無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(一

1、 目 錄 1 引言11.1 無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展概況11.2 無(wú)刷直流電機(jī)21.3 無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用31.4 無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)41.5 本設(shè)計(jì)課題的任務(wù)和內(nèi)容51.6 總結(jié)52 無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案62.1 無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)62.2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案比較72.3 總結(jié)83 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)93.1 專(zhuān)用芯片的介紹93.3 開(kāi)關(guān)電路183.4 穩(wěn)壓電路193.5 調(diào)速電路193.6 RC振蕩電路203.7 過(guò)流保護(hù)203.8 總結(jié)214 傳感器選擇224 總結(jié)24總結(jié)25結(jié)束語(yǔ)26致謝27參考文獻(xiàn)281 引言無(wú)刷直流電機(jī)最本質(zhì)的特征是沒(méi)有機(jī)

2、械換向器和電刷所構(gòu)成的機(jī)械接觸式換向機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)在，無(wú)刷直流電機(jī)定義有倆種：一種是方波/梯形波直流電機(jī)才可以被稱(chēng)為無(wú)刷直流電機(jī)，而正弦波直流電機(jī)則被認(rèn)為是永磁同步電機(jī)。另一種是方波/梯形波直流電機(jī)和正弦波直流電機(jī)都是無(wú)刷直流電機(jī)。國(guó)際電器制造業(yè)協(xié)會(huì)在1987年將無(wú)刷直流電機(jī)定義為“一種轉(zhuǎn)子為永磁體，帶轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，通過(guò)電子換相控制的自同步旋轉(zhuǎn)電機(jī)”，其換相電路可以是獨(dú)立的或集成于電機(jī)本體上的。本次設(shè)計(jì)采用第一種定義，把具有方波/梯形波無(wú)刷直流電機(jī)稱(chēng)為無(wú)刷直流電機(jī)。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，由于人們生活水平的不斷提高和現(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)備都向著高效率化、小型化及高智

3、能化發(fā)展，電機(jī)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(diǎn)，因此無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用也發(fā)展迅速1。1.1 無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展概況無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是由有刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展過(guò)來(lái)的。19世紀(jì)40年代，第一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)研制成功，經(jīng)過(guò)70多年不斷的發(fā)展，直流電機(jī)進(jìn)入成熟階段，并且運(yùn)用廣泛。1955年，美國(guó)的D.Harrison申請(qǐng)了用晶體管換相線(xiàn)路代替有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械電刷的專(zhuān)利，形成了現(xiàn)代無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的雛形。在20世紀(jì)60年代初，霍爾元件等位置傳感器和電子換向線(xiàn)路的發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著真正的無(wú)刷直流電機(jī)的出現(xiàn)。20世紀(jì)70年代初，德國(guó)人Blaschke提出矢量控制理論，無(wú)刷直流電機(jī)的性能

4、控制水平得到進(jìn)一步的提高，極大地推動(dòng)了電機(jī)在高性能領(lǐng)域的應(yīng)用。1987年，在北京舉辦的德國(guó)金屬加工設(shè)備展覽會(huì)上，西門(mén)子和博世兩公司展出了永磁自同步伺服系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器，引起了我國(guó)有關(guān)學(xué)者的注意，自此我國(guó)開(kāi)始了研制和開(kāi)發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)的熱潮。目前，我國(guó)無(wú)刷直流電機(jī)的系列產(chǎn)品越來(lái)越多，形成了生產(chǎn)規(guī)模。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展主要取決于電子電力技術(shù)的發(fā)展，無(wú)刷直流電機(jī)發(fā)展的初期，由于大功率開(kāi)關(guān)器件的發(fā)展處于初級(jí)階段，性能差，價(jià)格貴，而且受永磁材料和驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的約束，這讓無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)問(wèn)世以后的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，都停留在實(shí)驗(yàn)階段，無(wú)法推廣到實(shí)際中使用，1970年以后，半導(dǎo)體的快速發(fā)展，許多新型的全控型半導(dǎo)

5、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(wú)刷直流電機(jī)廣泛應(yīng)用提供了有利的條件。由于無(wú)刷直流電機(jī)的廣泛使用，無(wú)刷直流電機(jī)的理論也不斷得到修改完善。1986年，H.R.Bolton對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)作了系統(tǒng)的總結(jié)，這樣標(biāo)志著無(wú)刷直流電機(jī)在理論上走向成熟。1.2 無(wú)刷直流電機(jī)1.2.1 無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu) 無(wú)刷直流電機(jī)主要由用永磁材料制造的轉(zhuǎn)子、帶有線(xiàn)圈繞組的定子和位置傳感器組成。它和有刷直流電機(jī)有著很多共同點(diǎn)，定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)相似（原來(lái)的定子變?yōu)檗D(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子變?yōu)槎ㄗ樱?，繞組的接線(xiàn)一樣3。然而，結(jié)構(gòu)上有明顯的區(qū)別：無(wú)刷直流電機(jī)沒(méi)有

