無刷直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、1 引言無刷直流電機最本質(zhì)的特征是沒有機械換向器和電刷所構(gòu)成的機械接觸式換向 機構(gòu)?，F(xiàn)在，無刷直流電機定義有倆種：一種是方波 / 梯形波直流電機才可以被稱為 無刷直流電機，而正弦波直流電機則被認為是永磁同步電機。另一種是方波 / 梯形波 直流電機和正弦波直流電機都是無刷直流電機。 國際電器制造業(yè)協(xié)會在 1987年將無刷 直流電機定義為“一種轉(zhuǎn)子為永磁體，帶轉(zhuǎn)子位置信號，通過電子換相控制的自同步 旋轉(zhuǎn)電機”，其換相電路可以是獨立的或集成于電機本體上的。本次設(shè)計采用第一種 定義，把具有方波 / 梯形波無刷直流電機稱為無刷直流電機。從 20世紀 90年代開始， 由于人們生活水平的不斷提高和現(xiàn)代化生產(chǎn)

2、、辦公自動化的發(fā)展，家用電器、工業(yè)機 器人等設(shè)備都向著高效率化、 小型化及高智能化發(fā)展， 電機作為設(shè)備的重要組成部分， 必須具有精度高、速度快、效率高等優(yōu)點，因此無刷直流電機的應用也發(fā)展迅速1 。1.1 無刷直流電機的發(fā)展概況無刷直流電動機是由有刷直流電動機的基礎(chǔ)上發(fā)展過來的。19世紀 40年代，第一臺直流電動機研制成功，經(jīng)過 70多年不斷的發(fā)展，直流電機 進入成熟階段，并且運用廣泛。1955年，美國的D.Harrison申請了用晶體管換相線路代替有刷直流電動機的機械 電刷的專利，形成了現(xiàn)代無刷直流電動機的雛形。在20世紀60年代初，霍爾元件等位置傳感器和電子換向線路的發(fā)現(xiàn)，標志著真正 的無刷

3、直流電機的出現(xiàn)。20世紀70年代初，德國人Blaschke提出矢量控制理論，無刷直流電機的性能控制 水平得到進一步的提高，極大地推動了電機在高性能領(lǐng)域的應用。1987年，在舉辦的德國金屬加工設(shè)備展覽會上，西門子和博世兩公司展出了永磁 自同步伺服系統(tǒng)和驅(qū)動器，引起了我國有關(guān)學者的注意，自此我國開始了研制和開發(fā) 電機控制系統(tǒng)和驅(qū)動的熱潮。目前，我國無刷直流電機的系列產(chǎn)品越來越多，形成了 生產(chǎn)規(guī)模。無刷直流電動機的發(fā)展主要取決于電子電力技術(shù)的發(fā)展， 無刷直流電機發(fā)展的初 期，由于大功率開關(guān)器件的發(fā)展處于初級階段，性能差，價格貴，而且受永磁材料和 驅(qū)動控制技術(shù)的約束，這讓無刷直流電動機問世以后的很長一

4、段時間，都停留在實驗 階段，無法推廣到實際中使用， 1970年以后，半導體的快速發(fā)展，許多新型的全控型1986半導體功率器件（如MOSFET、IGBT等）不斷出現(xiàn)，而且高性能的永磁材料（如SmCo、 NsFeB）陸續(xù)出現(xiàn)2，這些都為無刷直流電機廣泛應用提供了有利的條件。由于無刷直流電機的廣泛使用，無刷直流電機的理論也不斷得到修改完善。年，對無刷直流電機作了系統(tǒng)的總結(jié)，這樣標志著無刷直流電機在理論上 走向成熟。1.2 無刷直流電機1.2.1 無刷直流電機的結(jié)構(gòu)無刷直流電機主要由用永磁材料制造的轉(zhuǎn)子、帶有線圈繞組的定子和位置傳感器 組成。它和有刷直流電機有著很多共同點，定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)相似（原來的

5、定子變?yōu)?轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子變?yōu)槎ㄗ樱?，繞組的接線一樣3。然而，結(jié)構(gòu)上有明顯的區(qū)別：無刷直流 電機沒有有刷直流電機中的換向器和電刷，取而代之的是位置傳感器。這樣，電機結(jié) 構(gòu)簡單，減少了電機的制造和維護成本，但無刷直流電機不會自動換相，這使的電機 控制器成本的提高。轉(zhuǎn)子定子位醫(yī)傳嚨器圖1.1無刷直流電機模型圖1.1所示為小功率的三相、星形連接無刷直流電機，定子在，轉(zhuǎn)子在外，結(jié)構(gòu)與 直流電機很相似。另一種無刷直流電機的結(jié)構(gòu)剛好相反，轉(zhuǎn)子在，定子在外。1.2.2 無刷直流電機的工作原理無刷直流電機的定子是線圈繞組，轉(zhuǎn)子是永磁體。檢測電機轉(zhuǎn)子的位置，根據(jù)轉(zhuǎn) 子的位置給電機的相應線圈通電，使定子產(chǎn)生方向均勻變化

6、的旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子才可以 跟著磁場轉(zhuǎn)動起來。如圖1.2無刷直流電機轉(zhuǎn)動原理如圖1.2所示為無刷直流電機的轉(zhuǎn)動原理示意圖， 定子的線圈一端接電源，其余三 相接功率管，位置傳感器導通時功率管的 G極接+12V，功率管導通，對應的相線圈通 電。三個位置傳感器隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，依次導通，對應線圈也依次通電，從而定子產(chǎn)生的 磁場不斷地變化，電機轉(zhuǎn)子也轉(zhuǎn)動起來，這就是無刷直流電機的轉(zhuǎn)動原理。1.2.3 無刷直流電機的磁路結(jié)構(gòu)和定子繞組磁路是指磁通能通過的路徑，無刷直流電機中，轉(zhuǎn)子上安裝永磁體，作為磁極， 電機轉(zhuǎn)子磁極多是4個或6個永磁體。轉(zhuǎn)子數(shù)目增加，相應的定子繞組也增加，但不需 要增加驅(qū)動電路數(shù)目。主磁場一般由

