3×4 = 12個脈沖數(shù)。本設(shè)計是按電動機的最高轉(zhuǎn)速來選擇定時元件。設(shè)計中 , 電動機的最高轉(zhuǎn)速為 500 r /min )。此時每秒輸出的脈沖數(shù)是 8.3×12 =100個 , 即頻率為 100 Hz, 周期約

92、為 10 ms?？扇《〞r元件 R為 1MΩ, C為 750PF。</p><p>　　圖3-12 速度信號反饋電路</p><p>　　3.4.4誤差放大器設(shè)計</p><p>　　MC33035中的誤差放大器外圍電路參數(shù)如圖3-13所示。開關(guān)閉合時。則為開環(huán)速度控制 , 此時放大器被接成增益為 1的電壓跟隨器; 而開關(guān)斷開時。則為閉環(huán)速度控制。此時放大器增益為

93、10。圖19中的電容 C 起平滑濾波作用。改變圖中 的值可以改變控制器的調(diào)速范圍。</p><p>　　圖3-13 誤差放大電路</p><p>　　3.4.5振蕩器設(shè)計</p><p>　　由于 PWM頻率約為 24 kHz, MC33035的振蕩器元件參數(shù)為: 選 5.1 kΩ, 選 0.01μF，圖 3-14是它的連接方式。</p><p

94、>　　圖3-14 振蕩器電路</p><p>　　3.5控制器的開環(huán)電路設(shè)計</p><p>　　根據(jù)課題需要結(jié)合控制器手冊中的經(jīng)典電路設(shè)計出開環(huán)控制電路如圖3-15所示?；魻栃盘栞斎攵诉B接直流無數(shù)電動機的霍爾信號數(shù)出端。上臂信號可直接驅(qū)動P溝道的MOSFET,下臂信號可直接驅(qū)動N溝道MOSFET（內(nèi)部有互補驅(qū)動電路）。</p><p>　　圖3-15 開

95、環(huán)控制電路</p><p>　　圖3-16 主功率模塊設(shè)計</p><p>　　主功率模塊采用專用高端MOSFET驅(qū)動芯片IR2110驅(qū)動，其頻率及驅(qū)動能力方面都表現(xiàn)非常出色，尤其適合驅(qū)動H橋電路，內(nèi)部結(jié)構(gòu)為自舉電路，不需要隔離電源或隔離變壓器，可直接驅(qū)動高端MOSFET?？煽啃赃h遠大于分立元件搭建的自舉電路。由于MC33035的內(nèi)部設(shè)計原因，我們需要對其上臂信號進行電平轉(zhuǎn)換，MC330

96、35內(nèi)部設(shè)計驅(qū)動P溝道的MOSFET，由于我們處于功耗考慮，橋電路均采用N溝道管子。所以，在控制器輸出的驅(qū)動信號與驅(qū)動芯片之間需要電平翻轉(zhuǎn)，我們采用非門電路CD4069來實現(xiàn)。D1-D12主要是用來阻斷內(nèi)部續(xù)流二極管而采用我們外部連接的續(xù)流二極管。MOSFET內(nèi)部的續(xù)流管一般頻率較低，導(dǎo)致信號的上升沿和下降沿不夠陡峭，增加了熱損耗。系統(tǒng)設(shè)計的主功率電路經(jīng)試驗表面，遠遠優(yōu)越于MC33035內(nèi)部集成的驅(qū)動電路。大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。<

97、;/p><p>　　3.6控制器的閉環(huán)電路設(shè)計</p><p>　　通過理論分析和實驗，確定了以變換來實現(xiàn)速度反饋的方法，系統(tǒng)利用安森美半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的MC33039，結(jié)合積分電路，實現(xiàn)速度閉環(huán)。系統(tǒng)是通過改變控制信號的脈沖寬度來調(diào)節(jié)電機繞組上的電流大小，從而實現(xiàn)對速度的控制。電路如圖3-17所示。</p><p>　　圖3-17 閉環(huán)控制系統(tǒng)控制器外圍電路設(shè)計<

98、;/p><p>　　圖3-18 控制器閉環(huán)系統(tǒng)主功率電路設(shè)計</p><p><b>　　3.7 小結(jié) </b></p><p>　　本章主要介紹了系統(tǒng)設(shè)計思路，從局部到整體介紹了設(shè)計過程，首先講解了主功率電路的設(shè)計內(nèi)容，針對以往電路設(shè)計中存在的問題，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。然后針對技

99、術(shù)難點講解了高端MOSFET的驅(qū)動方式和方法，以及控制器的外圍電路（過流檢測、速度閉環(huán)、誤差放大器、振蕩器等）設(shè)計。最后根據(jù)系統(tǒng)需要分別設(shè)計了直流無刷電動機的開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。</p><p><b>　　4 本文總結(jié)</b></p><p>　　經(jīng)過近半年時間的學(xué)習(xí)和研究，關(guān)于直流電動機專用控制器MC33035的控制器的設(shè)計已經(jīng)完成，在這期間的主要工作：&

