无刷直流电机控制系统的设计

1、1 引言无刷直流电机最本质的特征是没有机械换向器和电刷所构成的机械接触式换向 机构。现在，无刷直流电机定义有俩种：一种是方波 / 梯形波直流电机才可以被称为 无刷直流电机，而正弦波直流电机则被认为是永磁同步电机。另一种是方波 / 梯形波 直流电机和正弦波直流电机都是无刷直流电机。 国际电器制造业协会在 1987年将无刷 直流电机定义为“一种转子为永磁体，带转子位置信号，通过电子换相控制的自同步 旋转电机”，其换相电路可以是独立的或集成于电机本体上的。本次设计采用第一种 定义，把具有方波 / 梯形波无刷直流电机称为无刷直流电机。从 20世纪 90年代开始， 由于人们生活水平的不断提高和现代化生产

2、、办公自动化的发展，家用电器、工业机 器人等设备都向着高效率化、 小型化及高智能化发展， 电机作为设备的重要组成部分， 必须具有精度高、速度快、效率高等优点，因此无刷直流电机的应用也发展迅速1 。1.1 无刷直流电机的发展概况无刷直流电动机是由有刷直流电动机的基础上发展过来的。19世纪 40年代，第一台直流电动机研制成功，经过 70多年不断的发展，直流电机 进入成熟阶段，并且运用广泛。1955年，美国的D.Harrison申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械 电刷的专利，形成了现代无刷直流电动机的雏形。在20世纪60年代初，霍尔元件等位置传感器和电子换向线路的发现，标志着真正 的无刷

3、直流电机的出现。20世纪70年代初，德国人Blaschke提出矢量控制理论，无刷直流电机的性能控制 水平得到进一步的提高，极大地推动了电机在高性能领域的应用。1987年，在举办的德国金属加工设备展览会上，西门子和博世两公司展出了永磁 自同步伺服系统和驱动器，引起了我国有关学者的注意，自此我国开始了研制和开发 电机控制系统和驱动的热潮。目前，我国无刷直流电机的系列产品越来越多，形成了 生产规模。无刷直流电动机的发展主要取决于电子电力技术的发展， 无刷直流电机发展的初 期，由于大功率开关器件的发展处于初级阶段，性能差，价格贵，而且受永磁材料和 驱动控制技术的约束，这让无刷直流电动机问世以后的很长一

4、段时间，都停留在实验 阶段，无法推广到实际中使用， 1970年以后，半导体的快速发展，许多新型的全控型1986半导体功率器件（如MOSFET、IGBT等）不断出现，而且高性能的永磁材料（如SmCo、 NsFeB）陆续出现2，这些都为无刷直流电机广泛应用提供了有利的条件。由于无刷直流电机的广泛使用，无刷直流电机的理论也不断得到修改完善。年，对无刷直流电机作了系统的总结，这样标志着无刷直流电机在理论上 走向成熟。1.2 无刷直流电机1.2.1 无刷直流电机的结构无刷直流电机主要由用永磁材料制造的转子、带有线圈绕组的定子和位置传感器 组成。它和有刷直流电机有着很多共同点，定子和转子的结构相似（原来的

5、定子变为 转子，转子变为定子），绕组的接线一样3。然而，结构上有明显的区别：无刷直流 电机没有有刷直流电机中的换向器和电刷，取而代之的是位置传感器。这样，电机结 构简单，减少了电机的制造和维护成本，但无刷直流电机不会自动换相，这使的电机 控制器成本的提高。转子定子位医传嚨器图1.1无刷直流电机模型图1.1所示为小功率的三相、星形连接无刷直流电机，定子在，转子在外，结构与 直流电机很相似。另一种无刷直流电机的结构刚好相反，转子在，定子在外。1.2.2 无刷直流电机的工作原理无刷直流电机的定子是线圈绕组，转子是永磁体。检测电机转子的位置，根据转 子的位置给电机的相应线圈通电，使定子产生方向均匀变化

6、的旋转磁场，转子才可以 跟着磁场转动起来。如图1.2无刷直流电机转动原理如图1.2所示为无刷直流电机的转动原理示意图， 定子的线圈一端接电源，其余三 相接功率管，位置传感器导通时功率管的 G极接+12V，功率管导通，对应的相线圈通 电。三个位置传感器随转子转动，依次导通，对应线圈也依次通电，从而定子产生的 磁场不断地变化，电机转子也转动起来，这就是无刷直流电机的转动原理。1.2.3 无刷直流电机的磁路结构和定子绕组磁路是指磁通能通过的路径，无刷直流电机中，转子上安装永磁体，作为磁极， 电机转子磁极多是4个或6个永磁体。转子数目增加，相应的定子绕组也增加，但不需 要增加驱动电路数目。主磁场一般由