7、轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生，從 S極回到N極而閉合。繞組是指按照一定規(guī)律連接起來的一組線圈總體。繞組導電以后，和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的 磁場相互作用，產(chǎn)生力或力矩，將電能轉(zhuǎn)換成機械能，故又將定子繞組稱為電樞繞組。1.3 無刷直流電機的應用近年來，我國中小型電機和微特電機行業(yè)發(fā)展迅速，是由于其本身具有高效率、壽命長、低噪音和較好的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性的優(yōu)點。特別在汽車、航空、家用電器 等行業(yè)中發(fā)展較好15。車用無刷直流電機：電機可以作為驅(qū)動的核心部件，而且還可以用在汽車空 調(diào)、雨刮器、電動車門、安全氣囊、電動座椅等驅(qū)動上。航空航天用無刷直流電機：利用電機驅(qū)動設(shè)備代替氣動和液壓傳動裝置已成為 航空航天發(fā)展中的一種趨勢。航空航天

8、電機由于其應用場合的特殊性，一般要求所 用電機體積小，結(jié)構(gòu)簡單。無刷直流電機在家用電機中的應用：家用電氣電子驅(qū)動電機每年約30%勺增幅發(fā)展，現(xiàn)代電器朝著節(jié)能、低噪音、智能化和高可靠性方向發(fā)展?？照{(diào)和冰箱中都有 壓縮機電機，傳統(tǒng)的壓縮機一般是異步電機，其效率和功率因數(shù)較低，采用變頻技 術(shù)以后，情況有所改善。VCD、DVD、CD機等家用電器的主軸驅(qū)動電機也使用無刷 直流電機，這類電機一般采用盤式無鐵心電機結(jié)構(gòu)，現(xiàn)已經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)，價格便 宜。無刷直流電機不僅能克服傳統(tǒng)家用電機的部分缺點，給人們的居家生活帶來更 高的舒適性，還能降低能源耗損，更好的實現(xiàn)能源的可持續(xù)利用。無刷直流電機在辦公自動化中的應用

9、：計算機外設(shè)和辦公自動化設(shè)備用電機， 絕大部分為先進制造技術(shù)和新興微電子技術(shù)相結(jié)合的高檔精密無刷直流電機，是技 術(shù)密集化產(chǎn)品。這種高性能無刷直流電機伺服控制系統(tǒng)的采用能大大改善產(chǎn)品的質(zhì) 量，提高產(chǎn)品的價值。無刷直流電機在數(shù)碼相機上也得到廣泛的應用，如日本 TOSHIBA 和 SANYO 公司已生產(chǎn)出無刷直流電機驅(qū)動的相機。無刷直流電機驅(qū)動的 激光打印機產(chǎn)品也已經(jīng)有了較長的歷史，它的轉(zhuǎn)速可以在每分鐘幾千到幾萬轉(zhuǎn)的圍 精確控制，具有很好的技術(shù)和市場競爭力。另外，無刷直流電機在計算機、錄音機 和 CD 影碟機等設(shè)備產(chǎn)品中也有很好的應用 7 10。1.4 無刷直流電機的發(fā)展趨勢新電子技術(shù)、新器件、新材

10、料及新的控制方法的出現(xiàn)將進一步推動無刷直流電 機的發(fā)展和應用 11 14。(1) 電子電力及微處理器技術(shù)對無刷直流電機發(fā)展的影響這使電機向小型化與集成化、控制器全數(shù)字化、綠色PWM空制及其高效化發(fā)展。(2) 永磁材料對無刷直流電機發(fā)展的影響 電機的小型化、輕量化及高效化與磁性材料的發(fā)展息息相關(guān)。每當出現(xiàn)新的永磁材料，就會使電機的結(jié)構(gòu)和功能出現(xiàn)新的變革，促進電機的設(shè)計理論、計算方法 和結(jié)構(gòu)工藝研制水平的提高到一個新的臺階。(3) 新型無刷直流電機的開發(fā) 在無刷直流電機控制系統(tǒng)中，速度和轉(zhuǎn)矩波動一直是需要進一步解決的問題，尤其是用于視聽設(shè)備、航空電氣、計算機中的無刷直流電機，更要求其具有運行平 穩(wěn)

11、、精度高、噪聲小等特點?？傊畯慕Y(jié)構(gòu)上研究和開發(fā)新型電機必然是今后無刷直 流電機發(fā)展的方向之一。(4) 先進控制策略的應用現(xiàn)代工業(yè)中對電機性能的要求越來越高，無刷直流電機性能的改善可以通過電 機本體優(yōu)化設(shè)計及電力電子裝置的控制來實現(xiàn)，也可以利用各種先進的控制策略來 實現(xiàn)。全面實現(xiàn)無刷直流電機控制系統(tǒng)朝微型化、輕量化、高智能化和節(jié)能化的方 向發(fā)展。1.5 本設(shè)計課題的任務和容(1) 學習無刷直流電機的基本原理、磁路結(jié)構(gòu)、定子繞組特點和設(shè)計計算方法。(2) 研究和討論典型三相無刷直流電機的運行控制方式和檢測方法及仿真。(3) 設(shè)計輸出功率小于 100W 三相無刷直流電機的控制和檢測系統(tǒng)。(a) 無刷