6、有刷直流電機(jī)中的換向器和電刷，取而代之的是位置傳感器。這樣，電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少了電機(jī)的制造和維護(hù)成本，但無(wú)刷直流電機(jī)不會(huì)自動(dòng)換相，這使的電機(jī)控制器成本的提高。 圖1.1 無(wú)刷直流電機(jī)模型圖1.1所示為小功率的三相、星形連接無(wú)刷直流電機(jī)，定子在內(nèi)，轉(zhuǎn)子在外，結(jié)構(gòu)與直流電機(jī)很相似。另一種無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)剛好相反，轉(zhuǎn)子在內(nèi)，定子在外。1.2.2 無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理無(wú)刷直流電機(jī)的定子是線(xiàn)圈繞組，轉(zhuǎn)子是永磁體。檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置給電機(jī)的相應(yīng)線(xiàn)圈通電，使定子產(chǎn)生方向均勻變化的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子才可以跟著磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。 如圖1.2 無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)原理如圖1.2所示為無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理

7、示意圖，定子的線(xiàn)圈一端接電源，其余三相接功率管，位置傳感器導(dǎo)通時(shí)功率管的G極接+12V，功率管導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)的相線(xiàn)圈通電。三個(gè)位置傳感器隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，依次導(dǎo)通，對(duì)應(yīng)線(xiàn)圈也依次通電，從而定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)不斷地變化，電機(jī)轉(zhuǎn)子也轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，這就是無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理。1.2.3 無(wú)刷直流電機(jī)的磁路結(jié)構(gòu)和定子繞組磁路是指磁通能通過(guò)的路徑，無(wú)刷直流電機(jī)中，轉(zhuǎn)子上安裝永磁體，作為磁極，電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極多是4個(gè)或6個(gè)永磁體。轉(zhuǎn)子數(shù)目增加，相應(yīng)的定子繞組也增加，但不需要增加驅(qū)動(dòng)電路數(shù)目。主磁場(chǎng)一般由轉(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(lái)的一組線(xiàn)圈總體。繞組導(dǎo)電以后，和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)

8、生力或力矩，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，故又將定子繞組稱(chēng)為電樞繞組。1.3 無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用近年來(lái)，我國(guó)中小型電機(jī)和微特電機(jī)行業(yè)發(fā)展迅速，是由于其本身具有高效率、壽命長(zhǎng)、低噪音和較好的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性的優(yōu)點(diǎn)。特別在汽車(chē)、航空、家用電器等行業(yè)中發(fā)展較好15。車(chē)用無(wú)刷直流電機(jī)：電機(jī)可以作為驅(qū)動(dòng)的核心部件，而且還可以用在汽車(chē)空調(diào)、雨刮器、電動(dòng)車(chē)門(mén)、安全氣囊、電動(dòng)座椅等驅(qū)動(dòng)上。航空航天用無(wú)刷直流電機(jī)：利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備代替氣動(dòng)和液壓傳動(dòng)裝置已成為航空航天發(fā)展中的一種趨勢(shì)。航空航天電機(jī)由于其應(yīng)用場(chǎng)合的特殊性，一般要求所用電機(jī)體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。無(wú)刷直流電機(jī)在家用電機(jī)中的應(yīng)用：家用電氣電子驅(qū)動(dòng)電機(jī)每年約30%的增幅發(fā)

9、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(jī)電機(jī)，傳統(tǒng)的壓縮機(jī)一般是異步電機(jī)，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(jī)等家用電器的主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)也使用無(wú)刷直流電機(jī)，這類(lèi)電機(jī)一般采用盤(pán)式無(wú)鐵心電機(jī)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)已經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)，價(jià)格便宜。無(wú)刷直流電機(jī)不僅能克服傳統(tǒng)家用電機(jī)的部分缺點(diǎn)，給人們的居家生活帶來(lái)更高的舒適性，還能降低能源耗損，更好的實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)利用。無(wú)刷直流電機(jī)在辦公自動(dòng)化中的應(yīng)用：計(jì)算機(jī)外設(shè)和辦公自動(dòng)化設(shè)備用電機(jī)，絕大部分為先進(jìn)制造技術(shù)和新興微電子技術(shù)相結(jié)合的高檔精密無(wú)刷直流電機(jī)，是技術(shù)密集化產(chǎn)品。這種高性能無(wú)刷直流電機(jī)伺

10、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(jià)值。無(wú)刷直流電機(jī)在數(shù)碼相機(jī)上也得到廣泛的應(yīng)用，如日本TOSHIBA和SANYO公司已生產(chǎn)出無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的相機(jī)。無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的激光打印機(jī)產(chǎn)品也已經(jīng)有了較長(zhǎng)的歷史，它的轉(zhuǎn)速可以在每分鐘幾千到幾萬(wàn)轉(zhuǎn)的范圍內(nèi)精確控制，具有很好的技術(shù)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。另外，無(wú)刷直流電機(jī)在計(jì)算機(jī)、錄音機(jī)和CD影碟機(jī)等設(shè)備產(chǎn)品中也有很好的應(yīng)用7 10。1.4 無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展趨勢(shì) 新電子技術(shù)、新器件、新材料及新的控制方法的出現(xiàn)將進(jìn)一步推動(dòng)無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用11 14。 (1) 電子電力及微處理器技術(shù)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)發(fā)展的影響 這使電機(jī)向小型化與集成化、控制器全數(shù)字

