（材料学专业论文）大功率直流电机控制器的研制.pdf

大功率直流电机控制器的研制 摘要 本文介绍了基于p w m 芯片t l 4 9 4 的大功率直流电机控制器的研究和开 发。该控制器是通过调节p w m 信号的占空比来实现电机的调速，并设计了一 系列的保护电路保证控制器的正常工作，并且尽可能的排除电机运行中的安全 隐患。 该文首先介绍了大功率电机控制器的发展历史与现状，以及直流电机与交 流电机控制器的优缺点，接着说明了选择直流电机的原因，并简单介绍了改善 大功率电机控制器性能的几个关键技术。其次详述了大功率直流电机控制器电 路的设计，包括控制器中控制模块、功率模块的工作原理和电路设计原理。最 后，给出了样机的试验结果。试验数据表明：该控制器的控制模块设计是合理 的，性能是稳定可靠的；功率模块的散热能力是关键技术，而电路板上铜箔的 厚度是影响其散热能力的最主要因素。另外，文章对于在硬件调试过程中出现 的几个关键性问题也给予了详细的分析和解答。最后，对大功率直流电机控制 器的发展进行了展望，并提出了电机控制器向单片机嵌入式系统平台移植发展 的设想。 关键字：大功率直流电机p w m直流电机控制器 4 r e s e a r c ho fh i g hp o w e rd c m o t o rc o n t r o l l e r a b s t r a c t t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h er e s e a r c ha n dt h ed e v e l o p m e n to fb j 幽p o w e rd c m o t o r c o n t r o l l e rb a s e d0 1 1p w m 、析也c h i pt l 4 9 4 t h i sc o n t r o l l e ri st h r o u g ha d j u s t s 也ep w m s i g n a lt h ed u t y f a e t o rt or e a l i z et h em o t o rv e l o c i t ym o d u l a t i o n ，a n dd e s i g n e das e r i e so f p r o t e c t i o nc i r c u i tt og u a r a n t e et h ec o n t r o l l e r , t h e na sf a ra sp o s s i b l et oe l i m i n a t es e c u r i t y h i d d e nd a n g e ri nm o t o rm o v e m e n t t h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e dt h eh i g hp o w e rm o t o rc o n t r o l l e rd e v e l o p m e n th i s t o r ya n d t h ep r e s e n ts i t u a t i o n ，t h e nc o m p a r e dw i t h 也ed c m o t o ra n dt h ea c - m o t o rc o n t r o l l e r ，s h o w p e o p l ew h yw ec h o o s ed c m o t o rt od ot h i sr e s e a r c h ，a n ds i m p l yi n t r o d u c e di m p r o v e m e n t h i g hp o w e rm o t o rc o n t r o l l e rp e r f o r m a n c es e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e s n e x tw eh a v ed e s c r i b e d t h eh i g hp o w e rd c - m o t o rc o n t r o l l e re l e c t r i cc i r c u i td e s i g ni nd e t a i l i n c l u d i n gc o n t r o l l e r s c o n t r o lm o d u l e ，p o w e rm o d u l ep r i n c i p l eo fw o r ka n dc i r c u i td e s i g np r i n c i p l e f i n a l l y , w e h a v eg i v e n 也ep r o t o t y p i c a lt e s tr e s u l t t h et e n t a t i v ed a t ai n d i c a t e dt h a t t h i sc o n t r o l l e r c o n t r o lm o d u l ed e s i g ni sr e a s o n a b l e ，a n dt h ep e r f o r m a n c ei ss t a b l er e l i a b l e ，p o w e rm o d u l e r a d i a t i o na b i l i t yi st h ek e yt e c h n o l o g i e s f o re l e c t r i cc i r c u i tp a n e lc o p p e rf o i lt h i c k n e s si st h e m o s ti m p o r t a n tf a c t o ri ni t sr a d i a t i o na b i l i t y m o r e o v e r , t h ea r t i c l er e g a r d i n gs e v e r a lc r u c i a l q u e s t i o nw h i c ha p p e a r e di nt h eh a r d w a r ed e b u g g i n gp r o c e s s ，h a sa l s ob e e ng i v e nt h e a n a l y s i sa n dt h ee x p l a n a t i o ni nd e t a i l f i n a l l y , w eh a v ec a r r i e do nt h ef o r e c a s tt ot h eh i 曲 p o w e rd e - m o t o rc o n t r o l l e rd e v e l o p m e n t , a n dp r o p o s e dt h em o t o rc o n t r o l l e r t ot h e m c u e m b e d d e ds y s t e mp l a t f 0 1 1 1 1t r a n s p l a n td e v e l o p m e n tt e n t a t i v ep l a n k e y w o r d ：h i g hp o w e rd c - m o t o r p w md c m o t o rc o n t r o l l e r 5 表格清单 表2 - i 热敏电阻的特性1 8 表4 1i r f 3 7 1 0 i r f b 4 7 1 0 i r f b 4 3 l o 的典型性能3 6 表5 1 实验结果数据4 2 插图清单 图2 一l 波形变换1 0 图2 2n 沟道m o s 开关管的静态特性1 4 图2 - 3p 沟道m o s 开关管的静态特性1 5 图2 - 4n 沟道增强型d o s 开关管的功能1 5 图2 - 5p 沟道增强型m o s 开关管的功能1 6 图2 - 6n m o s 管动态特性示意图1 7 图3 - 1 + 1 2 v 电源电路2 2 图3 - 2欠压保护电路框图2 2 图3 - 3t l 4 9 4 脉冲控制波形图2 3 图3 - 4t l 4 9 4 内部电路方框图2 4 图3 - 5p w m 控制电路框图2 5 图3 - 6温度保护电路框图2 6 图3 - 7 电流监测电路2 6 图3 - 8 电流限制电路2 7 图3 - 9a 1 a 2 防反接保护电路2 7 图3 - 1 0 踏板失灵保护2 8 图3 - 1 1p w m 驱动电机电路框图2 9 图4 - 1 功率管对持续工作时间的影响( 铜箔厚度1 7 5 m m ) 3 7 图4 - 2 铜箔厚度对持续工作时间的影响( 功率管i r f 3 7 1 0 ) 3 8 图4 3 铜箔厚度对持续工作时间的影响( 功率管i r f b 4 3 1 0 ) 3 9 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得盒胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字： 彳三签字日期：码年午月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒胆王些太 堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 王彳邕 签字日期：细7 年4 月7 日签字日期：细1 年年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 3 导师签名： 签1 呷7 日 邮编： 致谢 经过两年半的学习和实践，终于完成了本课题的研究。 