12、直流電機三相半控電路。(b) 無刷直流電機三相 Y 型連接全控電路。(c) 無刷直流電機三相型連接全控電路。(4) 采用專用集成電路實現(xiàn)三相無刷直流電機的換相、 正反轉(zhuǎn)和 PWM 轉(zhuǎn)速控制(5) 采用Protel 99SE繪出幾種運行控制方式和檢測方法的電氣原理圖。(6) 繪出專用集成電路控制方式的 PCB 圖和三維仿真圖。(7) 三相無刷直流電機幾種運行控制方式和檢測方法的討論。1.6 本章總結(jié)本章介紹了無刷直流電機的發(fā)展、結(jié)構(gòu)、工作原理、應用及發(fā)展趨勢，最后明確 了本課題的設(shè)計任務和容2無刷直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)計方案2.1 無刷直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)計專用芯片控制的無刷直流電機控制系統(tǒng)主要由

13、硬件部分組成。硬件部分由電源路、驅(qū)動電路、微處理器控制電路與保護電路等組成。如圖2.1有位置傳感器的無刷電源路主要由直流電源組成。(2) 驅(qū)動電路當前，無刷直流電動機的驅(qū)動橋一般運用6個IGBT或MOSFET等器件構(gòu)成全控橋, 或者用3個IGBT或MOSFET等器件構(gòu)成半控橋，為了提高驅(qū)動橋的可靠性可以使用集 成的功率模塊和智能功率模塊。IR2110芯片主要有三個功能：邏輯輸入；電平平移及輸出保護。IR2110的特點，可 以為裝置的設(shè)計帶來許多方便。尤其是高端懸浮自舉電源的設(shè)計，可以大大減少驅(qū)動 電源的數(shù)目，即一組電源即可實現(xiàn)對上下端的控制。為了避免隔上臂短路，在電路中 加入離二極管和自舉電容

14、。(3) 位置檢測器位置檢測器是檢測轉(zhuǎn)子磁極相對與定子繞組的位置信號，為驅(qū)動橋提供換相信 號。位置檢測包括有位置傳感器和無位置傳感器檢測兩種方式。轉(zhuǎn)子位置傳感器由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，轉(zhuǎn)子與電機本體同軸，跟蹤電機本體轉(zhuǎn)子磁極的位置；定子固 定在電機本體定子或端蓋上，檢測和輸出轉(zhuǎn)子位置信號?；魻栐垂δ芊挚煞謥砭€性霍爾元件和開關(guān)霍爾元件。前者輸出模擬量，后來 輸出數(shù)字量。線性霍爾元件的精度高、線性度好，溫度圍寬；開關(guān)霍爾元件無觸點、 無磨損、輸出小形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高、溫度圍寬。（4）MC33035專用芯片MC33035專用芯片是無刷直流電動機正常運行并實現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的

15、指揮 中心，它主要完成以下功能：（a）可控制電機正反轉(zhuǎn)；（b）實現(xiàn)電機剎車制動；（c）啟停功能；（d）可選擇三相無刷直流電機傳感器相位差 60°或120°（e）欠壓封鎖保護，IC過熱保護和故障輸出。（5）保護電路由于在電機啟動時，轉(zhuǎn)速比較低，反電動勢很小，啟動電流大，對電機損害較 大，必須要設(shè)計保護電路，避免設(shè)備短路、過載與防治電纜線路短路。2.2 無刷直流電動機控制系統(tǒng)設(shè)計方案比較無刷直流電動機調(diào)整和起動性能好以及結(jié)構(gòu)簡單無需定期修護的特點，因此在可靠性高的電機調(diào)速中得到了廣泛認可。在電機轉(zhuǎn)速控制方面，數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)已取代模 擬調(diào)速系統(tǒng)。當前，數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)主要運用兩種控制方

16、案：一種是以單片機為控制核 心構(gòu)成的硬件系統(tǒng)。這種方案可以編程控制，應用廣，且方便靈活。另一種采用專用 集成電路。這種方案可以降低成本，提高可靠性，但在靈活方面不是很理想。電機控 制器是無刷直流電機實現(xiàn)各種伺服功能的指揮核心，它主要功能有以下幾種：對輸入信號進行處理，給驅(qū)動電路提供相應的控制信號，實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)、PWM調(diào)速、欠壓保護和過載保護等?？刂破鲗Ｓ眯酒请妱榆嚨尿?qū)動系統(tǒng)，它是電動車的核心。其主要的作用是保證 電動車正常工作，提高電機和蓄電池的效率、節(jié)省能源、保護電機及蓄電池和減少電 動車在受到的損傷。目前，市場上常用的電動車無刷直流電機控制系統(tǒng)主要采用專用集成電路為主控 系統(tǒng)，如MO

17、TOLORA公司研制的專用集成電路MC33035，該類控制器稱為模擬式控 制器，其工作原理是用電子裝置代替電刷控制電機線圈電流換相，根據(jù)電機的位置傳 感器信號，決定換相的順序和時間，從而決定電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。該控制系統(tǒng)的缺點 是智能性不高，保護措施一般，系統(tǒng)升級空間不大。本設(shè)計將采用MC33035作為主控芯片。MC33035為直流無刷電機驅(qū)動專用芯片，具有使用方便、價格便宜、抗干擾性強等特點，同時也具有不夠靈活、功能實現(xiàn)困難 等問題，在應用上有一定的限制性需要通過增加附加電路，可改善控制功能和擴展 應用。無刷直流電機控制方法主要是有位置和無位置控制兩種控制方式。 有位置的控制 方式中，由于霍爾