7、转子永磁体产生，从 S极回到N极而闭合。绕组是指按照一定规律连接起来的一组线圈总体。绕组导电以后，和转子产生的 磁场相互作用，产生力或力矩，将电能转换成机械能，故又将定子绕组称为电枢绕组。1.3 无刷直流电机的应用近年来，我国中小型电机和微特电机行业发展迅速，是由于其本身具有高效率、寿命长、低噪音和较好的转矩-转速特性的优点。特别在汽车、航空、家用电器 等行业中发展较好15。车用无刷直流电机：电机可以作为驱动的核心部件，而且还可以用在汽车空 调、雨刮器、电动车门、安全气囊、电动座椅等驱动上。航空航天用无刷直流电机：利用电机驱动设备代替气动和液压传动装置已成为 航空航天发展中的一种趋势。航空航天

8、电机由于其应用场合的特殊性，一般要求所 用电机体积小，结构简单。无刷直流电机在家用电机中的应用：家用电气电子驱动电机每年约30%勺增幅发展，现代电器朝着节能、低噪音、智能化和高可靠性方向发展。空调和冰箱中都有 压缩机电机，传统的压缩机一般是异步电机，其效率和功率因数较低，采用变频技 术以后，情况有所改善。VCD、DVD、CD机等家用电器的主轴驱动电机也使用无刷 直流电机，这类电机一般采用盘式无铁心电机结构，现已经大规模生产，价格便 宜。无刷直流电机不仅能克服传统家用电机的部分缺点，给人们的居家生活带来更 高的舒适性，还能降低能源耗损，更好的实现能源的可持续利用。无刷直流电机在办公自动化中的应用

9、：计算机外设和办公自动化设备用电机， 绝大部分为先进制造技术和新兴微电子技术相结合的高档精密无刷直流电机，是技 术密集化产品。这种高性能无刷直流电机伺服控制系统的采用能大大改善产品的质 量，提高产品的价值。无刷直流电机在数码相机上也得到广泛的应用，如日本 TOSHIBA 和 SANYO 公司已生产出无刷直流电机驱动的相机。无刷直流电机驱动的 激光打印机产品也已经有了较长的历史，它的转速可以在每分钟几千到几万转的围 精确控制，具有很好的技术和市场竞争力。另外，无刷直流电机在计算机、录音机 和 CD 影碟机等设备产品中也有很好的应用 7 10。1.4 无刷直流电机的发展趋势新电子技术、新器件、新材

10、料及新的控制方法的出现将进一步推动无刷直流电 机的发展和应用 11 14。(1) 电子电力及微处理器技术对无刷直流电机发展的影响这使电机向小型化与集成化、控制器全数字化、绿色PWM空制及其高效化发展。(2) 永磁材料对无刷直流电机发展的影响 电机的小型化、轻量化及高效化与磁性材料的发展息息相关。每当出现新的永磁材料，就会使电机的结构和功能出现新的变革，促进电机的设计理论、计算方法 和结构工艺研制水平的提高到一个新的台阶。(3) 新型无刷直流电机的开发 在无刷直流电机控制系统中，速度和转矩波动一直是需要进一步解决的问题，尤其是用于视听设备、航空电气、计算机中的无刷直流电机，更要求其具有运行平 稳

11、、精度高、噪声小等特点。总之从结构上研究和开发新型电机必然是今后无刷直 流电机发展的方向之一。(4) 先进控制策略的应用现代工业中对电机性能的要求越来越高，无刷直流电机性能的改善可以通过电 机本体优化设计及电力电子装置的控制来实现，也可以利用各种先进的控制策略来 实现。全面实现无刷直流电机控制系统朝微型化、轻量化、高智能化和节能化的方 向发展。1.5 本设计课题的任务和容(1) 学习无刷直流电机的基本原理、磁路结构、定子绕组特点和设计计算方法。(2) 研究和讨论典型三相无刷直流电机的运行控制方式和检测方法及仿真。(3) 设计输出功率小于 100W 三相无刷直流电机的控制和检测系统。(a) 无刷

12、直流电机三相半控电路。(b) 无刷直流电机三相 Y 型连接全控电路。(c) 无刷直流电机三相型连接全控电路。(4) 采用专用集成电路实现三相无刷直流电机的换相、 正反转和 PWM 转速控制(5) 采用Protel 99SE绘出几种运行控制方式和检测方法的电气原理图。(6) 绘出专用集成电路控制方式的 PCB 图和三维仿真图。(7) 三相无刷直流电机几种运行控制方式和检测方法的讨论。1.6 本章总结本章介绍了无刷直流电机的发展、结构、工作原理、应用及发展趋势，最后明确 了本课题的设计任务和容2无刷直流电机控制系统的设计方案2.1 无刷直流电机控制系统的设计专用芯片控制的无刷直流电机控制系统主要由

