無刷直流電機控制系統(tǒng)的設計模板

年4月19日無刷直流電機控制系統(tǒng)的設計文檔僅供參考1引言無刷直流電機最本質的特征是沒有機械換向器和電刷所構成的機械接觸式換向機構?，F在，無刷直流電機定義有倆種：一種是方波/梯形波直流電機才能夠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“一種轉子為永磁體，帶轉子位置信號，經過電子換相控制的自同步旋轉電機”，其換相電路能夠是獨立的或集成于電機本體上的。本次設計采用第一種定義，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代化生產、辦公自動化的發(fā)展，家用電器、工業(yè)機器人等設備都向著高效率化、小型化及高智能化發(fā)展，電機作為設備的重要組成部分，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，經過70多年不斷的發(fā)展，直流電機進入成熟階段，而且運用廣泛。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，標志著真正的無刷直流電機的出現。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域的應用。1987年，在北京舉辦的德國金屬加工設備展覽會上，西門子和博世兩公司展出了永磁自同步伺服系統(tǒng)和驅動器，引起了中國有關學者的注意，自此中國開始了研制和開發(fā)電機控制系統(tǒng)和驅動的熱潮。當前，中國無刷直流電機的系列產品越來越多，形成了生產規(guī)模。無刷直流電動機的發(fā)展主要取決于電子電力技術的發(fā)展，無刷直流電機發(fā)展的初期，由于大功率開關器件的發(fā)展處于初級階段，性能差，價格貴，而且受永磁材料和驅動控制技術的約束，這讓無刷直流電動機問世以后的很長一段時間內，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，許多新型的全控型半導體功率器件（如MOSFET、IGBT等）不斷出現，而且高性能的永磁材料（如SmCo、NsFeB）陸續(xù)出現[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。1986年，H.R.Bolton對無刷直流電機作了系統(tǒng)的總結，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無刷直流電機的結構 無刷直流電機主要由用永磁材料制造的轉子、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，定子和轉子的結構相似（原來的定子變?yōu)檗D子，轉子變?yōu)槎ㄗ樱@組的接線一樣[3]。然而，結構上有明顯的區(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，電機結構簡單，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。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，定子在內，轉子在外，結構與直流電機很相似。另一種無刷直流電機的結構剛好相反，轉子在內，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，轉子是永磁體。檢測電機轉子的位置，根據轉子的位置給電機的相應線圈通電，使定子產生方向均勻變化的旋轉磁場，轉子才能夠跟著磁場轉動起來。如圖1.2無刷直流電機轉動原理如圖1.2所示為無刷直流電機的轉動原理示意圖，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子轉動，依次導通，對應線圈也依次通電，從而定子產生的磁場不斷地變化，電機轉子也轉動起來，這就是無刷直流電機的轉動原理。1.2.3無刷直流電機的磁路結構和定子繞組磁路是指磁通能經過的路徑，無刷直流電機中，轉子上安裝永磁體，作為磁極，電機轉子磁極多是4個或6個永磁體。轉子數目增加，相應的定子繞組也增加，但不需要增加驅動電路數目。主磁場一般由轉子永磁體產生，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，和轉子產生的磁場相互作用，產生力或力矩，將電能轉換成機械能，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，中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、低噪音和較好的轉矩-轉速特性的優(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：電機能夠作為驅動的核心部件，而且還能夠用在汽車空調、雨刮器、電動車門、安全氣囊、電動座椅等驅動上。航空航天用無刷直流電機：利用電機驅動設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，結構簡單。無刷直流電機在家用電機中的應用：家用電氣電子驅動電機每年約30%的增幅發(fā)展，現代電器朝著節(jié)能、低噪音、智能化和高可靠性方向發(fā)展?？