首先，我要感谢我的导师周汉义副教授! 本人在从事课题研究及论文撰写过程中， 得到了他的悉心指导和帮助。在学业上，周老师以广博的学识和丰富的经验以及学术 上钻研的态度，启发我的思路，帮助我建立信心和勇气，激励我在材料学和电子领域 里不断探索；在生活方面，周老师也给予我无微不至的关怀和宽容，而且教会了我许 多做人的道理，使自己在面对错误和失败时，能无所畏惧，并积极总结改正，周老师 帮助我树立科学的科研态度和人生态度，这些将使我受益终生! 我要感谢我所有家人和家庭，是你们对我的宽容和无私的爱和支持让我能在困难 和压力面前，坚持自己的理想和信念，顺利地完成学业。 我还要感谢同实验室王海华同学，师弟刘洪杰，许劲松和荣彝以及已经毕业的师 兄徐健师姐姜婷，谢谢他们对我研究生阶段生活和学习上的支持，使我度过这充实难 忘的研究生生活! 感谢隔壁8 0 7 的兄弟姐妹，宿舍的韩啸同学，是你们在我成长和学习的路途中给 我以欢喜，安慰和美好的回忆。 感谢所有给予我支持、启迪和帮助的同学，老师和朋友们1 6 作者：王程 2 0 0 9 年4 月 第一章绪论 1 1 引言 随着科技的快速发展，对于环境的保护已经迫在眉睫。传统汽车大量的尾 气排放对环境造成了严重的损害，尽管各国政府都已经加大了对环境保护的措 施，但只能尽量的减少污染气体的排放，却不能根本解决环境的日益恶化问题。 另外，资源短缺的问题也在威胁着人类的发展，石油等不可再生资源不多的存 储几乎已经消耗殆尽，再加上人为的破坏与浪费，使得资源问题成为了很多国 家要解决的首要问题。 电动汽车在石油出现前曾有过记载。其使用简单方便，且对环境的污染几 乎为零，在石油出现之后，电动汽车行业逐渐衰退。然后，在当今的社会，传 统汽车的污染对整个人类的影响已经无法忽视，况且石油作为不可再生资源终 究不能长久，加之当前大规模集成电路，f p g a 等的迅猛发展，电动汽车行业 迎来了绝佳的机遇。 电动汽车行业中，一直急需解决的问题便是其电机控制器。如何采用简单 的电路对电机进行有效的控制成为了电动汽车行业中的难点。本文就是基于这 样的现状，对电机控制器进行研制和开发，尝试解决电动汽车行业中电机控制 器的难点。 1 2电机控制器 1 2 1 电机概述 电机及其控制在国民经济中起着重要作用。无论是在工农业生产、交通运 输、国防宇航、医疗卫生、商务与办公设备，还是日常生活中的家用电器，都 大量地使用着各式各样的电机。电机既可作为电能生产的手段，也是电能应用 的主要形式。据资料统计，我国生产的电能约6 0 用于电动机。 一般而言，电机技术包括电机制造技术和电机控制技术。电机制造技术主 要是电机本体优化设计、加工制造、工艺技术等，设计较多的传统电工及机械、 材料学科的内容。电机控制技术则主要服务于电机的运行、特性控制，最主要 是电动机的速度控制和发电机的励磁调节。随着电力电子技术、微电子技术、 微机控制技术在电机控制中的应用，电机控制是以电子控制为主要形式，已逐 渐成为了一门以电机为机械本体，集信息技术、微电子技术与工作机械于一体 的机电一体化技术，更是高新技术改造传统机电技术的重要手段。 1 2 2 电机的调速系统 1 2 2 1电动机速度控制的应用 现代工业生产中有两种情况需要实现电机的速度控制： 1 ) 满足运行及生产工艺要求 如对于电动车辆则要求低速恒转矩、高速恒功率；对于电梯、机床、纺织、 造纸等传动，特别是轧钢设备则要求正转、反转、电动、制动四象限运行。这 是高性能调速技术的应用场合。 2 ) 实现调速节能 主要针对拖动风机、水泵的电机，过去电机恒速运行，依靠挡板或阀门调 节风量或流量，致使大量能量耗费在挡板、阀门上。采用调节速度方式调节流 量时，电机输入功率大大减少，产生高达2 0 3 0 的节能效果。这是一般性能 调速技术的重要应用场合。 1 2 2 2 电动机速度控制的分类及特点 1 ) 直流电机控制器的调速系统 直流调速即对直流电动机的速度控制。由于直流电动机中产生转矩的两个 要素一一电枢电流和励磁磁通相互间没有耦合，并可通过相应电流分别控制， 因此直流电动机调速时易获得良好的控制性能及快速的动态响应，在变速传动 领域中过去一直占据主导地位。然而由于直流电机需要设置机械换向器和电刷， 使得直流调速存在固有的结构性缺陷： 机械换向器结构复杂、成本增加，同时机械强度低，电枢容易磨损，需要 经常维护，影响运行可靠性。 由于运行中电刷易产生火花，限制了使用场合，不能用于化工、矿山、炼 油厂等有粉尘、腐蚀、易燃、易爆物质或气体的恶劣环境。 