13、硬件部分组成。硬件部分由电源路、驱动电路、微处理器控制电路与保护电路等组成。如图2.1有位置传感器的无刷电源路主要由直流电源组成。(2) 驱动电路当前，无刷直流电动机的驱动桥一般运用6个IGBT或MOSFET等器件构成全控桥, 或者用3个IGBT或MOSFET等器件构成半控桥，为了提高驱动桥的可靠性可以使用集 成的功率模块和智能功率模块。IR2110芯片主要有三个功能：逻辑输入；电平平移及输出保护。IR2110的特点，可 以为装置的设计带来许多方便。尤其是高端悬浮自举电源的设计，可以大大减少驱动 电源的数目，即一组电源即可实现对上下端的控制。为了避免隔上臂短路，在电路中 加入离二极管和自举电容

14、。(3) 位置检测器位置检测器是检测转子磁极相对与定子绕组的位置信号，为驱动桥提供换相信 号。位置检测包括有位置传感器和无位置传感器检测两种方式。转子位置传感器由定子和转子两部分组成，转子与电机本体同轴，跟踪电机本体转子磁极的位置；定子固 定在电机本体定子或端盖上，检测和输出转子位置信号。霍尔元件按功能分可分来线性霍尔元件和开关霍尔元件。前者输出模拟量，后来 输出数字量。线性霍尔元件的精度高、线性度好，温度围宽；开关霍尔元件无触点、 无磨损、输出小形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高、温度围宽。（4）MC33035专用芯片MC33035专用芯片是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的

15、指挥 中心，它主要完成以下功能：（a）可控制电机正反转；（b）实现电机刹车制动；（c）启停功能；（d）可选择三相无刷直流电机传感器相位差 60°或120°（e）欠压封锁保护，IC过热保护和故障输出。（5）保护电路由于在电机启动时，转速比较低，反电动势很小，启动电流大，对电机损害较 大，必须要设计保护电路，避免设备短路、过载与防治电缆线路短路。2.2 无刷直流电动机控制系统设计方案比较无刷直流电动机调整和起动性能好以及结构简单无需定期修护的特点，因此在可靠性高的电机调速中得到了广泛认可。在电机转速控制方面，数字调速系统已取代模 拟调速系统。当前，数字调速系统主要运用两种控制方

16、案：一种是以单片机为控制核 心构成的硬件系统。这种方案可以编程控制，应用广，且方便灵活。另一种采用专用 集成电路。这种方案可以降低成本，提高可靠性，但在灵活方面不是很理想。电机控 制器是无刷直流电机实现各种伺服功能的指挥核心，它主要功能有以下几种：对输入信号进行处理，给驱动电路提供相应的控制信号，实现电机的正反转、PWM调速、欠压保护和过载保护等。控制器专用芯片是电动车的驱动系统，它是电动车的核心。其主要的作用是保证 电动车正常工作，提高电机和蓄电池的效率、节省能源、保护电机及蓄电池和减少电 动车在受到的损伤。目前，市场上常用的电动车无刷直流电机控制系统主要采用专用集成电路为主控 系统，如MO

17、TOLORA公司研制的专用集成电路MC33035，该类控制器称为模拟式控 制器，其工作原理是用电子装置代替电刷控制电机线圈电流换相，根据电机的位置传 感器信号，决定换相的顺序和时间，从而决定电机的转向和转速。该控制系统的缺点 是智能性不高，保护措施一般，系统升级空间不大。本设计将采用MC33035作为主控芯片。MC33035为直流无刷电机驱动专用芯片，具有使用方便、价格便宜、抗干扰性强等特点，同时也具有不够灵活、功能实现困难 等问题，在应用上有一定的限制性需要通过增加附加电路，可改善控制功能和扩展 应用。无刷直流电机控制方法主要是有位置和无位置控制两种控制方式。 有位置的控制 方式中，由于霍尔

18、传感器价格便宜，安装方便，作为主要的无刷直流电机的位置传感 器。目前，国外对无刷直流电机无位置的控制方法主要有反电势法、定子三次谐波法 等。但是由于无位置控制方法在低速转动时不可以实现精确的速度调控，所以现阶段 在电动车领域只是处于实验阶段，不能推广到实用中。绕组不同的组合会产生不同的性能和成本。以下三个指标有利于我们做出选择：（1）绕组利用率。不同于普通直流电动机， 无刷直流电动机的各相绕组是间断通电的。 增加通电的 导体数，电阻下降，效率提高可以提高绕组利用率。三相绕组优于四相和五相绕组。（2）转矩脉动。 无刷直流电动机的输出转矩脉动大于普通直流电动机。相数越多，转矩的脉动越小。桥式主电路