100、lt;/p><p>　　第一，研究和學(xué)習(xí)無刷直流電動機專用控制芯片MC33035。學(xué)習(xí)它的內(nèi)部構(gòu)成和其中電路的結(jié)構(gòu)特點，并結(jié)合本課題重點熟悉了MC33035在無刷直流電動機控制領(lǐng)域的作用和應(yīng)用，調(diào)試了MC33035直流無刷電機控制器。</p><p>　　第二，研究學(xué)習(xí)了直流無刷電機的結(jié)構(gòu)特點和工作原理，建立了直流無刷電動機的數(shù)學(xué)模型，從數(shù)學(xué)建模的角度對三相直流無刷電動機的轉(zhuǎn)速、反電勢、轉(zhuǎn)矩、

101、以及電流的對應(yīng)關(guān)系進行了分析。并仔細分析了無刷直流電機的運行特性，推出其傳遞函數(shù)。</p><p>　　第三，設(shè)計出了有位置傳感器的無刷直流電動機的系統(tǒng)控制方案，在本方案中無刷直流電機控制器的硬件電路模塊有：誤差放大模塊、速度閉環(huán)模塊、震蕩模塊；而外部信號檢測模塊：電壓檢測模塊、電流檢測模塊、位置信號檢測電路；設(shè)計中對控制單元和外圍電路控制單元構(gòu)成的整個系統(tǒng)進行了測試和調(diào)試，并且取得了不錯的效果。</p&g

102、t;<p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]包向華、章躍進．五種PWM方式對無刷電動機換相轉(zhuǎn)矩脈動的分析和比較.中小型電機，2005.</p><p>　　[2]張琛. 直流無刷電動機原理及應(yīng)用. 第 2 版．北京：機械工業(yè)出版社，2004.</p><p>　　[3] 邱建琪等．PWM調(diào)制方式對永磁直流無

103、刷電機電磁轉(zhuǎn)矩的影響．技術(shù)前沿，2003.</p><p>　　[4]黃斐梨等．電動汽車永磁無刷電機驅(qū)動系統(tǒng)的仿真．清華大學(xué)學(xué)報，北京，1995.</p><p>　　[5]丁志剛．直流無刷電動機的研究和開發(fā)進展．微電機，2003.</p><p>　　[6] 紀(jì)志成，沈艷霞，姜建國．一種新型的直流無刷電機調(diào)速系統(tǒng)的模糊PI智能控制.電機與控制學(xué)報，2003.<

104、;/p><p>　　[7]孫劍波，龔世纓，董亞暉．永磁直流無刷電機調(diào)速系統(tǒng)的仿真研究．伺服技術(shù)，</p><p><b>　　2002.</b></p><p>　　[8] 黃玉平等. 一種高速無刷直流電機控制器研制. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2009.</p><p>　　[9] 王秀芝、吳忠等，高性能BLDCM交流伺服系統(tǒng)的

105、發(fā)展趨勢及研究現(xiàn)狀.電氣自動化，1996.</p><p>　　[10]齊蓉．直流無刷電機PWM調(diào)制方式與轉(zhuǎn)矩脈動關(guān)系研究．微電機，2006.</p><p>　　[11] 曲家哄.展望21世紀(jì)的直流無刷電動機.微特電機,1999.</p><p>　　[12]胡平等．一種新型直流無刷電機全數(shù)字化控制器設(shè)計與仿真，電氣傳動，2006.</p><

106、p>　　[13]鄧兵、潘俊民，直流無刷電機控制系統(tǒng)計算機仿真，計算機仿真，2002.</p><p>　　[14] Yoon-Ho Kim, Yoon-Sang Kook, Yo Ko. A new technique of reducing torque ripples for BDCM drives[J].IEEE Trans.on Industrial Electronics,1997.</p&

107、gt;<p>　　[15] Yoon—Ho Kim，Byung—Guk Cho，Yo Ko．Generalized techniques of reducingtorque ripples in BDCM drives[C]．Proceedings from IECON，1994.</p><p><b>　　附錄1：系統(tǒng)電路圖</b></p><p>

108、　　附錄2：簡易速度閉環(huán)電路</p><p><b>　　附錄3</b></p><p><b>　　核心程序:</b></p><p>　　#include <pic.h></p><p>　　#define AND 0xe0 </p><p>　　#defin

109、e CURA 0X0a </p><p>　　#define CURB 0X09 #define THL 0X6400 #define FULLDUTY 0X0FF #define SPEA 0X1d </p><p>　　#define SPEB 0X1c </p><p>　　#define GCURHILO 0X0330 #define GCURH 0

110、X33 #define GSPEH 0X67 #define TSON 0X38 </p><p>　　#define VOLON 0X4c </p><p>　　#define VOLOFF 0X49 </p><p>　　volatile unsigned char DELAYH,DELAYL,oldstate,speed,speedcount,tsh,c