照{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，其效率和功率因數較低，采用變頻技術以后，情況有所改進。VCD、DVD、CD機等家用電器的主軸驅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構，現已經大規(guī)模生產，價格便宜。無刷直流電機不但能克服傳統(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：計算機外設和辦公自動化設備用電機，絕大部分為先進制造技術和新興微電子技術相結合的高檔精密無刷直流電機，是技術密集化產品。這種高性能無刷直流電機伺服控制系統(tǒng)的采用能大大改進產品的質量，提高產品的價值。無刷直流電機在數碼相機上也得到廣泛的應用，如日本TOSHIBA和SANYO公司已生產出無刷直流電機驅動的相機。無刷直流電機驅動的激光打印機產品也已經有了較長的歷史，它的轉速能夠在每分鐘幾千到幾萬轉的范圍內精確控制，具有很好的技術和市場競爭力。另外，無刷直流電機在計算機、錄音機和CD影碟機等設備產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、新器件、新材料及新的控制方法的出現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、控制器全數字化、綠色PWM控制及其高效化發(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。每當出現新的永磁材料，就會使電機的結構和功能出現新的變革，促進電機的設計理論、計算方法和結構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，速度和轉矩波動一直是需要進一步解決的問題，特別是用于視聽設備、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)、精度高、噪聲小等特點。總之從結構上研究和開發(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進能夠經過電機本體優(yōu)化設計及電力電子裝置的控制來實現，也能夠利用各種先進的控制策略來實現。全面實現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本設計課題的任務和內容(1)學習無刷直流電機的基本原理、磁路結構、定子繞組特點和設計計算方法。(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三相無刷直流電機的換相、正反轉和PWM轉速控制。(5)采用Protel99SE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 本章介紹了無刷直流電機的發(fā)展、結構、工作原理、應用及發(fā)展趨勢，最后明確了本課題的設計任務和內容。2無刷直流電機控制系統(tǒng)的設計方案2.1無刷直流電機控制系統(tǒng)的設計專用芯片控制的無刷直流電機控制系統(tǒng)主要由硬件部分組成。硬件部分由電源路、驅動電路、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直流電機硬件系統(tǒng)框圖，現對無刷直流電動機各部分的基本結構說明如下。圖2.1有位置傳感器的無刷直流電機硬件系統(tǒng)框圖(1)電源路電源路主要由直流電源組成。(2)驅動電路當前，無刷直流電動機的驅動橋一般運用6個IGBT或MOSFET等器件構成全控橋，或者用3個IGBT或MOSFET等器件構成半控橋，為了提高驅動橋的可靠性能夠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，能夠為裝置的設計帶來許多方便。特別是高端懸浮自舉電源的設計，能夠大大減少驅動電源的數目，即一組電源即可實現對上下端的控制。為了避免隔上臂短路，在電路中加入離二極管和自舉電容。(3)位置檢測器位置檢測器是檢測轉子磁極相對與定子繞組的位置信號，為驅動橋提供換相信號。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。轉子位置傳感器由定子和轉子兩部分組成，轉子與電機本體同軸，跟蹤電機本體轉子磁極的位置；定子固定在電機本體定子或端蓋上，檢測和輸出轉子位置信號。霍爾元件按功能分可分來線性霍爾元件和開關霍爾元件。前者輸出模擬量，后來輸出數字量。線性霍爾元件的精度高、線性度好，溫度范圍寬；開關霍爾元件無觸點、無磨損、輸出小形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高、溫度范圍寬。(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各種調速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能：（a）可控制電機正反轉；（b）實現電機剎車制動；（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，必須要設計保護電路，避免設備短路、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)設計方案比較無刷直流電動機調整和起動性能好以及結構簡單無需定期修護的特點，因此在可靠性高的電機調速中得到了廣泛認可。