18、傳感器價格便宜，安裝方便，作為主要的無刷直流電機的位置傳感 器。目前，國外對無刷直流電機無位置的控制方法主要有反電勢法、定子三次諧波法 等。但是由于無位置控制方法在低速轉(zhuǎn)動時不可以實現(xiàn)精確的速度調(diào)控，所以現(xiàn)階段 在電動車領(lǐng)域只是處于實驗階段，不能推廣到實用中。繞組不同的組合會產(chǎn)生不同的性能和成本。以下三個指標有利于我們做出選擇：（1）繞組利用率。不同于普通直流電動機， 無刷直流電動機的各相繞組是間斷通電的。 增加通電的 導體數(shù)，電阻下降，效率提高可以提高繞組利用率。三相繞組優(yōu)于四相和五相繞組。（2）轉(zhuǎn)矩脈動。 無刷直流電動機的輸出轉(zhuǎn)矩脈動大于普通直流電動機。相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩的脈動越小。橋式主電路

19、比非橋式主電路的轉(zhuǎn)矩脈動小。（3）電路成本。相數(shù)越多，驅(qū)動橋使用的開關(guān)管越多，成本就高。橋式全控主電路所用的開關(guān)管 比橋式半控多一倍，成本高；多相電動機的驅(qū)動橋復雜，成本高。所以，三角形，星 形連接三相橋式主電路。2.3 本章總結(jié)本章介紹了本方案主要采用MC33035專用芯片，霍爾元件，IR2110驅(qū)動芯片，場 效應管（MOSFET），三相繞組的型和Y型接法，相應的保護電路等來實現(xiàn)本設(shè)計的 任務要求。硬件設(shè)計系統(tǒng)方案框圖如圖 2.1 。3無刷直流電動機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1 專用芯片的介紹MC33035是MOTOROLA公司的第2代無刷直流電機控制專用芯片，含轉(zhuǎn)子位置傳 感器譯碼電路，溫度補

20、償?shù)牟侩妷夯鶞试矗`差放大器，頻率可調(diào)的鋸齒波振蕩器， PWM比較器，芯片欠壓，輸出驅(qū)動電路，過熱保護電路及限流電路。典型功能包括 PWM調(diào)速，起動，停止控制，正反轉(zhuǎn)控制和能耗制動控制，廣泛應用于兩相、三相 及多相無刷直流電機驅(qū)動控制。MC33035的工作電源電壓圍很寬，在10V-30V之間，芯片含有基準電壓6.25V。 MC33035部的轉(zhuǎn)子位置譯碼器主要用于監(jiān)控三個傳感器輸入，以便系統(tǒng)能夠正確提供 高端和低端驅(qū)動輸入的正確時序。傳感器輸入可直接與集電極開路型霍爾效應開關(guān)相 連接。用MC33035系列產(chǎn)品控制的三相電機可在最常見的四種傳感器相位下工作。MC33035提供的60°12

21、0選擇可使MC33035很方便地控制擁有有60°120°240°或300° 的傳感器相位電機。這三個傳感器輸入有八種編碼組合，當中的六種是有效的編碼組合 還有兩種編碼組合無效，通過有效輸入編碼可使譯碼器在使用60度電氣相位的窗口中 識別出電機轉(zhuǎn)子的當前位置。MC33035無刷直流電機控制器的正向/反向輸出可通過改 變定子繞組上的電流方向來改變電機轉(zhuǎn)向。當輸入狀態(tài)改變時，相應的傳感器輸入編碼 會由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?，從而改變整流時序，來使電機旋轉(zhuǎn)方向改變。電機轉(zhuǎn)動/停止 可由輸出使能來控制，當該管腳開路時，連接到正電源的置上拉電阻將會啟動頂部和底 部驅(qū)動輸

22、出時序。而當該腳接地時，頂端驅(qū)動輸出將關(guān)閉，并將底部驅(qū)動強制為低，從而 使電動機停止。MC33035中的振蕩器、脈沖寬度調(diào)制、誤差放大器、電流限制電路、 欠壓鎖定電路、片電壓參考、驅(qū)動輸出電路和熱關(guān)斷電路的工作原理和操作方法與其 它同類芯片基本相似。3.1.1 MC33035的組成，腳管及應用1 MC33035的組成（1）轉(zhuǎn)子位置譯碼器；（2）限流保護電路；（3）溫度補償?shù)?.24V部基準電源；（4）電阻、電容鋸齒波振蕩電路；(5) 脈寬調(diào)制比較器；(6) 誤差放大器；(7) 輸出驅(qū)動電路；(8) 欠壓、過載保護和故障電平輸出2 MC33035的腳管功能說明：圖 3.1 MC33035如下表3

23、.1是MC33035各引腳的說明：表3.1 MC33035各引腳的說明引腳號引腳名稱功能說明1, 2，24BT，AT，CT三個集電極開路頂端驅(qū)動輸出，驅(qū)動外部上端功率開關(guān)晶體管正向/反向輸入，改變電機轉(zhuǎn)向。4，5, 6SA,SB,SC三個傳感器輸入，控制整流序列。7Ooutput輸出使能，高電平有效。En able8Refere nee Output此輸出為振蕩器定時電容提供充電電流，并為誤差放大器提供參考電壓，還向傳感器提供電源。9Current Sense電流檢測同向輸入。Noninverting In put10Oscillator振蕩器引腳，振蕩頻率由定時兀件 R和C所選擇的參數(shù)值決定

24、。11ErrorAmp誤差信號放大器冋向輸入。通常連接到速度設(shè)置電位器上Noninverting In put12ErrorAmp誤差信號放大器反向輸入。Noninverting In put13ErrorAmp誤差放大器輸出/PWM輸入。Out/PWMI nput14Fault Output故障輸出端。15Current Sense電流檢測反向輸入端。Inverting In put16Gnd該管腳用于為控制電路提供一個分離的接地點，并可以作為參考返回到電源地。17Vee正電源。Vee在10V30V的圍，控制器均可正常工作。18Ve底部驅(qū)動輸出的咼端電壓是由該管腳提供的，它的工作圍從10V3