19、比非桥式主电路的转矩脉动小。（3）电路成本。相数越多，驱动桥使用的开关管越多，成本就高。桥式全控主电路所用的开关管 比桥式半控多一倍，成本高；多相电动机的驱动桥复杂，成本高。所以，三角形，星 形连接三相桥式主电路。2.3 本章总结本章介绍了本方案主要采用MC33035专用芯片，霍尔元件，IR2110驱动芯片，场 效应管（MOSFET），三相绕组的型和Y型接法，相应的保护电路等来实现本设计的 任务要求。硬件设计系统方案框图如图 2.1 。3无刷直流电动机控制系统的硬件设计3.1 专用芯片的介绍MC33035是MOTOROLA公司的第2代无刷直流电机控制专用芯片，含转子位置传 感器译码电路，温度补

20、偿的部电压基准源，误差放大器，频率可调的锯齿波振荡器， PWM比较器，芯片欠压，输出驱动电路，过热保护电路及限流电路。典型功能包括 PWM调速，起动，停止控制，正反转控制和能耗制动控制，广泛应用于两相、三相 及多相无刷直流电机驱动控制。MC33035的工作电源电压围很宽，在10V-30V之间，芯片含有基准电压6.25V。 MC33035部的转子位置译码器主要用于监控三个传感器输入，以便系统能够正确提供 高端和低端驱动输入的正确时序。传感器输入可直接与集电极开路型霍尔效应开关相 连接。用MC33035系列产品控制的三相电机可在最常见的四种传感器相位下工作。MC33035提供的60°12

21、0选择可使MC33035很方便地控制拥有有60°120°240°或300° 的传感器相位电机。这三个传感器输入有八种编码组合，当中的六种是有效的编码组合 还有两种编码组合无效，通过有效输入编码可使译码器在使用60度电气相位的窗口中 识别出电机转子的当前位置。MC33035无刷直流电机控制器的正向/反向输出可通过改 变定子绕组上的电流方向来改变电机转向。当输入状态改变时，相应的传感器输入编码 会由高电平转变为低电平，从而改变整流时序，来使电机旋转方向改变。电机转动/停止 可由输出使能来控制，当该管脚开路时，连接到正电源的置上拉电阻将会启动顶部和底 部驱动输

22、出时序。而当该脚接地时，顶端驱动输出将关闭，并将底部驱动强制为低，从而 使电动机停止。MC33035中的振荡器、脉冲宽度调制、误差放大器、电流限制电路、 欠压锁定电路、片电压参考、驱动输出电路和热关断电路的工作原理和操作方法与其 它同类芯片基本相似。3.1.1 MC33035的组成，脚管及应用1 MC33035的组成（1）转子位置译码器；（2）限流保护电路；（3）温度补偿的6.24V部基准电源；（4）电阻、电容锯齿波振荡电路；(5) 脉宽调制比较器；(6) 误差放大器；(7) 输出驱动电路；(8) 欠压、过载保护和故障电平输出2 MC33035的脚管功能说明：图 3.1 MC33035如下表3

23、.1是MC33035各引脚的说明：表3.1 MC33035各引脚的说明引脚号引脚名称功能说明1, 2，24BT，AT，CT三个集电极开路顶端驱动输出，驱动外部上端功率开关晶体管正向/反向输入，改变电机转向。4，5, 6SA,SB,SC三个传感器输入，控制整流序列。7Ooutput输出使能，高电平有效。En able8Refere nee Output此输出为振荡器定时电容提供充电电流，并为误差放大器提供参考电压，还向传感器提供电源。9Current Sense电流检测同向输入。Noninverting In put10Oscillator振荡器引脚，振荡频率由定时兀件 R和C所选择的参数值决定

24、。11ErrorAmp误差信号放大器冋向输入。通常连接到速度设置电位器上Noninverting In put12ErrorAmp误差信号放大器反向输入。Noninverting In put13ErrorAmp误差放大器输出/PWM输入。Out/PWMI nput14Fault Output故障输出端。15Current Sense电流检测反向输入端。Inverting In put16Gnd该管脚用于为控制电路提供一个分离的接地点，并可以作为参考返回到电源地。17Vee正电源。Vee在10V30V的围，控制器均可正常工作。18Ve底部驱动输出的咼端电压是由该管脚提供的，它的工作围从10V3