在電機轉速控制方面，數字調速系統(tǒng)已取代模擬調速系統(tǒng)。當前，數字調速系統(tǒng)主要運用兩種控制方案:一種是以單片機為控制核心構成的硬件系統(tǒng)。這種方案能夠編程控制，應用廣范，且方便靈活。另一種采用專用集成電路。這種方案能夠降低成本，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，給驅動電路提供相應的控制信號，實現電機的正反轉、PWM調速、欠壓保護和過載保護等?？刂破鲗Ｓ眯酒请妱榆嚨尿寗酉到y(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。當前，市場上常見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MOTOLORA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，根據電機內的位置傳感器信號，決定換相的順序和時間，從而決定電機的轉向和轉速。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。本設計將采用MC33035作為主控芯片。MC33035為直流無刷電機驅動專用芯片，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、功能實現困難等問題，在應用上有一定的限制性．需要經過增加附加電路，可改進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。當前，國內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?？墒怯捎跓o位置控制方法在低速轉動時不能夠實現精確的速度調控，因此現階段在電動車領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，電阻下降，效率提高能夠提高繞組利用率。三相繞組優(yōu)于四相和五相繞組。（2）轉矩脈動。無刷直流電動機的輸出轉矩脈動大于普通直流電動機。相數越多，轉矩的脈動越小。橋式主電路比非橋式主電路的轉矩脈動小。（3）電路成本。相數越多，驅動橋使用的開關管越多，成本就高。橋式全控主電路所用的開關管比橋式半控多一倍，成本高；多相電動機的驅動橋復雜，成本高。因此，三角形，星形連接三相橋式主電路。2.3本章總結本章介紹了本方案主要采用MC33035專用芯片，霍爾元件，IR2110驅動芯片，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本設計的任務要求。硬件設計系統(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，內含轉子位置傳感器譯碼電路，溫度補償的內部電壓基準源，誤差放大器，頻率可調的鋸齒波振蕩器，PWM比較器，芯片欠壓，輸出驅動電路，過熱保護電路及限流電路。典型功能包括PWM調速，起動，停止控制，正反轉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動控制。MC33035的工作電源電壓范圍很寬，在10V-30V之間，芯片內含有基準電壓6.25V。MC33035內部的轉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相連接。用MC33035系列產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°/120°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，經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子的當前位置。MC33035無刷直流電機控制器的正向/反向輸出可經過改變定子繞組上的電流方向來改變電機轉向。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變?yōu)榈碗娖?從而改變整流時序,來使電機旋轉方向改變。電機轉動/停止可由輸出使能來控制,當該管腳開路時,連接到正電源的內置上拉電阻將會啟動頂部和底部驅動輸出時序。而當該腳接地時,頂端驅動輸出將關閉,并將底部驅動強制為低,從而使電動機停止。MC33035中的振蕩器、脈沖寬度調制、誤差放大器、電流限制電路、欠壓鎖定電路、片內電壓參考、驅動輸出電路和熱關斷電路的工作原理和操作方法與其它同類芯片基本相似。3.1.1MC33035的組成，腳管及應用1MC33035的組成（1）轉子位置譯碼器；（2）限流保護電路；（3）溫度補償的6.24V內部基準電源；（4）電阻、電容鋸齒波振蕩電路；（5）脈寬調制比較器；