25、0V。19， 20， 21CB,BB,AB這三個圖騰柱式底部驅(qū)動輸出被設(shè)計用于直接驅(qū)動外部底部功率2223開關(guān)晶體管。此管腳的電氣狀態(tài)可決定控制電路是工作在60°（高電平狀態(tài)）還是120。（低電平狀態(tài)）的傳感器電氣相位輸入狀態(tài)下。Brake輸出使能。該管腳為高時允許馬達運行，為低時馬達運行停止。60°120 Select3.2驅(qū)動橋主電路設(shè)計全橋是由6個MOSFET管組成，半橋只有3個MOSFET管組成。倆者的優(yōu)缺點：全橋，控制簡單，效率可以做的比較高。半橋與全橋差不多，不 過效率沒全橋那么高，成本比全橋要便宜點。3.2.1 驅(qū)動開關(guān)元件選擇MOSFET是由貝爾實驗室的 D

26、. Kahng和Martin在1960年首次實驗成功，MOSFET的操作原理和1947年蕭克萊等人發(fā)明的雙載子晶體管不同，且制造成本低廉、使用面積較小和高整合度，在 大型積體電路或是超大型積體電路的領(lǐng)域里運用廣泛。由于MOSFET的性能不斷提升和改進， 除了應用于微處理器、微控制器等訊號處理的場合上， 還有越來越多類比訊號處理的模擬電路同樣用 MOSFET來實現(xiàn)。表3.2是常見的驅(qū)動開關(guān)元件的對 比。表3.2 對IGBT、GTR、GTO 和MOSFET的優(yōu)缺點的比較器件優(yōu)點缺點開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小，開關(guān)速度低于電MOSFET,電IGBT具有耐脈沖電流沖擊的能 力，通態(tài)壓降較低，輸入阻 抗高，

27、為電壓驅(qū)動，驅(qū)動功 率小壓，電流容量不及 GTO耐壓咼，電流大，開關(guān)特性開關(guān)速度低，為電流驅(qū)動，GTR好，通流能力強，飽和壓降所需驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路低復雜，存在二次擊穿冋題電壓、電流容量大，適用于電流關(guān)斷增益很小，關(guān)斷時GTO大功率場合，具有電導調(diào)制門極負脈沖電流大，開關(guān)速效應，其通流能力很強度低，驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復雜，開關(guān)頻率低MOSFET電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過 10kW的電力電子裝置通過上述的比較，我選按照任務要求設(shè)計全控和 Y,半控。322 三相半控，全控電路其工作原理：在三相半控電路中，要求磁極位置傳感器輸出信號1/3為高電平，2/3 周期為低電平，并且傳感器

28、信號之間的相位差是 1/3周期。當轉(zhuǎn)子位置處于120。，A為 高電平，B、C為低電平。Q1導通，LA相繞組通電。在電磁作用下，轉(zhuǎn)子順時針方向 旋轉(zhuǎn)。當轉(zhuǎn)子處于240°時，B為高電平，A、C為低電平，Q2導通，LB相繞組通電， LA相繞組斷電。轉(zhuǎn)子磁鐵同LB相繞組產(chǎn)生的電磁力作用下，繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子 處于360°時，C為高電平，A、B為低電平，Q3導通，LC相繞組通電，轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時 針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子回到原來位置，繼續(xù)以上過程。三相半控電路特點是簡單，但電動機的利用率很低，每個繞組只導通1/3周期，沒有得到充分利用為6只P型功率MOSFET管，起到繞組開關(guān)作用。Q1、Q2、Q3

29、高電平有效，Q4、Q5、 Q6為低電平有效。它們的導通方式為三三導通。三三導通方式是任意時刻3個開關(guān)管同時導通，每隔60度電角度換相一次，每個 功率管通電180°,功率管的導通方式是：Q1、Q6、Q2->Q6、Q2、Q4->Q2、Q4、Q3->Q4、 Q3、Q5->Q3、Q5、Q1->Q5、Q1、Q6->Q1、Q6、Q2。當Q5、Q1、Q6導通時電流 從Q1流入LA相繞組中，經(jīng)過LB、LC繞組分流，合成轉(zhuǎn)矩方向和LA一致，大小為1.5Ta。 經(jīng)過60°電角度后，換相到Q1、Q6、Q2通電，先關(guān)斷Q5再打開Q2這時電流從Q1、Q2 流入，經(jīng)

30、過LA、LB繞組，再流入LC相繞組，最后經(jīng)Q6流出，合成轉(zhuǎn)矩于LC的反方 向一致，經(jīng)過60°電角度，大小還是1.5Ta。再經(jīng)過60°電角度，換相到Q6、Q2、Q4通 電之后，以此類推，它們最終合成轉(zhuǎn)矩如圖 圖3.4三三導通的合成轉(zhuǎn)矩其電壓波形如圖3.5LALBLCQI IQIQ5|0312廠rQsl圖3.5 Y連接三三導通方式電壓波形圖圖3.6三相全空電路圖3.6為三相全控電路，繞組為 三三導通時通電順序為 Q1、Q6、Q2->Q6、Q2、Q4->Q2、Q4、Q3->Q4、Q3、Q5->Q3、Q5、Q1->Q5、Q1、Q6->Q1、Q6、