25、0V。19， 20， 21CB,BB,AB这三个图腾柱式底部驱动输出被设计用于直接驱动外部底部功率2223开关晶体管。此管脚的电气状态可决定控制电路是工作在60°（高电平状态）还是120。（低电平状态）的传感器电气相位输入状态下。Brake输出使能。该管脚为高时允许马达运行，为低时马达运行停止。60°120 Select3.2驱动桥主电路设计全桥是由6个MOSFET管组成，半桥只有3个MOSFET管组成。俩者的优缺点：全桥，控制简单，效率可以做的比较高。半桥与全桥差不多，不 过效率没全桥那么高，成本比全桥要便宜点。3.2.1 驱动开关元件选择MOSFET是由贝尔实验室的 D

26、. Kahng和Martin在1960年首次实验成功，MOSFET的操作原理和1947年萧克莱等人发明的双载子晶体管不同，且制造成本低廉、使用面积较小和高整合度，在 大型积体电路或是超大型积体电路的领域里运用广泛。由于MOSFET的性能不断提升和改进， 除了应用于微处理器、微控制器等讯号处理的场合上， 还有越来越多类比讯号处理的模拟电路同样用 MOSFET来实现。表3.2是常见的驱动开关元件的对 比。表3.2 对IGBT、GTR、GTO 和MOSFET的优缺点的比较器件优点缺点开关速度高，开关损耗小，开关速度低于电MOSFET,电IGBT具有耐脉冲电流冲击的能 力，通态压降较低，输入阻 抗高，

27、为电压驱动，驱动功 率小压，电流容量不及 GTO耐压咼，电流大，开关特性开关速度低，为电流驱动，GTR好，通流能力强，饱和压降所需驱动功率大，驱动电路低复杂，存在二次击穿冋题电压、电流容量大，适用于电流关断增益很小，关断时GTO大功率场合，具有电导调制门极负脉冲电流大，开关速效应，其通流能力很强度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低MOSFET电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过 10kW的电力电子装置通过上述的比较，我选按照任务要求设计全控和 Y,半控。322 三相半控，全控电路其工作原理：在三相半控电路中，要求磁极位置传感器输出信号1/3为高电平，2/3 周期为低电平，并且传感器

28、信号之间的相位差是 1/3周期。当转子位置处于120。，A为 高电平，B、C为低电平。Q1导通，LA相绕组通电。在电磁作用下，转子顺时针方向 旋转。当转子处于240°时，B为高电平，A、C为低电平，Q2导通，LB相绕组通电， LA相绕组断电。转子磁铁同LB相绕组产生的电磁力作用下，继续顺时针旋转。转子 处于360°时，C为高电平，A、B为低电平，Q3导通，LC相绕组通电，转子继续顺时 针旋转，转子回到原来位置，继续以上过程。三相半控电路特点是简单，但电动机的利用率很低，每个绕组只导通1/3周期，没有得到充分利用为6只P型功率MOSFET管，起到绕组开关作用。Q1、Q2、Q3

29、高电平有效，Q4、Q5、 Q6为低电平有效。它们的导通方式为三三导通。三三导通方式是任意时刻3个开关管同时导通，每隔60度电角度换相一次，每个 功率管通电180°,功率管的导通方式是：Q1、Q6、Q2->Q6、Q2、Q4->Q2、Q4、Q3->Q4、 Q3、Q5->Q3、Q5、Q1->Q5、Q1、Q6->Q1、Q6、Q2。当Q5、Q1、Q6导通时电流 从Q1流入LA相绕组中，经过LB、LC绕组分流，合成转矩方向和LA一致，大小为1.5Ta。 经过60°电角度后，换相到Q1、Q6、Q2通电，先关断Q5再打开Q2这时电流从Q1、Q2 流入，经

30、过LA、LB绕组，再流入LC相绕组，最后经Q6流出，合成转矩于LC的反方 向一致，经过60°电角度，大小还是1.5Ta。再经过60°电角度，换相到Q6、Q2、Q4通 电之后，以此类推，它们最终合成转矩如图 图3.4三三导通的合成转矩其电压波形如图3.5LALBLCQI IQIQ5|0312厂rQsl图3.5 Y连接三三导通方式电压波形图图3.6三相全空电路图3.6为三相全控电路，绕组为 三三导通时通电顺序为 Q1、Q6、Q2->Q6、Q2、Q4->Q2、Q4、Q3->Q4、Q3、Q5->Q3、Q5、Q1->Q5、Q1、Q6->Q1、Q6、