由于存在换向问题，难于制造大容量、高转速及高电压直流电机，其极限 容量与转速乘积被限制在1 0 6 k w * r m i n ，远远不能适应现代工业生产向高速大 容量化发展的需要。 由于直流电动机能在宽广的范围内平滑而经济地调节速度，所以他在轧机、 精密机床和以蓄电池为电源的小型起重运输机械等设备中应用较多；在机器人 等领域，小容量直流电动机的应用亦很广泛。 直流调速系统主要采用的方法是变压调速，调节电枢供电电压时需要有专 门的可控直流电源。目前常用的可控直流电源有静止式可控整流器和直流斩波 器或脉宽调制( p w m ) 变换器。 其中脉宽调制变换器用的最为广泛，因为p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制技术是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调 制，来等效的获得所需要的波形( 含形状和幅值) ，其对电压的控制较为精准， 2 且p w m 技术已经非常成熟并有广泛的应用 2 ) 交流电机控制器的调速系统 交流调速即对交流电动机的速度控制。交流电机，尤其是笼型异步电动机， 由于结构简单、制造方便、造价低廉、坚固耐用、无需维护、运行可靠， 更可用于恶劣的环境之中，特别是能做成高速大容量，因此在工农业生产中得 到了极为广泛的应用。但是交流电动机调速、控制比较困难，这是由于同步电 动机的气隙磁场由电枢电流和励磁电流共同产生，其磁通值不仅决定于这两个 电流的大小，还与工作状态有关；异步电动机则电枢与励磁同在一个绕组，两 者间存在强烈的耦合，不能简单地通过控制电枢电压或电流来准确控制气隙磁 通进而控制电磁转矩，因而不能有效地实现电机的运动控制。 交流电机的调速，主要是通过变频器实现的。 如何提高变频器的开关频率已经受到重视，特别是大功率逆变器中功率开 关频率主要受到开关损耗的限制，如何降低开关损耗是变频器高频化的关键。 近年来已研究出了应用谐振原理使功率器件在零电压或零电流下进行开关的软 开关技术，其开关损耗接近为零，大大提高了变流器的运行效率。 交流电机是一个多变量、强耦合、时变的非线性系统，瞬时转矩控制困难， 造成长时间以来其动态性能不如直流电机优良。2 0 世纪7 0 年代提出的矢量变 换控制开创了交流电机高性能控制的新时代，但矢量变换控制也有不尽人意之 处。1 9 8 5 年德国学者d e p e n b r o e k 又提出了转矩直流控制，它将电机与逆变器 作为一个整体来考虑，采用电压空间矢量方法在定子坐标系内进行磁通、转矩 的计算，通过磁链跟踪型p w m 逆变器的开关切换直接控制磁链和转矩，无须 进行定子电流解耦所需的复杂坐标变换，系统控制更为简单、直接，动、静态 性能优越，目前正受到广泛的关注。 各类电机闭环控制中常需检测转子速度或磁极位置，因而带来了传感器安 装、维护、环境适应性及运行可靠性等诸多问题。为了降低造价并提高可靠性， 国外从2 0 世纪7 0 年代开始进行了无速度传感器控制技术的研究。最初是利用 监测定子电压、电流等易测量和电机模型进行速度估算，后来采用了模型参考 自适应方法( m r a s ) 进行速度辨识，近年已将卡尔曼滤波器理论用于电机的 参数辨识。目前无速度传感器技术已应用于商品化变频器之中【2 9 1 。 另外，在大功率电机控制器中，开关元器件的开关频率大小对整体控制器 的效率起着重要的作用。在控制器的设计开发过程中，此处的开关频率和元器 件的选择需要特别注意，防止出现打火现象，从而对控制器以及电机造成严重 的损害。 1 3电机控制技术的发展动向 电机的电子控制是一门集电极运行理论、电力电子技术、自动控制理论和 危机控制技术于一体的机电一体化技术，随着这些相关技术的飞速进步，电机 二l 控制技术正在日新月异地不断发展。目前的发展动向主要表现在： 1 ) 全数字化控制 随着微机运算速度的提高、存储器的大容量化，全数字控制已是电机控制 方式的主流方向。目前除采用各类单片微机作为数字控制器核心外，数字信号 处理器( d s p ) 已展现出越来越大的优势。与普通单片机相比，d s p 改变了集 成电路结构、提高了时钟频率，采用指令列排队方式来提高运行效率，更集成 了硬件乘法器，大大缩短了乘、除运算时间，特别适合于复杂数学运算。近来 又增加了i o 口，提高了作为微控制器的功能。形成了电机控制专用系列，已 在商品变频器中得到了应用。 2 0 世纪8 0 年代后期，又出现了一种精简指令集算计r i s c ，它依靠硬件与 软件的优化组合，提高了常用基本指令的执行速度，丢弃了一些运算复杂而不 常用的指令，实现了在一个给定周期内并行执行多条指令的能力，以此提高了 软件总体效率和执行速度，以一种新的方式解决了数字控制实时性问题。 