31、Q2 。 當Q5、Q1、Q6導通時，電流從Q1管流入，經(jīng)過LA、LB繞組，在從Q5、Q6管流 出，LC相繞組中無電流通過，這相當于 LA、LB倆相繞組并聯(lián)。假設(shè)電流從LA到LB、LB到LC、LC到LA所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正，而從LC到LB、 LB到LA、LA到LC產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為負。流入LA相繞組產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為正，流入LB相 的繞組所產(chǎn)生的的轉(zhuǎn)矩為負，最終轉(zhuǎn)矩合力與圖 相似，其大小為LA相的1.732 倍。功率模塊IR2110介紹(1) IR2110的特點有：輸出驅(qū)動隔離電壓可達 500V;芯片自身的門輸入驅(qū)動圍為1020V;輸入端帶施密特觸發(fā)電器；可實現(xiàn)兩路分立的驅(qū)動輸出，可驅(qū)動高壓高頻 器件，如IGB

32、T、功率MOSFET等，且工作頻率高可達500KHz，開通、關(guān)斷延遲小, 分別為120ns和94ns；邏輯電源的輸入圍(腳 9)5-15V，可方便的與TTL，CMOS 電平相匹配。(2) IR2110主要功能及技術(shù)參數(shù)IR2110邏輯電源電壓圍在5 V-20V以，適應TTL或CMOS邏輯信號輸入，具有獨 立的高端和低端輸出通道。由于邏輯信號均通過電平耦合電路連接到各自的通道上 ， 容許邏輯電路參考地(USS)與功率電路參考地(COM)之間有-5V和+ 5V的偏移量, 并且可以屏蔽不大于50ns的脈沖，這樣的抗干擾效果較為理想。IR2110浮置電源采用 自舉電路,其高端工作電壓可達500V，工作

33、頻率可達到500kHz。兩路通道均帶有欠壓鎖 定功能。其典型工作參數(shù)如表3.3所示。表3.3IR2110工作參數(shù)參數(shù)最小值/ V最大值/ VVBVS + 10VS + 20VS-4500HOVSVBVCC1020LO0VCCVDDVCC + 4. 5VCC + 20VSS-5+ 5HIN ,SD ,LINVSSVDDIR2110功能概述。IR2110驅(qū)動器將相應的信號送到對應的低阻抗輸出。其高端輸 出HO和低端輸出LO分別以浮置電位VSS和固定電位VCC為基準。邏輯電路為高端電 路和低端電路輸出提供對應的脈沖。HO和LO輸出與HIN和LIN輸入相位相同。當SD輸入高電平時兩路都關(guān)閉。當VDD低

34、于欠電壓閥值，欠電壓UV檢測電路并關(guān)閉兩電路輸出。還有，當 VSS 低于規(guī)定的欠電壓時，欠電壓檢測電路也可以讓高端輸出中斷。邏輯輸入采用帶有 0.1VDD滯后的觸發(fā)電路，用以提高抗干擾能力。高抗噪聲平移位電路可以將邏輯信 號送到輸出驅(qū)動級。低端延時電路可使控制脈沖定時要求， 兩路輸出的傳播延時匹配簡化。當Vs電壓 為500V或小于500V時，高端功率MOSFET管關(guān)斷。輸出驅(qū)動的MOSFET管接成源極跟 隨器，而另一只輸出驅(qū)動MOSFET管則接成共源極電路，高端的脈沖發(fā)生器驅(qū)動 HV電平轉(zhuǎn)化器還觸發(fā)RS閂鎖置位或復位。每個高電壓DMOS電平轉(zhuǎn)換器只能在很狹窄的脈沖持續(xù)期導通，所以功率不高。IR

35、2110 各個腳管圖 3.7 IR2110以下是IR2110引腳的介紹：VDD （引腳9）:邏輯電源電壓HIN （引腳10）:邏輯高端輸入SD （引腳11） : 關(guān)斷LIN （引腳12）:邏輯低端輸入VSS （引腳13）:邏輯電路地電位端，其值可以為0VNC （引腳4）:空端NC （引腳8）:空端HO （引腳7） : 高端輸出VB （引腳6） : 高端浮置電源電壓VS （引腳5）:高端浮置電源偏移電壓NC （引腳14） : 空端VCC （引腳3）:低端固定電源電壓COM （引腳2）:公共端LO （引腳 1） : 低端輸出325 驅(qū)動電路圖»*UK仮IW1D 曙M7C1SSL_1圖3.

36、8全控型驅(qū)動電路二二二三：二a-h.VK'ttiF圖3.9全控Y型驅(qū)動電路xa I=H圖3.10半控驅(qū)動電路本設(shè)計在驅(qū)動電路中增加了隔離二極管和自舉電容，避免上臂短路以上圖為例，當下管導通上管截止時，IR2110LO輸出為高，H0為低，隔離二極 管D6導通，自舉電容C8充電；當下管截止上管導通時，隔離二極管 D6截止，自居電 容C8儲存的電荷供電，IR211HO為高，三極管導通，驅(qū)動MOSFET管柵極，使上管保 持導通。3.3 開關(guān)電路S4£3SAFOSEATSCBTFwd/RjcvCT6O/120SelectABOEEBVccCBVcCSMIROcsiiEAN IBrake

37、EANIEAO/PWM InputGud sciLlatarJP4122316Tn24Tn1?72277iF14T圖3.11開關(guān)電路開關(guān)S2閉合時電機轉(zhuǎn)動，S4閉合時電氣狀態(tài)可決定控制電路是工作在 60° （高電 平狀態(tài)）還是120° （低電平狀態(tài)）的傳感器電氣相位輸入，S4閉合可改變電流流向?qū)崿F(xiàn) 電機正反轉(zhuǎn)。3.4穩(wěn)壓電路IIP10匕17SAFOSBATscBT曲心滴CT巧時口0島山ctAl0E血CBTfcCSNInocsnEAMIcwEAO/rwntktill也wMC33AS511_13ilrjo1S> '9京 To 10圖3.12穩(wěn)壓電路此電路主要是由穩(wěn)