31、Q2 。 当Q5、Q1、Q6导通时，电流从Q1管流入，经过LA、LB绕组，在从Q5、Q6管流 出，LC相绕组中无电流通过，这相当于 LA、LB俩相绕组并联。假设电流从LA到LB、LB到LC、LC到LA所产生的转矩为正，而从LC到LB、 LB到LA、LA到LC产生的转矩为负。流入LA相绕组产生的转矩为正，流入LB相 的绕组所产生的的转矩为负，最终转矩合力与图 相似，其大小为LA相的1.732 倍。功率模块IR2110介绍(1) IR2110的特点有：输出驱动隔离电压可达 500V;芯片自身的门输入驱动围为1020V;输入端带施密特触发电器；可实现两路分立的驱动输出，可驱动高压高频 器件，如IGB

32、T、功率MOSFET等，且工作频率高可达500KHz，开通、关断延迟小, 分别为120ns和94ns；逻辑电源的输入围(脚 9)5-15V，可方便的与TTL，CMOS 电平相匹配。(2) IR2110主要功能及技术参数IR2110逻辑电源电压围在5 V-20V以，适应TTL或CMOS逻辑信号输入，具有独 立的高端和低端输出通道。由于逻辑信号均通过电平耦合电路连接到各自的通道上 ， 容许逻辑电路参考地(USS)与功率电路参考地(COM)之间有-5V和+ 5V的偏移量, 并且可以屏蔽不大于50ns的脉冲，这样的抗干扰效果较为理想。IR2110浮置电源采用 自举电路,其高端工作电压可达500V，工作

33、频率可达到500kHz。两路通道均带有欠压锁 定功能。其典型工作参数如表3.3所示。表3.3IR2110工作参数参数最小值/ V最大值/ VVBVS + 10VS + 20VS-4500HOVSVBVCC1020LO0VCCVDDVCC + 4. 5VCC + 20VSS-5+ 5HIN ,SD ,LINVSSVDDIR2110功能概述。IR2110驱动器将相应的信号送到对应的低阻抗输出。其高端输 出HO和低端输出LO分别以浮置电位VSS和固定电位VCC为基准。逻辑电路为高端电 路和低端电路输出提供对应的脉冲。HO和LO输出与HIN和LIN输入相位相同。当SD输入高电平时两路都关闭。当VDD低

34、于欠电压阀值，欠电压UV检测电路并关闭两电路输出。还有，当 VSS 低于规定的欠电压时，欠电压检测电路也可以让高端输出中断。逻辑输入采用带有 0.1VDD滞后的触发电路，用以提高抗干扰能力。高抗噪声平移位电路可以将逻辑信 号送到输出驱动级。低端延时电路可使控制脉冲定时要求， 两路输出的传播延时匹配简化。当Vs电压 为500V或小于500V时，高端功率MOSFET管关断。输出驱动的MOSFET管接成源极跟 随器，而另一只输出驱动MOSFET管则接成共源极电路，高端的脉冲发生器驱动 HV电平转化器还触发RS闩锁置位或复位。每个高电压DMOS电平转换器只能在很狭窄的脉冲持续期导通，所以功率不高。IR

35、2110 各个脚管图 3.7 IR2110以下是IR2110引脚的介绍：VDD （引脚9）:逻辑电源电压HIN （引脚10）:逻辑高端输入SD （引脚11） : 关断LIN （引脚12）:逻辑低端输入VSS （引脚13）:逻辑电路地电位端，其值可以为0VNC （引脚4）:空端NC （引脚8）:空端HO （引脚7） : 高端输出VB （引脚6） : 高端浮置电源电压VS （引脚5）:高端浮置电源偏移电压NC （引脚14） : 空端VCC （引脚3）:低端固定电源电压COM （引脚2）:公共端LO （引脚 1） : 低端输出325 驱动电路图»*UK仮IW1D 曙M7C1SSL_1图3.

36、8全控型驱动电路二二二三：二a-h.VK'ttiF图3.9全控Y型驱动电路xa I=H图3.10半控驱动电路本设计在驱动电路中增加了隔离二极管和自举电容，避免上臂短路以上图为例，当下管导通上管截止时，IR2110LO输出为高，H0为低，隔离二极 管D6导通，自举电容C8充电；当下管截止上管导通时，隔离二极管 D6截止，自居电 容C8储存的电荷供电，IR211HO为高，三极管导通，驱动MOSFET管栅极，使上管保 持导通。3.3 开关电路S4£3SAFOSEATSCBTFwd/RjcvCT6O/120SelectABOEEBVccCBVcCSMIROcsiiEAN IBrake

37、EANIEAO/PWM InputGud sciLlatarJP4122316Tn24Tn1?72277iF14T图3.11开关电路开关S2闭合时电机转动，S4闭合时电气状态可决定控制电路是工作在 60° （高电 平状态）还是120° （低电平状态）的传感器电气相位输入，S4闭合可改变电流流向实现 电机正反转。3.4稳压电路IIP10匕17SAFOSBATscBT曲心滴CT巧时口0岛山ctAl0E血CBTfcCSNInocsnEAMIcwEAO/rwntktill也wMC33AS511_13ilrjo1S> '9京 To 10图3.12稳压电路此电路主要是由稳