（6）誤差放大器；（7）輸出驅動電路；（8）欠壓、過載保護和故障電平輸出。2MC33035的腳管功能說明:圖3.1MC33035如下表3.1是MC33035各引腳的說明:表3.1MC33035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動輸出，驅動外部上端功率開關晶體管正向/反向輸入，改變電機轉向。4，5，6SA,SB,SC三個傳感器輸入，控制整流序列。7OoutputEnable輸出使能，高電平有效。8ReferenceOutput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。9CurrentSenseNoninvertingInput電流檢測同向輸入。10Oscillator振蕩器引腳，振蕩頻率由定時元件R和C所選擇的參數值決定。11ErrorAmpNoninvertingInput誤差信號放大器同向輸入。一般連接到速度設置電位器上12ErrorAmpNoninvertingInput誤差信號放大器反向輸入。13ErrorAmpOut/PWMInput誤差放大器輸出/PWM輸入。14FaultOutput故障輸出端。15CurrentSenseInvertingInput電流檢測反向輸入端。16Gnd該管腳用于為控制電路提供一個分離的接地點，并能夠作為參考返回到電源地。17Vcc正電源。Vcc在10V～30V的范圍內，控制器均可正常工作。18Vc底部驅動輸出的高端電壓是由該管腳提供的，它的工作范圍從10V～30V。19，20，21CB,BB,AB這三個圖騰柱式底部驅動輸出被設計用于直接驅動外部底部功率開關晶體管。2260°/120°Select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。23Brake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。3.2驅動橋主電路設計全橋是由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，效率能夠做的比較高。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驅動開關元件選擇MOSFET是由貝爾實驗室的D.Kahng和Martin在1960年首次實驗成功，MOSFET的操作原理和1947年蕭克萊等人創(chuàng)造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。表3.2是常見的驅動開關元件的對比。表3.2對IGBT、GTR、GTO和MOSFET的優(yōu)缺點的比較器件優(yōu)點缺點

IGBT開關速度高，開關損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態(tài)壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅動，驅動功率小開關速度低于電MOSFET,電壓，電流容量不及GTO

GTR耐壓高，電流大，開關特性好，通流能力強，飽和壓降低開關速度低，為電流驅動，所需驅動功率大，驅動電路復雜，存在二次擊穿問題

GTO電壓、電流容量大，適用于大功率場合，具有電導調制效應，其通流能力很強電流關斷增益很小，關斷時門極負脈沖電流大，開關速度低，驅動功率大，驅動電路復雜，開關頻率低

MOSFET開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅動功率小且驅動電路簡單，工作頻率高，不存在二次擊穿問題電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置經過上述的比較，我選擇MOSFET。按照任務要求設計全控△和Y，半控。3.2.2三相半控，全控電路圖3.2三相半控電路其工作原理：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，而且傳感器信號之間的相位差是1/3周期。當轉子位置處于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，轉子順時針方向旋轉。當轉子處于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。轉子磁鐵同LB相繞組產生的電磁力作用下，繼續(xù)順時針旋轉。轉子處于360°時，C為高電平，A、B為低電平，Q3導通，LC相繞組通電，轉子繼續(xù)順時針旋轉，轉子回到原來位置，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。圖3.3三相全控Y電路圖3.3是一種三相全控電路，電動機繞組為Y連接。Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6為6只P型功率MOSFET管，起到繞組開關作用。Q1、Q2、Q3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，經過LB、LC繞組分流，合成轉矩方向和LA一致，大小為1.5Ta。經過60°電角度后，換相到Q1、Q6、Q2通電，先關斷Q5再打開Q2這時電流從Q1、Q2流入，經過LA、LB繞組，再流入LC相繞組，最后經Q6流出，合成轉矩于LC的反方向一致，經過60°電角度，大小還是1.5Ta。再經過60°電角度，換相到Q6、Q2、Q4通電之后，以此類推，它們最終合成轉矩如圖3.2.3:圖3.4三三導通的合成轉矩其電壓波形如圖3.5圖3.5Y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、Q2…。當Q5、Q1、Q6導通時，電流從Q1管流入，經過LA、LB繞組，在從Q5、Q6管流出，LC相繞組中無電流經過，這相當于LA、LB倆相繞組并聯(lián)。