38、壓二極管組成，該電路為MC33035的17引腳和18引腳提供穩(wěn)定的電壓10V-30V。17引腳正電源使控制器正常工作，18引腳Vc底部驅(qū)動輸出的高端電壓。3.5 調(diào)速電路£1022_IT1凄IL11SAFOSBATSCBTftwiZRwCT竊啦1ABOEBETftcCP砥asmROcanEAMTBrkeEABIGndEA.0-T1 Wlit fcjnx Oscilldxir14"T2+7120£23lb圖3.13調(diào)速電路電路通過改變PWM的輸入,即改變脈沖寬度輸入，通過專用芯片來均勻的改變電機每相的電壓大小進行調(diào)速。3.6 RC振蕩電路FDSBAT沈BTCT2OK

39、BBUK貸CSNTBOcsnKAMIEraHtEAMTGridOccilUiMrKMTwriois1&Cl r圖3.14 RC振蕩電路振蕩原理：建立振蕩就是要是電路產(chǎn)生自激，從而產(chǎn)生持續(xù)的振蕩，由直流電變 為交流電。對于RC來說，直流電源就是能源。3.7 過流保護在控制系統(tǒng)工作過程中，經(jīng)常會發(fā)生很多異常情況，為了防止這些情況電路設(shè)計中必須加入保護電路。通常有欠壓保護電路和過流保護電路。因為MC33035已經(jīng)有欠壓保護了，所以主要討論過電流保護。當出現(xiàn)負載短路、過載或者控制電路失效等意外情況時，會引起電流過大，使管子功耗增大，發(fā)熱,若沒有過流保護裝置，大功率開關(guān)三極管就有可能損壞。故而在

40、開 關(guān)穩(wěn)壓器中過電流保護是常用的。在線性穩(wěn)壓器中常用的限流保護和電流截止保護在開關(guān)穩(wěn)壓器中均能應用。但是,根據(jù)開關(guān)穩(wěn)壓器的特點，這種保護電路的輸出不能直 接控制開關(guān)三極管，而必須使過電流保護的輸出轉(zhuǎn)換為脈沖指令，去控制調(diào)制器以保 護開關(guān)三極管。為了實現(xiàn)過電流保護一般均需要用取樣電阻串聯(lián)在電路中。由于在電機啟動時，轉(zhuǎn)速比較低，反電動勢很小，啟動電流大，對電機損害較大，因 此通常要在電機控制電路中加入如圖 3.15所示的過電流保護。此電路的優(yōu)點是不用 通過處理器判斷是否過流，可以實時的作出反應，在電機啟動過程中，可有效的保護 系統(tǒng)不受損害。1LLL 一 LPLE川餉CTorBM<1 KCiN

41、JOCSIIM3li<?E1MLai£WlWMw:rii圖3.15過電流保護電路3.8 本章總結(jié)本章主要設(shè)計了驅(qū)動橋和驅(qū)動電路以及 MC33035周邊的開關(guān)電路，穩(wěn)壓電路，調(diào) 速電路，RC振蕩電路。實現(xiàn)了三相無刷直流電機的換相、正反轉(zhuǎn)和 PWM轉(zhuǎn)速控制。 本章是介紹了過電流保護原理和作用以及電路圖。4 傳感器選擇霍爾傳感器是一種磁傳感器。按霍爾器件的功能可以分為 : 線性霍爾器件和開關(guān) 霍爾器件。線性霍爾器件輸出模擬量，開關(guān)霍爾器件輸出數(shù)字量，都可用于電機磁場 的測量?；魻柶骷泻芏嗵攸c，比如它們的體積小巧，重量很輕，壽命很長，安裝簡 單，功耗較小，頻率較高 , 耐震動，不怕污

42、染或腐蝕?；魻栭_關(guān)器件沒有觸點、不會 磨損、輸出穩(wěn)定、不抖動、不會回跳、位置精度高。并且，它可以在-55°® 150°C圍正常工作。（1）無刷直流電動機中常用轉(zhuǎn)子位置傳感器 轉(zhuǎn)子位置傳感器是無刷直流電機中的重要組成部分。它對電機轉(zhuǎn)子進行位置檢 測，輸出信號經(jīng)過邏輯變換后去控制功率開關(guān)管的導通或關(guān)閉，這樣可以讓電機定子 繞組按順序?qū)?，確保電機連續(xù)轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子位置傳感器也由定子、轉(zhuǎn)子組成，其轉(zhuǎn)子 和電機本體同軸安裝，可跟蹤檢測電機轉(zhuǎn)子的位置；其定子安裝于電機本體的定子上 或端蓋上，可以檢測和輸出轉(zhuǎn)子的位置信號。轉(zhuǎn)子位置傳感器的技術(shù)指標主要為：輸 出信號的精度，幅值，工

43、作溫度，抗干擾能力，響應速度，損耗，安裝方便性，體積 重量以及可靠性等。其種類包括電磁式、光電式、磁敏式、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器式、接 近開關(guān)式以及編碼器等。常用的傳感器主要有以下幾種：（a）霍爾元件式位置傳感器霍爾元件式位置傳感器是磁敏式半導體位置傳感器。它是用霍爾效應制成的。當 霍爾元件按要求安裝于外磁場中并通以工作電流，可以輸出霍爾電勢信號，當其不受 外磁場作用時，霍爾電勢信號就不會輸出。通常有兩種方式用霍爾元件作轉(zhuǎn)子位置傳 感器。一種方式是將霍爾元件安裝于電機端蓋表面， 電機軸同軸的永磁體靠近霍爾元件 并與之有一小間隙。對于三相導通星形三相六狀態(tài)無刷直流電機，三個霍爾元件在空 間上相隔 12