38、压二极管组成，该电路为MC33035的17引脚和18引脚提供稳定的电压10V-30V。17引脚正电源使控制器正常工作，18引脚Vc底部驱动输出的高端电压。3.5 调速电路£1022_IT1凄IL11SAFOSBATSCBTftwiZRwCT窃啦1ABOEBETftcCP砥asmROcanEAMTBrkeEABIGndEA.0-T1 Wlit fcjnx Oscilldxir14"T2+7120£23lb图3.13调速电路电路通过改变PWM的输入,即改变脉冲宽度输入，通过专用芯片来均匀的改变电机每相的电压大小进行调速。3.6 RC振荡电路FDSBAT沈BTCT2OK

39、BBUK贷CSNTBOcsnKAMIEraHtEAMTGridOccilUiMrKMTwriois1&Cl r图3.14 RC振荡电路振荡原理：建立振荡就是要是电路产生自激，从而产生持续的振荡，由直流电变 为交流电。对于RC来说，直流电源就是能源。3.7 过流保护在控制系统工作过程中，经常会发生很多异常情况，为了防止这些情况电路设计中必须加入保护电路。通常有欠压保护电路和过流保护电路。因为MC33035已经有欠压保护了，所以主要讨论过电流保护。当出现负载短路、过载或者控制电路失效等意外情况时，会引起电流过大，使管子功耗增大，发热,若没有过流保护装置，大功率开关三极管就有可能损坏。故而在

40、开 关稳压器中过电流保护是常用的。在线性稳压器中常用的限流保护和电流截止保护在开关稳压器中均能应用。但是,根据开关稳压器的特点，这种保护电路的输出不能直 接控制开关三极管，而必须使过电流保护的输出转换为脉冲指令，去控制调制器以保 护开关三极管。为了实现过电流保护一般均需要用取样电阻串联在电路中。由于在电机启动时，转速比较低，反电动势很小，启动电流大，对电机损害较大，因 此通常要在电机控制电路中加入如图 3.15所示的过电流保护。此电路的优点是不用 通过处理器判断是否过流，可以实时的作出反应，在电机启动过程中，可有效的保护 系统不受损害。1LLL 一 LPLE川饷CTorBM<1 KCiN

41、JOCSIIM3li<?E1MLai£WlWMw:rii图3.15过电流保护电路3.8 本章总结本章主要设计了驱动桥和驱动电路以及 MC33035周边的开关电路，稳压电路，调 速电路，RC振荡电路。实现了三相无刷直流电机的换相、正反转和 PWM转速控制。 本章是介绍了过电流保护原理和作用以及电路图。4 传感器选择霍尔传感器是一种磁传感器。按霍尔器件的功能可以分为 : 线性霍尔器件和开关 霍尔器件。线性霍尔器件输出模拟量，开关霍尔器件输出数字量，都可用于电机磁场 的测量。霍尔器件有很多特点，比如它们的体积小巧，重量很轻，寿命很长，安装简 单，功耗较小，频率较高 , 耐震动，不怕污

42、染或腐蚀。霍尔开关器件没有触点、不会 磨损、输出稳定、不抖动、不会回跳、位置精度高。并且，它可以在-55°® 150°C围正常工作。（1）无刷直流电动机中常用转子位置传感器 转子位置传感器是无刷直流电机中的重要组成部分。它对电机转子进行位置检 测，输出信号经过逻辑变换后去控制功率开关管的导通或关闭，这样可以让电机定子 绕组按顺序导通，确保电机连续转动。转子位置传感器也由定子、转子组成，其转子 和电机本体同轴安装，可跟踪检测电机转子的位置；其定子安装于电机本体的定子上 或端盖上，可以检测和输出转子的位置信号。转子位置传感器的技术指标主要为：输 出信号的精度，幅值，工

43、作温度，抗干扰能力，响应速度，损耗，安装方便性，体积 重量以及可靠性等。其种类包括电磁式、光电式、磁敏式、正余弦旋转变压器式、接 近开关式以及编码器等。常用的传感器主要有以下几种：（a）霍尔元件式位置传感器霍尔元件式位置传感器是磁敏式半导体位置传感器。它是用霍尔效应制成的。当 霍尔元件按要求安装于外磁场中并通以工作电流，可以输出霍尔电势信号，当其不受 外磁场作用时，霍尔电势信号就不会输出。通常有两种方式用霍尔元件作转子位置传 感器。一种方式是将霍尔元件安装于电机端盖表面， 电机轴同轴的永磁体靠近霍尔元件 并与之有一小间隙。对于三相导通星形三相六状态无刷直流电机，三个霍尔元件在空 间上相隔 12