11、化、綠色PWM控制及其高效化發(fā)展。 (2) 永磁材料對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)發(fā)展的影響 電機(jī)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(dāng)出現(xiàn)新的永磁材料，就會(huì)使電機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能出現(xiàn)新的變革，促進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法和結(jié)構(gòu)工藝研制水平的提高到一個(gè)新的臺(tái)階。 (3) 新型無(wú)刷直流電機(jī)的開(kāi)發(fā) 在無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，速度和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)一直是需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題，尤其是用于視聽(tīng)設(shè)備、航空電氣、計(jì)算機(jī)中的無(wú)刷直流電機(jī)，更要求其具有運(yùn)行平穩(wěn)、精度高、噪聲小等特點(diǎn)。總之從結(jié)構(gòu)上研究和開(kāi)發(fā)新型電機(jī)必然是今后無(wú)刷直流電機(jī)發(fā)展的方向之一。 (4) 先進(jìn)控制策略的應(yīng)用 現(xiàn)代工業(yè)中對(duì)電機(jī)性能的要求越來(lái)越高，無(wú)刷直流

12、電機(jī)性能的改善可以通過(guò)電機(jī)本體優(yōu)化設(shè)計(jì)及電力電子裝置的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以利用各種先進(jìn)的控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)。全面實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)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(jì)課題的任務(wù)和內(nèi)容 (1) 學(xué)習(xí)無(wú)刷直流電機(jī)的基本原理、磁路結(jié)構(gòu)、定子繞組特點(diǎn)和設(shè)計(jì)計(jì)算方法。(2) 研究和討論典型三相無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)行控制方式和檢測(cè)方法及仿真。(3) 設(shè)計(jì)輸出功率小于100W三相無(wú)刷直流電機(jī)的控制和檢測(cè)系統(tǒng)。(a) 無(wú)刷直流電機(jī)三相半控電路。(b) 無(wú)刷直流電機(jī)三相Y型連接全控電路。(c) 無(wú)刷直流電機(jī)三相型連接全控電路。 (4) 采用專(zhuān)用集成電路實(shí)現(xiàn)三相無(wú)刷直流電機(jī)的換相、正反轉(zhuǎn)和PW

13、M轉(zhuǎn)速控制。 (5) 采用Protel 99SE繪出幾種運(yùn)行控制方式和檢測(cè)方法的電氣原理圖。 (6) 繪出專(zhuān)用集成電路控制方式的PCB圖和三維仿真圖。(7) 三相無(wú)刷直流電機(jī)幾種運(yùn)行控制方式和檢測(cè)方法的討論。1.6 本章總結(jié)本章介紹了無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展、結(jié)構(gòu)、工作原理、應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)，最后明確了本課題的設(shè)計(jì)任務(wù)和內(nèi)容。2 無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案2.1 無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 專(zhuān)用芯片控制的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)主要由硬件部分組成。硬件部分由電源路、驅(qū)動(dòng)電路、微處理器控制電路與保護(hù)電路等組成。如圖2.1有位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)硬件系統(tǒng)框圖，現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)各部分的基本結(jié)構(gòu)說(shuō)明如下。

14、圖2.1 有位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)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(qū)動(dòng)電路當(dāng)前，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)橋一般運(yùn)用6個(gè)IGBT或MOSFET等器件構(gòu)成全控橋，或者用3個(gè)IGBT或MOSFET等器件構(gòu)成半控橋，為了提高驅(qū)動(dòng)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(gè)功能：邏輯輸入;電平平移及輸出保護(hù)。IR2110的特點(diǎn)，可以為裝置的設(shè)計(jì)帶來(lái)許多方便。尤其是高端懸浮自舉電源的設(shè)計(jì)，可以大大減少驅(qū)動(dòng)電源的數(shù)目，即一組電源即可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)器位置檢測(cè)器是檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)與定

15、子繞組的位置信號(hào)，為驅(qū)動(dòng)橋提供換相信號(hào)。位置檢測(cè)包括有位置傳感器和無(wú)位置傳感器檢測(cè)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(jī)本體同軸，跟蹤電機(jī)本體轉(zhuǎn)子磁極的位置；定子固定在電機(jī)本體定子或端蓋上，檢測(cè)和輸出轉(zhuǎn)子位置信號(hào)?；魻栐垂δ芊挚煞謥?lái)線(xiàn)性霍爾元件和開(kāi)關(guān)霍爾元件。前者輸出模擬量，后來(lái)輸出數(shù)字量。線(xiàn)性霍爾元件的精度高、線(xiàn)性度好，溫度范圍寬；開(kāi)關(guān)霍爾元件無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)磨損、輸出小形清晰、無(wú)抖動(dòng)、無(wú)回跳、位置重復(fù)精度高、溫度范圍寬。(4) MC33035專(zhuān)用芯片MC33035專(zhuān)用芯片是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)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(jī)正反轉(zhuǎn)；

16、（b）實(shí)現(xiàn)電機(jī)剎車(chē)制動(dòng)；（c）啟停功能；（d）可選擇三相無(wú)刷直流電機(jī)傳感器相位差60或120； （e）欠壓封鎖保護(hù)，IC過(guò)熱保護(hù)和故障輸出。(5)保護(hù)電路 由于在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速比較低，反電動(dòng)勢(shì)很小，啟動(dòng)電流大，對(duì)電機(jī)損害較大，必須要設(shè)計(jì)保護(hù)電路，避免設(shè)備短路、過(guò)載與防治電纜線(xiàn)路短路。2.2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案比較無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)整和起動(dòng)性能好以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單無(wú)需定期修護(hù)的特點(diǎn)，因此在可靠性高的電機(jī)調(diào)速中得到了廣泛認(rèn)可。在電機(jī)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(dāng)前，數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)主要運(yùn)用兩種控制方案:一種是以單片機(jī)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(yīng)用廣范，且方