为了解决控制器的小型化，出现了高级专用集成电路a s i c ，如变压变频用 的s p w m 序列波发生器h e f 4 7 5 2 、s l e 4 5 2 0 等，甚至还有包括一个完整控制系 统的a s i c 面市。现在开发各种新一代a s i c 已成为先进电器公司当前技术竞争 的手段。如果用户欲自己开发电机专用控制芯片，现场可编辑门阵列f p g a 是 一种有效解决方案。这是一种可以方便实现多次改写的逻辑器件，一片f p g a 包含有少则几千、多则几十万个逻辑门，可以用来实现非常复杂的运算，替代 多块集成电路和分立元件，且具有很强的保密能力。现在，采用d s p + f p g a + i p m 构成电机控制系统已是一种较先进的硬件格局。 2 ) 智能控制理论的应用 基于现代控制理论的滑模变结构控制、采用微分几何理论的非线性解耦控 制、模型参考自适应控制等均已引入电机控制。但这些方法仍建立在对象精确 的数学模型之上，需要大量传感器、观察器，结构复杂，仍无法摆脱系统非线 性和参数变化的影响。智能控制无需对象的精确数学模型并具有较强的鲁棒性， 近年已被陆续引入电机控制之中，如模糊控制、人工神经元网络控制、专家系 统等，使电机控制正朝智能化控制方向发展。 随着一代代自关断器件的陆续产生，调速系统变流装置正朝高电压、大容 量、高频化、小型化方向发展，适合中电压( 1 0 k v ) 、大容量( 1 0 m w ) 的变 频器已获得应用。随着功率器件开关频率的提高，p w m 调制技术进一步优化， 可以获得十分理想的正弦电压输出。变频器电网侧交直变换虽采用不控整流可 使基波功率因数( 位移因数) 接近于1 ，但因输入电流谐波大而使得总功率因 数低下。消除对电网的谐波污染、提高系统输入功率因数、优化变频器输入特 性已成为当前变频技术关注热点。因此，p w m 整流技术、新型单位功率因数 变流器( 如矩阵式交交变换器) 的研究、开发已引起广泛关注【2 9 1 。 4 虽然目前来说，直流电机的控制技术已较为成熟，而交流电机的控制技术 仍在摸索，但直流电机与交流电机相比，结构较复杂，成本较高，维护不便， 尤其是其换向的问题，使得它的发展和应用受到限制，因此在未来的时间里， 电机控制系统向交流电机方向转变是不可避免的。 5 第二章控制器的总体电路设计 2 1电路模式的选择 现今社会，单片机嵌入式的发展也是迅猛至及，并且已经融入了人们生活 的方方面面。 单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个 计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的 体积小、质量轻、价格便宜，为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学 习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。 可以说，二十世纪跨越了三个“电的时代，即电气时代、电子时代和现 已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称p c 机。它 由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这 种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机( 亦称微控制器) 。顾名思义，这种 计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。它在整个 装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在， 这种单片机的使用领域己十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航 系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的 功效，常在产品名称前冠以形容词一一“智能型 ，如智能型洗衣机等。现在有 些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂， 就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其 它可编程逻辑器件上。 单片机的应用领域： 1 ) 单片机在智能仪器仪表中的应用； 2 ) 单片机在工业测控中的应用； 3 ) 单片机在计算机网络和通讯技术中的应用； 4 ) 单片机在日常生活及家电中的应用； 5 ) 单片机在办公自动化方面。 