假設電流從LA到LB、LB到LC、LC到LA所產生的轉矩為正，而從LC到LB、LB到LA、LA到LC產生的轉矩為負。流入LA相繞組產生的轉矩為正，流入LB相的繞組所產生的的轉矩為負，最終轉矩合力與圖3.2.3相似，其大小為LA相的1.732倍。3.2.3功率模塊IR2110介紹(1)IR2110的特點有：輸出驅動隔離電壓可達500V；芯片自身的門輸入驅動范圍為10~20V；輸入端帶施密特觸發(fā)電器；可實現兩路分立的驅動輸出，可驅動高壓高頻器件，如IGBT、功率MOSFET等，且工作頻率高可達500KHz，開通、關斷延遲小，分別為120ns和94ns；邏輯電源的輸入范圍（腳9）5-15V，可方便的與TTL，CMOS電平相匹配。(2)IR2110主要功能及技術參數IR2110邏輯電源電壓范圍在5V-20V以內,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。由于邏輯信號均經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,而且能夠屏蔽不大于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。其典型工作參數如表3.3所示。表3.3IR2110工作參數參數最小值/V最大值/VVBVS+10VS+20VS-4500HOVSVBVCC1020LO0VCCVDDVCC+4.5VCC+20VSS-5+5HIN,SD,LINVSSVDDIR2110功能概述。IR2110驅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閉。當VDD低于欠電壓閥值，欠電壓UV檢測電路并關閉兩電路輸出。還有，當VSS低于規(guī)定的欠電壓時，欠電壓檢測電路也能夠讓高端輸出中斷。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能夠將邏輯信號送到輸出驅動級。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管關斷。輸出驅動的MOSFET管接成源極跟隨器，而另一只輸出驅動MOSFET管則接成共源極電路，高端的脈沖發(fā)生器驅動HV電平轉化器還觸發(fā)RS閂鎖置位或復位。每個高電壓DMOS電平轉換器只能在很狹窄的脈沖持續(xù)期內導通，因此功率不高。3.2.4IR2110各個腳管圖3.7IR2110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，其值能夠為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3.2.5驅動電路圖圖3.8全控△型驅動電路圖3.9全控Y型驅動電路圖3.10半控驅動電路本設計在驅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，HO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，驅動MOSFET管柵極，使上管保持導通。3.3開關電路圖3.11開關電路開關S2閉合時電機轉動，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實現電機正反轉。3.4穩(wěn)壓電路圖3.12穩(wěn)壓電路此電路主要是由穩(wěn)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底部驅動輸出的高端電壓。3.5調速電路圖3.13調速電路電路經過改變PWM的輸入，即改變脈沖寬度輸入，經過專用芯片來均勻的改變電機每相的電壓大小進行調速。3.6RC振蕩電路圖3.14RC振蕩電路振蕩原理：建立振蕩就是要是電路產生自激，從而產生持續(xù)的振蕩，由直流電變?yōu)榻涣麟?。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，經常會發(fā)生很多異常情況，為了防止這些情況電路設計中必須加入保護電路。一般有欠壓保護電路和過流保護電路。因為MC33035已經有欠壓保護了，因此主要討論過電流保護。當出現負載短路、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,大功率開關三極管就有可能損壞。故而在開關穩(wěn)壓器中過電流保護是常見的。在線性穩(wěn)壓器中常見的限流保護和電流截止保護在開關穩(wěn)壓器中均能應用?？墒?根據開關穩(wěn)壓器的特點,這種保護電路的輸出不能直接控制開關三極管,而必須使過電流保護的輸出轉換為脈沖指令,去控制調制器以保護開關三極管。為了實現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，轉速比較低，反電動勢很小，啟動電流大，對電機損害較大，因此一般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)點是不用經過處理器判斷是否過流，能夠實時的作出反應，在電機啟動過程中，可有效的保護系統(tǒng)不受損害。圖3.15過電流保護電路3.8本章總結本章主要設計了驅動橋和驅動電路以及MC33035周邊的開關電路，穩(wěn)壓電路，調速電路，RC振蕩電路。實現了三相無刷直流電機的換相、正反轉和PWM轉速控制。