17、便靈活。另一種采用專(zhuān)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(jī)控制器是無(wú)刷直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)各種伺服功能的指揮核心，它主要功能有以下幾種:對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理，給驅(qū)動(dòng)電路提供相應(yīng)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、PWM調(diào)速、欠壓保護(hù)和過(guò)載保護(hù)等?？刂破鲗?zhuān)用芯片是電動(dòng)車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它是電動(dòng)車(chē)的核心。其主要的作用是保證電動(dòng)車(chē)正常工作，提高電機(jī)和蓄電池的效率、節(jié)省能源、保護(hù)電機(jī)及蓄電池和減少電動(dòng)車(chē)在受到的損傷。目前，市場(chǎng)上常用的電動(dòng)車(chē)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)主要采用專(zhuān)用集成電路為主控系統(tǒng)，如MOTOLORA公司研制的專(zhuān)用集成電路MC33035，該類(lèi)控制器稱(chēng)為模擬式控制器，其工作原理是

18、用電子裝置代替電刷控制電機(jī)線(xiàn)圈電流換相，根據(jù)電機(jī)內(nèi)的位置傳感器信號(hào)，決定換相的順序和時(shí)間，從而決定電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。該控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是智能性不高，保護(hù)措施一般，系統(tǒng)升級(jí)空間不大。本設(shè)計(jì)將采用MC33035作為主控芯片。MC33035為直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)專(zhuān)用芯片，具有使用方便、價(jià)格便宜、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)也具有不夠靈活、功能實(shí)現(xiàn)困難等問(wèn)題，在應(yīng)用上有一定的限制性需要通過(guò)增加附加電路，可改善控制功能和擴(kuò)展應(yīng)用。無(wú)刷直流電機(jī)控制方法主要是有位置和無(wú)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(jià)格便宜，安裝方便，作為主要的無(wú)刷直流電機(jī)的位置傳感器。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置的控制方

19、法主要有反電勢(shì)法、定子三次諧波法等。但是由于無(wú)位置控制方法在低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不可以實(shí)現(xiàn)精確的速度調(diào)控，所以現(xiàn)階段在電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域只是處于實(shí)驗(yàn)階段，不能推廣到實(shí)用中。繞組不同的組合會(huì)產(chǎn)生不同的性能和成本。以下三個(gè)指標(biāo)有利于我們做出選擇：（1）繞組利用率。不同于普通直流電動(dòng)機(jī)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的各相繞組是間斷通電的。增加通電的導(dǎo)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(dòng)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大于普通直流電動(dòng)機(jī)。相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)越小。橋式主電路比非橋式主電路的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。（3）電路成本。相數(shù)越多，驅(qū)動(dòng)橋使用的開(kāi)關(guān)管越多，成本就高。橋式全控主電路所用的開(kāi)關(guān)

20、管比橋式半控多一倍，成本高；多相電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)橋復(fù)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(zhuān)用芯片，霍爾元件，IR2110驅(qū)動(dòng)芯片，場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET），三相繞組的型和Y型接法，相應(yīng)的保護(hù)電路等來(lái)實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的任務(wù)要求。硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案框圖如圖2.1。3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 3.1 專(zhuān)用芯片的介紹MC33035是MOTOROLA公司的第2代無(wú)刷直流電機(jī)控制專(zhuān)用芯片，內(nèi)含轉(zhuǎn)子位置傳感器譯碼電路，溫度補(bǔ)償?shù)膬?nèi)部電壓基準(zhǔn)源，誤差放大器，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(dòng)電路，過(guò)熱保護(hù)電路及限流電路。典

21、型功能包括PWM調(diào)速，起動(dòng)，停止控制，正反轉(zhuǎn)控制和能耗制動(dòng)控制，廣泛應(yīng)用于兩相、三相及多相無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。MC33035的工作電源電壓范圍很寬，在10V-30V之間，芯片內(nèi)含有基準(zhǔn)電壓6.25V。MC33035內(nèi)部的轉(zhuǎn)子位置譯碼器主要用于監(jiān)控三個(gè)傳感器輸入,以便系統(tǒng)能夠正確提供高端和低端驅(qū)動(dòng)輸入的正確時(shí)序。傳感器輸入可直接與集電極開(kāi)路型霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)相連接。用MC33035系列產(chǎn)品控制的三相電機(jī)可在最常見(jiàn)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(jī)。這三個(gè)傳感器輸入有八種編碼組合,當(dāng)中的六種是有

22、效的編碼組合,還有兩種編碼組合無(wú)效，通過(guò)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(shí)別出電機(jī)轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置。MC33035無(wú)刷直流電機(jī)控制器的正向/反向輸出可通過(guò)改變定子繞組上的電流方向來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)向。當(dāng)輸入狀態(tài)改變時(shí),相應(yīng)的傳感器輸入編碼會(huì)由高電平轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娖?從而改變整流時(shí)序,來(lái)使電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向改變。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)/停止可由輸出使能來(lái)控制,當(dāng)該管腳開(kāi)路時(shí),連接到正電源的內(nèi)置上拉電阻將會(huì)啟動(dòng)頂部和底部驅(qū)動(dòng)輸出時(shí)序。而當(dāng)該腳接地時(shí),頂端驅(qū)動(dòng)輸出將關(guān)閉,并將底部驅(qū)動(dòng)強(qiáng)制為低,從而使電動(dòng)機(jī)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、片內(nèi)電壓參考、驅(qū)動(dòng)輸出電