44、0°电角度， 永磁体的圆弧宽度为 180°电角度。 这样，当电机转子转动时， 三个霍尔元件会轮流输出三个宽度为 180°电角度、 相位之间差 120°电角度的矩形波 信号。另一种方式是直接将霍尔元件安装在定子电枢铁心表面或绕组端部靠近铁心处， 利用安装在电机转子上的永磁体主极作为位置传感器的永磁体， 按照霍尔元件的输出 信号来判断转子的磁极位置。如图4.1所示，霍尔元件式位置传感器的结构简单、体积小、价格低，但工作温 度有一定的要求，还有霍尔元件要靠近传感器的永磁体，不然输出信号电平低，不能 正常工作。所以，在对性能和环境要求不高的永磁无刷直流电机运用场

45、合量使用霍尔 元件式位置传感器。图4.1霍尔元件式位置传感器结构(b) 电磁式位置传感器电磁式位置传感器的定子是由磁芯、高频激磁和输出绕组组成。转子由扇形磁芯 与非导磁衬套组成。电机转动时，输入绕组中输入高频激磁电流，当转子扇形磁芯位 于输出绕组下面时，输入与输出绕组通过定子、转子磁芯耦合，输出绕组中感应到高 频信号，经过滤波整形和逻辑处理，可以控制逆变器工作。这种传感器的强度很高， 可经得起较大的振动冲击，一般多用于航空航天领域。电磁式位置传感器的输出信号 很大，一般不要经过放大就可以直接驱动功率开关管，但是输出电压是交流的，必须 经过整流。因为这种传感器很复杂笨重，所以大大限制了它在普通条

46、件下的运用。(c) 光电式位置传感器光电式位置传感器是由固定在定子上的数个光电耦合开关与在转子轴上的遮光 盘所构成。数个光电耦合开关沿圆周均匀分布，每只光电耦合开关是由相对的红外发 光二极管和光敏三极管构成。遮光盘位于发光二极管与光敏三极管之间，盘上有一定 角度的窗口。红外发光二极管导通之后发出红外光，当遮光盘随电机转子一同转动时, 红外光交替的照在光敏三极管上，使三极管不停的导通和截至，其输出信号可以判断 出转子的位置。光电式位置传感器质量轻，安装可靠，抗干扰力好，调整简单，所以 获得了广泛的运用。目前，无位置传感器的永磁无刷直流电机发展迅速。它不需要转子位置传感器, 所以电机结构简单、体积

47、小、可靠性较高。当电机体积小、位置传感器安装不便或电 机工作在恶劣环境中导致位置传感器工作的可靠性不能保证时， 无位置传感器的永磁 无刷直流电机就显示出特别的优越性。 无位置传感器无刷直流电机的弱点主要是起动 转矩比较小，一般适用于空载条件下起动。（2）霍尔器件在无刷直流电机中的运用 当霍尔传感器用来作为无刷直流电机转子位置检测装置时， 将它安装在电机定子 的适当位置，霍尔传感器的输出与控制部分相连接。当无刷直流电机的转子经过霍尔 器件时，转子上永磁体的磁场使霍尔传感器输出电压信号，该电压信号被送到控制部 分，经控制部分发出相应信号来使定子绕组导通，从而产生与转子的磁场极性相同的 磁场，排斥转

48、子继续转动。当转子转到下一位置时，前一个位置的霍尔传感器停止工 作，转子所在位置的霍尔传感器输出电压信号，控制部分发出对应信号使得对应定子 绕组导通，产生相同磁场排斥转子继续转动实现电机不停的运转。4.1 本章总结 本章介绍了霍尔元件，光电式位置传感器，电磁式位置传感器，最后介绍了霍尔 元件在电机中的应用。结束语本课题实现了三相无刷直流电机的换相、正反转和PW转速控制。我通过对专用芯片的研究以及查找相关资料设计了：（1）开关电路，实现电机的转动，正反转，以及控制电路工作的高电平或低电 平状态。（2）稳压电路，为17引脚和18引脚提供稳定的10V-30V电压。（3）调速电路，实现PW碉速。（4）振荡电路，将电源的直流电能，转变成一定频率的交流信号的电路。作用 是产生交流电振荡，作为信号源。（5）IR2110的全桥和半桥驱动电路，避免上臂短路，增加隔离二极管和自举电 容。通过解了 MC3303唄有片电流限制电路、片电压参考、欠压锁定电路、驱动输出 电路以及热关断等电路设计了过电流保护，选用合适的霍尔元件。通过学习无刷直流电机的基本原理、磁路结构、定子绕组特点和设计计算