44、0°電角度， 永磁體的圓弧寬度為 180°電角度。 這樣，當電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時， 三個霍爾元件會輪流輸出三個寬度為 180°電角度、 相位之間差 120°電角度的矩形波 信號。另一種方式是直接將霍爾元件安裝在定子電樞鐵心表面或繞組端部靠近鐵心處， 利用安裝在電機轉(zhuǎn)子上的永磁體主極作為位置傳感器的永磁體， 按照霍爾元件的輸出 信號來判斷轉(zhuǎn)子的磁極位置。如圖4.1所示，霍爾元件式位置傳感器的結(jié)構(gòu)簡單、體積小、價格低，但工作溫 度有一定的要求，還有霍爾元件要靠近傳感器的永磁體，不然輸出信號電平低，不能 正常工作。所以，在對性能和環(huán)境要求不高的永磁無刷直流電機運用場

45、合量使用霍爾 元件式位置傳感器。圖4.1霍爾元件式位置傳感器結(jié)構(gòu)(b) 電磁式位置傳感器電磁式位置傳感器的定子是由磁芯、高頻激磁和輸出繞組組成。轉(zhuǎn)子由扇形磁芯 與非導磁襯套組成。電機轉(zhuǎn)動時，輸入繞組中輸入高頻激磁電流，當轉(zhuǎn)子扇形磁芯位 于輸出繞組下面時，輸入與輸出繞組通過定子、轉(zhuǎn)子磁芯耦合，輸出繞組中感應到高 頻信號，經(jīng)過濾波整形和邏輯處理，可以控制逆變器工作。這種傳感器的強度很高， 可經(jīng)得起較大的振動沖擊，一般多用于航空航天領(lǐng)域。電磁式位置傳感器的輸出信號 很大，一般不要經(jīng)過放大就可以直接驅(qū)動功率開關(guān)管，但是輸出電壓是交流的，必須 經(jīng)過整流。因為這種傳感器很復雜笨重，所以大大限制了它在普通條

46、件下的運用。(c) 光電式位置傳感器光電式位置傳感器是由固定在定子上的數(shù)個光電耦合開關(guān)與在轉(zhuǎn)子軸上的遮光 盤所構(gòu)成。數(shù)個光電耦合開關(guān)沿圓周均勻分布，每只光電耦合開關(guān)是由相對的紅外發(fā) 光二極管和光敏三極管構(gòu)成。遮光盤位于發(fā)光二極管與光敏三極管之間，盤上有一定 角度的窗口。紅外發(fā)光二極管導通之后發(fā)出紅外光，當遮光盤隨電機轉(zhuǎn)子一同轉(zhuǎn)動時, 紅外光交替的照在光敏三極管上，使三極管不停的導通和截至，其輸出信號可以判斷 出轉(zhuǎn)子的位置。光電式位置傳感器質(zhì)量輕，安裝可靠，抗干擾力好，調(diào)整簡單，所以 獲得了廣泛的運用。目前，無位置傳感器的永磁無刷直流電機發(fā)展迅速。它不需要轉(zhuǎn)子位置傳感器, 所以電機結(jié)構(gòu)簡單、體積

47、小、可靠性較高。當電機體積小、位置傳感器安裝不便或電 機工作在惡劣環(huán)境中導致位置傳感器工作的可靠性不能保證時， 無位置傳感器的永磁 無刷直流電機就顯示出特別的優(yōu)越性。 無位置傳感器無刷直流電機的弱點主要是起動 轉(zhuǎn)矩比較小，一般適用于空載條件下起動。（2）霍爾器件在無刷直流電機中的運用 當霍爾傳感器用來作為無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置檢測裝置時， 將它安裝在電機定子 的適當位置，霍爾傳感器的輸出與控制部分相連接。當無刷直流電機的轉(zhuǎn)子經(jīng)過霍爾 器件時，轉(zhuǎn)子上永磁體的磁場使霍爾傳感器輸出電壓信號，該電壓信號被送到控制部 分，經(jīng)控制部分發(fā)出相應信號來使定子繞組導通，從而產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子的磁場極性相同的 磁場，排斥轉(zhuǎn)

48、子繼續(xù)轉(zhuǎn)動。當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到下一位置時，前一個位置的霍爾傳感器停止工 作，轉(zhuǎn)子所在位置的霍爾傳感器輸出電壓信號，控制部分發(fā)出對應信號使得對應定子 繞組導通，產(chǎn)生相同磁場排斥轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)電機不停的運轉(zhuǎn)。4.1 本章總結(jié) 本章介紹了霍爾元件，光電式位置傳感器，電磁式位置傳感器，最后介紹了霍爾 元件在電機中的應用。結(jié)束語本課題實現(xiàn)了三相無刷直流電機的換相、正反轉(zhuǎn)和PW轉(zhuǎn)速控制。我通過對專用芯片的研究以及查找相關(guān)資料設(shè)計了：（1）開關(guān)電路，實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)動，正反轉(zhuǎn)，以及控制電路工作的高電平或低電 平狀態(tài)。（2）穩(wěn)壓電路，為17引腳和18引腳提供穩(wěn)定的10V-30V電壓。（3）調(diào)速電路，實現(xiàn)PW碉速。（4）振蕩電路，將電源的直流電能，轉(zhuǎn)變成一定頻率的交流信號的電路。作用 是產(chǎn)生交流電振蕩，作為信號源。（5）IR2110的全橋和半橋驅(qū)動電路，避免上臂短路，增加隔離二極管和自舉電 容。通過解了 MC3303唄有片電流限制電路、片電壓參考、欠壓鎖定電路、驅(qū)動輸出 電路以及熱關(guān)斷等電路設(shè)計了過電流保護，選用合適的霍爾元件。通過學習無刷直流電機的基本原理、磁路結(jié)構(gòu)、定子繞組特點和設(shè)計計算