23、路和熱關(guān)斷電路的工作原理和操作方法與其它同類(lèi)芯片基本相似。3.1.1 MC33035的組成，腳管及應(yīng)用1 MC33035的組成（1）轉(zhuǎn)子位置譯碼器；（2）限流保護(hù)電路；（3）溫度補(bǔ)償?shù)?.24V內(nèi)部基準(zhǔn)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(dòng)電路；（8）欠壓、過(guò)載保護(hù)和故障電平輸出。 2 MC33035的腳管功能說(shuō)明:圖 3.1 MC33035如下表3.1是MC33035各引腳的說(shuō)明:表3.1 MC33035各引腳的說(shuō)明引腳號(hào)引腳名稱(chēng)功能說(shuō)明1，2，24BT，AT，CT三個(gè)集電極開(kāi)路頂端驅(qū)動(dòng)輸出，驅(qū)動(dòng)外部上端功率開(kāi)關(guān)晶體管正向/反向輸入，改變

24、電機(jī)轉(zhuǎn)向。4，5，6SA,SB,SC 三個(gè)傳感器輸入，控制整流序列。7 OoutputEnable 輸出使能，高電平有效。8Reference Output 此輸出為振蕩器定時(shí)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 Noninverting Input 電流檢測(cè)同向輸入。10Oscillator 振蕩器引腳，振蕩頻率由定時(shí)元件R和C 所選擇的參數(shù)值決定。11ErrorAmp Noninverting Input 誤差信號(hào)放大器同向輸入。通常連接到速度設(shè)置電位器上12ErrorAmp Noninverting Input誤差信號(hào)放大器反向輸

25、入。13 ErrorAmp Out/PWMInput 誤差放大器輸出/PWM 輸入。14Fault Output 故障輸出端。15Current Sense Inverting Input 電流檢測(cè)反向輸入端。16Gnd 該管腳用于為控制電路提供一個(gè)分離的接地點(diǎn)，并可以作為參考返回到電源地。17 Vcc正電源。Vcc在10V30V 的范圍內(nèi)，控制器均可正常工作。18Vc 底部驅(qū)動(dòng)輸出的高端電壓是由該管腳提供的，它的工作范圍從10V30V。19，20，21CB,BB,AB 這三個(gè)圖騰柱式底部驅(qū)動(dòng)輸出被設(shè)計(jì)用于直接驅(qū)動(dòng)外部底部功率開(kāi)關(guān)晶體管。2260/120Select 此管腳的電氣狀態(tài)可決定控制

26、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(shí)允許馬達(dá)運(yùn)行，為低時(shí)馬達(dá)運(yùn)行停止。3.2 驅(qū)動(dòng)橋主電路設(shè)計(jì)全橋是由6個(gè)MOSFET管組成，半橋只有3個(gè)MOSFET管組成。倆者的優(yōu)缺點(diǎn)：全橋，控制簡(jiǎn)單，效率可以做的比較高。半橋與全橋差不多，不過(guò)效率沒(méi)全橋那么高，成本比全橋要便宜點(diǎn)。3.2.1 驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)元件選擇MOSFET是由貝爾實(shí)驗(yàn)室的D. Kahng和Martin 在1960年首次實(shí)驗(yàn)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

27、電路的領(lǐng)域里運(yùn)用廣泛。 由于MOSFET的性能不斷提升和改進(jìn)，除了應(yīng)用于微處理器、微控制器等訊號(hào)處理的場(chǎng)合上，還有越來(lái)越多類(lèi)比訊號(hào)處理的模擬電路同樣用MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)。表3.2是常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)元件的對(duì)比。表3.2 對(duì)IGBT、GTR、GTO 和MOSFET的優(yōu)缺點(diǎn)的比較器 件優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn)IGBT開(kāi)關(guān)速度高，開(kāi)關(guān)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(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小開(kāi)關(guān)速度低于電MOSFET,電壓，電流容量不及GTOGTR耐壓高，電流大，開(kāi)關(guān)特性好，通流能力強(qiáng)，飽和壓降低開(kāi)關(guān)速度低，為電流驅(qū)動(dòng)，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，存在二次擊穿問(wèn)題GTO電壓、電流容量大，適

28、用于大功率場(chǎng)合，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng)電流關(guān)斷增益很小，關(guān)斷時(shí)門(mén)極負(fù)脈沖電流大，開(kāi)關(guān)速度低，驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，開(kāi)關(guān)頻率低 MOSFET開(kāi)關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，工作頻率高，不存在二次擊穿問(wèn)題電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過(guò)10kW的電力電子裝置通過(guò)上述的比較，我選擇MOSFET。按照任務(wù)要求設(shè)計(jì)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(hào)1/3為高電平，2/3周期為低電平，并且傳感器信號(hào)之間的相位差是1/3周期。當(dāng)轉(zhuǎn)子位置處于120，A為高電平，