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。按霍爾器件的功能能夠分為:線性霍爾器件和開關霍爾器件。線性霍爾器件輸出模擬量，開關霍爾器件輸出數字量，都可用于電機磁場的測量。霍爾器件有很多特點，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，不怕污染或腐蝕?；魻栭_關器件沒有觸點、不會磨損、輸出穩(wěn)定、不抖動、不會回跳、位置精度高。而且，它能夠在-55oC到150oC范圍內正常工作。（1）無刷直流電動機中常見轉子位置傳感器轉子位置傳感器是無刷直流電機中的重要組成部分。它對電機轉子進行位置檢測，輸出信號經過邏輯變換后去控制功率開關管的導通或關閉，這樣能夠讓電機定子繞組按順序導通，確保電機連續(xù)轉動。轉子位置傳感器也由定子、轉子組成，其轉子和電機本體同軸安裝，可跟蹤檢測電機轉子的位置；其定子安裝于電機本體的定子上或端蓋上，能夠檢測和輸出轉子的位置信號。轉子位置傳感器的技術指標主要為：輸出信號的精度，幅值，工作溫度，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、正余弦旋轉變壓器式、接近開關式以及編碼器等。常見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，能夠輸出霍爾電勢信號，當其不受外磁場作用時，霍爾電勢信號就不會輸出。一般有兩種方式用霍爾元件作轉子位置傳感器。一種方式是將霍爾元件安裝于電機端蓋內表面，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120°電角度，永磁體的圓弧寬度為180°電角度。這樣，當電機轉子轉動時，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子的磁極位置。如圖4.1所示，霍爾元件式位置傳感器的結構簡單、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。因此，在對性能和環(huán)境要求不高的永磁無刷直流電機運用場合中大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構（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。轉子由扇形磁芯與非導磁襯套組成。電機轉動時，輸入繞組中輸入高頻激磁電流，當轉子扇形磁芯位于輸出繞組下面時，輸入與輸出繞組經過定子、轉子磁芯耦合，輸出繞組中感應到高頻信號，經過濾波整形和邏輯處理，能夠控制逆變器工作。這種傳感器的強度很高，可經得起較大的振動沖擊，一般多用于航空航天領域。電磁式位置傳感器的輸出信號很大，一般不要經過放大就能夠直接驅動功率開關管，可是輸出電壓是交流的，必須經過整流。因為這種傳感器很復雜笨重，因此大大限制了它在普通條件下的運用。（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個光電耦合開關與在轉子軸上的遮光盤所構成。數個光電耦合開關沿圓周均勻分布，每只光電耦合開關是由相正確紅外發(fā)光二極管和光敏三極管構成。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，當遮光盤隨電機轉子一同轉動時，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，其輸出信號能夠判斷出轉子的位置。光電式位置傳感器質量輕，安裝可靠，抗干擾力好，調整簡單，因此獲得了廣泛的運用。當前，無位置傳感器的永磁無刷直流電機發(fā)展迅速。它不需要轉子位置傳感器，因此電機結構簡單、體積小、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子經過霍爾器件時，轉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，經控制部分發(fā)出相應信號來使定子繞組導通，從而產生與轉子的磁場極性相同的磁場，排斥轉子繼續(xù)轉動。當轉子轉到下一位置時，前一個位置的霍爾傳感器停止工作，轉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，產生相同磁場排斥轉子繼續(xù)轉動實現電機不停的運轉。4.1本章總結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。結束語本課題實現了三相無刷直流電機的換相、正反轉和PWM轉速控制。我經過對專用芯片的研究以及查找相關資料設計了：（1）開關電路，實現電機的轉動，正反轉，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）調速電路，實現PWM調速。（4）振蕩電路，將電源的直流電能，轉變成一定頻率的交流信號的電路。作用是產生交流電振蕩，作為信號源。（5）IR2110的全橋和半橋驅動電路，避免上臂短路，增加隔離二極管和自舉電容。經過解了MC33035具有片內電流限制電路、片內電壓參考、欠壓鎖定電路、驅動輸出電路以及熱關斷等電路設計了過電流保護，選用合適的霍爾元件。經過學習無刷直流電機的基本原理、磁路結構、定子繞組特點和設計計算方法。研究典型的三相無刷直流電機的運行控制方法和檢測及仿真。學習Protel99