29、B、C為低電平。Q1導(dǎo)通，LA相繞組通電。在電磁作用下，轉(zhuǎn)子順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于240時(shí)，B為高電平，A、C為低電平，Q2導(dǎo)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(shí)針旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子處于360時(shí)，C為高電平，A、B為低電平，Q3導(dǎo)通，LC相繞組通電，轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子回到原來(lái)位置，繼續(xù)以上過(guò)程。三相半控電路特點(diǎn)是簡(jiǎn)單，但電動(dòng)機(jī)的利用率很低，每個(gè)繞組只導(dǎo)通1/3周期，沒(méi)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(dòng)機(jī)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(kāi)關(guān)作用。Q1、Q

30、2、Q3高電平有效，Q4、Q5、Q6為低電平有效。它們的導(dǎo)通方式為三三導(dǎo)通。三三導(dǎo)通方式是任意時(shí)刻3個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，每隔60度電角度換相一次，每個(gè)功率管通電180，功率管的導(dǎo)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(dāng)Q5、Q1、Q6導(dǎo)通時(shí)電流從Q1流入LA相繞組中，經(jīng)過(guò)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(guò)60電角度后，換相到Q1、Q6、Q2通電，先關(guān)斷Q5再打開(kāi)Q2這時(shí)電流從Q1、Q2流入，經(jīng)過(guò)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

31、致，經(jīng)過(guò)60電角度，大小還是1.5Ta。再經(jīng)過(guò)60電角度，換相到Q6、Q2、Q4通電之后，以此類(lèi)推，它們最終合成轉(zhuǎn)矩如圖3.2.3:圖3.4 三三導(dǎo)通的合成轉(zhuǎn)矩其電壓波形如圖3.5 圖3.5 Y連接三三導(dǎo)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(dǎo)通時(shí)通電順序?yàn)镼1、Q6、Q2-Q6、Q2、Q4-Q2、Q4、Q3-Q4、Q3、Q5-Q3、Q5、Q1-Q5、Q1、Q6-Q1、Q6、Q2。當(dāng)Q5、Q1、Q6導(dǎo)通時(shí)，電流從Q1管流入，經(jīng)過(guò)LA、LB繞組，在從Q5、Q6管流出，LC相繞組中無(wú)電流通過(guò)，這相當(dāng)于LA、LB倆相繞組并聯(lián)。假設(shè)電流從LA到LB、LB到LC、L

32、C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(fù)。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(fù)，最終轉(zhuǎn)矩合力與圖3.2.3相似，其大小為L(zhǎng)A相的1.732倍。3.2.3 功率模塊IR2110介紹(1) IR2110的特點(diǎn)有：輸出驅(qū)動(dòng)隔離電壓可達(dá)500V；芯片自身的門(mén)輸入驅(qū)動(dòng)范圍為1020V；輸入端帶施密特觸發(fā)電器；可實(shí)現(xiàn)兩路分立的驅(qū)動(dòng)輸出，可驅(qū)動(dòng)高壓高頻器件，如IGBT、功率MOSFET等，且工作頻率高可達(dá)500KHz ，開(kāi)通、關(guān)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。

33、(2) IR2110 主要功能及技術(shù)參數(shù)IR2110 邏輯電源電壓范圍在5 V-20V以?xún)?nèi) ,適應(yīng)TTL 或CMOS 邏輯信號(hào)輸入,具有獨(dú)立的高端和低端輸出通道。由于邏輯信號(hào)均通過(guò)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(dá)500V ,工作頻率可達(dá)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 + 10V

34、S + 20VS- 4500HOVSVBVCC1020LO0VCCVDDVCC + 4. 5VCC + 20VSS- 5+ 5HIN ,SD ,LINVSSVDDIR2110功能概述。IR2110驅(qū)動(dòng)器將相應(yīng)的信號(hào)送到對(duì)應(yīng)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(zhǔn)。邏輯電路為高端電路和低端電路輸出提供對(duì)應(yīng)的脈沖。HO和LO輸出與HIN和LIN輸入相位相同。當(dāng)SD輸入高電平時(shí)兩路都關(guān)閉。當(dāng)VDD低于欠電壓閥值，欠電壓UV檢測(cè)電路并關(guān)閉兩電路輸出。還有，當(dāng)VSS低于規(guī)定的欠電壓時(shí)，欠電壓檢測(cè)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

35、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(hào)送到輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)。低端延時(shí)電路可使控制脈沖定時(shí)要求，兩路輸出的傳播延時(shí)匹配簡(jiǎn)化。當(dāng)Vs電壓為500V或小于500V時(shí)，高端功率MOSFET管關(guān)斷。輸出驅(qū)動(dòng)的MOSFET管接成源極跟隨器，而另一只輸出驅(qū)動(dòng)MOSFET管則接成共源極電路，高端的脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)HV電平轉(zhuǎn)化器還觸發(fā)RS閂鎖置位或復(fù)位。每個(gè)高電壓DMOS電平轉(zhuǎn)換器只能在很狹窄的脈沖持續(xù)期內(nèi)導(dǎo)通，所以功率不高。3.2.4 IR2110各個(gè)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)

36、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3.2.5 驅(qū)動(dòng)電路圖 圖3.8 全控型驅(qū)動(dòng)電路 圖3.9 全控Y型驅(qū)動(dòng)電路 圖3.10 半控驅(qū)動(dòng)電路本設(shè)計(jì)在驅(qū)動(dòng)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(dāng)下管導(dǎo)通上管截止時(shí)，IR2110LO輸出為高，HO為低，隔離二極管D6

37、導(dǎo)通，自舉電容C8充電；當(dāng)下管截止上管導(dǎo)通時(shí)，隔離二極管D6截止，自居電容C8儲(chǔ)存的電荷供電，IR211HO為高，三極管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)MOSFET管柵極，使上管保持導(dǎo)通。3.3 開(kāi)關(guān)電路圖3.11 開(kāi)關(guān)電路開(kāi)關(guān)S2閉合時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，S4閉合時(shí)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(jī)正反轉(zhuǎn)。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(qū)動(dòng)輸出的高端電壓。3.5 調(diào)速電路圖3.1

38、3 調(diào)速電路電路通過(guò)改變PWM的輸入，即改變脈沖寬度輸入，通過(guò)專(zhuān)用芯片來(lái)均勻的改變電機(jī)每相的電壓大小進(jìn)行調(diào)速。3.6 RC振蕩電路圖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?yōu)榻涣麟?。?duì)于RC來(lái)說(shuō)，直流電源就是能源。3.7 過(guò)流保護(hù)在控制系統(tǒng)工作過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生很多異常情況，為了防止這些情況電路設(shè)計(jì)中必須加入保護(hù)電路。通常有欠壓保護(hù)電路和過(guò)流保護(hù)電路。因?yàn)镸C33035已經(jīng)有欠壓保護(hù)了，所以主要討論過(guò)電流保護(hù)。 當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載短路、過(guò)載或者控制電路失效等意外情況時(shí),會(huì)引起電流過(guò)大，使管子功耗增大,發(fā)熱,若沒(méi)有過(guò)流保護(hù)裝置,大功率開(kāi)關(guān)三極管就有可能

39、損壞。故而在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中過(guò)電流保護(hù)是常用的。 在線(xiàn)性穩(wěn)壓器中常用的限流保護(hù)和電流截止保護(hù)在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中均能應(yīng)用。但是,根據(jù)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的特點(diǎn),這種保護(hù)電路的輸出不能直接控制開(kāi)關(guān)三極管,而必須使過(guò)電流保護(hù)的輸出轉(zhuǎn)換為脈沖指令,去控制調(diào)制器以保護(hù)開(kāi)關(guān)三極管。為了實(shí)現(xiàn)過(guò)電流保護(hù)一般均需要用取樣電阻串聯(lián)在電路中。由于在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速比較低，反電動(dòng)勢(shì)很小，啟動(dòng)電流大，對(duì)電機(jī)損害較大，因此通常要在電機(jī)控制電路中加入如圖3.15所示的過(guò)電流保護(hù)。此電路的優(yōu)點(diǎn)是不用通過(guò)處理器判斷是否過(guò)流，可以實(shí)時(shí)的作出反應(yīng)，在電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中，可有效的保護(hù)系統(tǒng)不受損害。 圖3.15 過(guò)電流保護(hù)電路3.8 本章總結(jié)本章主要設(shè)計(jì)了

40、驅(qū)動(dòng)橋和驅(qū)動(dòng)電路以及MC33035周邊的開(kāi)關(guān)電路，穩(wěn)壓電路，調(diào)速電路，RC振蕩電路。實(shí)現(xiàn)了三相無(wú)刷直流電機(jī)的換相、正反轉(zhuǎn)和PWM轉(zhuǎn)速控制。本章是介紹了過(guò)電流保護(hù)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(xiàn)性霍爾器件和開(kāi)關(guān)霍爾器件。線(xiàn)性霍爾器件輸出模擬量，開(kāi)關(guān)霍爾器件輸出數(shù)字量，都可用于電機(jī)磁場(chǎng)的測(cè)量?；魻柶骷泻芏嗵攸c(diǎn)，比如它們的體積小巧，重量很輕，壽命很長(zhǎng)，安裝簡(jiǎn)單，功耗較小，頻率較高 ,耐震動(dòng)，不怕污染或腐蝕?；魻栭_(kāi)關(guān)器件沒(méi)有觸點(diǎn)、不會(huì)磨損、輸出穩(wěn)定、不抖動(dòng)、不會(huì)回跳、位置精度高。并且，它可以在-55oC到150oC范圍內(nèi)正常工作。（1） 無(wú)刷

41、直流電動(dòng)機(jī)中常用轉(zhuǎn)子位置傳感器轉(zhuǎn)子位置傳感器是無(wú)刷直流電機(jī)中的重要組成部分。它對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行位置檢測(cè)，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)邏輯變換后去控制功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通或關(guān)閉，這樣可以讓電機(jī)定子繞組按順序?qū)?，確保電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子位置傳感器也由定子、轉(zhuǎn)子組成，其轉(zhuǎn)子和電機(jī)本體同軸安裝，可跟蹤檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置；其定子安裝于電機(jī)本體的定子上或端蓋上，可以檢測(cè)和輸出轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)。轉(zhuǎn)子位置傳感器的技術(shù)指標(biāo)主要為：輸出信號(hào)的精度，幅值，工作溫度，抗干擾能力，響應(yīng)速度，損耗，安裝方便性，體積重量以及可靠性等。其種類(lèi)包括電磁式、光電式、磁敏式、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器式、接近開(kāi)關(guān)式以及編碼器等。常用的傳感器主要有以下幾種：（a）霍

42、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(dǎo)體位置傳感器。它是用霍爾效應(yīng)制成的。當(dāng)霍爾元件按要求安裝于外磁場(chǎng)中并通以工作電流，可以輸出霍爾電勢(shì)信號(hào)，當(dāng)其不受外磁場(chǎng)作用時(shí)，霍爾電勢(shì)信號(hào)就不會(huì)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(jī)端蓋內(nèi)表面，電機(jī)軸同軸的永磁體靠近霍爾元件并與之有一小間隙。對(duì)于三相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無(wú)刷直流電機(jī)，三個(gè)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(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，三個(gè)霍爾元件會(huì)輪流輸出三個(gè)寬度為180電角度、相位之間差120電角度的矩形波信號(hào)。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

43、組端部靠近鐵心處，利用安裝在電機(jī)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(hào)來(lái)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(jiǎn)單、體積小、價(jià)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(hào)電平低，不能正常工作。所以，在對(duì)性能和環(huán)境要求不高的永磁無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)用場(chǎng)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(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(dǎo)磁襯套組成。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輸入繞組中輸入高頻激磁電流，當(dāng)轉(zhuǎn)子扇形磁芯位于輸出繞組下面時(shí)，輸入與輸出繞組通過(guò)定子

44、、轉(zhuǎn)子磁芯耦合，輸出繞組中感應(yīng)到高頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)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(qiáng)度很高，可經(jīng)得起較大的振動(dòng)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(hào)很大，一般不要經(jīng)過(guò)放大就可以直接驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管，但是輸出電壓是交流的，必須經(jīng)過(guò)整流。因?yàn)檫@種傳感器很復(fù)雜笨重，所以大大限制了它在普通條件下的運(yùn)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(gè)光電耦合開(kāi)關(guān)與在轉(zhuǎn)子軸上的遮光盤(pán)所構(gòu)成。數(shù)個(gè)光電耦合開(kāi)關(guān)沿圓周均勻分布，每只光電耦合開(kāi)關(guān)是由相對(duì)的紅外發(fā)光二極管和光敏三極管構(gòu)成。遮光盤(pán)位于發(fā)光二極管與光敏三極管之間，盤(pán)上有一定角度的窗口。紅外發(fā)光二極管導(dǎo)通之后

45、發(fā)出紅外光，當(dāng)遮光盤(pán)隨電機(jī)轉(zhuǎn)子一同轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，紅外光交替的照在光敏三極管上，使三極管不停的導(dǎo)通和截至，其輸出信號(hào)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(jiǎn)單，所以獲得了廣泛的運(yùn)用。目前，無(wú)位置傳感器的永磁無(wú)刷直流電機(jī)發(fā)展迅速。它不需要轉(zhuǎn)子位置傳感器，所以電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可靠性較高。當(dāng)電機(jī)體積小、位置傳感器安裝不便或電機(jī)工作在惡劣環(huán)境中導(dǎo)致位置傳感器工作的可靠性不能保證時(shí)，無(wú)位置傳感器的永磁無(wú)刷直流電機(jī)就顯示出特別的優(yōu)越性。無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)的弱點(diǎn)主要是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比較小，一般適用于空載條件下起動(dòng)。（2） 霍爾器件在無(wú)刷直流電機(jī)中的運(yùn)用當(dāng)霍爾傳感器用來(lái)作為無(wú)刷

46、直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)裝置時(shí)，將它安裝在電機(jī)定子的適當(dāng)位置，霍爾傳感器的輸出與控制部分相連接。當(dāng)無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)霍爾器件時(shí)，轉(zhuǎn)子上永磁體的磁場(chǎng)使霍爾傳感器輸出電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)被送到控制部分，經(jīng)控制部分發(fā)出相應(yīng)信號(hào)來(lái)使定子繞組導(dǎo)通，從而產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)極性相同的磁場(chǎng)，排斥轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到下一位置時(shí)，前一個(gè)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(hào)，控制部分發(fā)出對(duì)應(yīng)信號(hào)使得對(duì)應(yīng)定子繞組導(dǎo)通，產(chǎn)生相同磁場(chǎng)排斥轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)不停的運(yùn)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(jī)中的應(yīng)用。結(jié)束語(yǔ)本課題實(shí)現(xiàn)了三

47、相無(wú)刷直流電機(jī)的換相、正反轉(zhuǎn)和PWM轉(zhuǎn)速控制。我通過(guò)對(duì)專(zhuān)用芯片的研究以及查找相關(guān)資料設(shè)計(jì)了：（1）開(kāi)關(guān)電路，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)現(xiàn)PWM調(diào)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(hào)的電路。作用是產(chǎn)生交流電振蕩，作為信號(hào)源。（5）IR2110的全橋和半橋驅(qū)動(dòng)電路，避免上臂短路，增加隔離二極管和自舉電容。通過(guò)解了MC33035具有片內(nèi)電流限制電路、片內(nèi)電壓參考、欠壓鎖定電路、驅(qū)動(dòng)輸出電路以及熱關(guān)斷等電路設(shè)計(jì)了過(guò)電流保護(hù)，選用合適的霍爾元件。通過(guò)學(xué)習(xí)無(wú)刷直流電機(jī)的基本原理、磁路結(jié)構(gòu)、定子繞組特點(diǎn)和設(shè)計(jì)計(jì)算方法。研究典型的三相無(wú)刷直流電機(jī)