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片 机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数 据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能i c 卡， 民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及 程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机，更不用说自动控制领域的机 器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批 计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 无疑是当今最热门的概念之一，对其的定 6 义大多是这样的：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软 硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求 的专用计算机系统。嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入 式操作系统以及用户应用程序4 个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监 视或管理等功能。 嵌入式系统同p c 系统相比有以下特点： 1 ) 嵌入式系统功耗低、体积小、专用性强。嵌入式系统与p c 的最大不同 就是嵌入式c p u 大多工作在为特定拥护群设计的系统中，能够把p c 中许多由 板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化。 2 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存 储器芯片或单片机本身中，而不是存储于磁盘等载体中。 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，系统要精简。操作系统 一般和应用软件集成在一起。 4 ) 对软件代码质量要求很高，应该尽最大可能避免“死机的发生。 5 ) 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和开发环境【2 6 】【2 7 1 。 然而在电动机方面，控制器本身对外界的因素影响较为看重。其内部的电 路必须经得起推敲，并且可以在条件恶劣的情况下正常运行，其中包括陡坡的 行走( 大幅度的振动) ，炎热的夏天( 高温烘烤) ，冰雪天气( 低温) ，雨水季节 ( 防潮) 等多种环境。从目前数字电路的发展来看，在这方面，模拟电路的稳 定性还是优于单片机嵌入式等设备。在模拟电路的内部出现小的波动时，会自 动调节来保证其稳定性，且各部分电路独立性较强，很难因为某一部分的问题 而损坏整体电路。相比之下，单片机等设备均是以某个核心的器件及其外围电 路组成，一旦出现小的波动，就可能导致程序跑飞，使得全盘电路瘫痪，所造 成的损失难以挽回。另外，与模拟控制相比数字控制实时性较差，模拟量数字 化时引入的量化误差影响控制精度和平稳性，因此，在该项研究中，我们采取 了完全的模拟电路进行开发。 2 2 欲实现功能及实现方法 通过对电机控制器的规格要求，我们希望研制出来的控制器可以满足以下 要求： 用于高尔夫车、叉车、游览车、船用机械 12 、2 4 、2 6 、4 8 伏，电流达到4 0 0 安培 最新的电路设计和m o s d e f 技术 串励或永磁电机 强电流和强化接头的能力 耐久力、环境适应力、温度保护能力强 符合u 1 5 8 3 2 0 0 6 标准 7 加速度可调 最大电流可调 接头断开可检测 加速器电压开路 高频工作 电池反接保护 低电压保护 可用最大绕组电流：4 0 0 a ( 1 2 2 4 3 6 4 8 v )5 0 通态 可用最大接头电流：s 型4 5 0 a3 秒 工作温度：一4 0 - 5 0 摄氏度 保管温度：一4 0 - 8 5 摄氏度 温度保护：线性9 0 摄氏度 加速器输入：0 5 k 功率器件：m o s f e t s 电机反转：接触器或手动 工作频率( 绕组) ：15 k h z 调节方式：p w m 调整方法：电阻器 电池反接保护：有 脉冲监视接口：可选 板上脉冲监视接口驱动：可选 板上线圈反压抑制：有 板上1a 驱动：可选 蓓蕾接座：可选 电池低压工作：有 根据以上规格要求，我们预计使用可调电阻控制电机的运转速度和有效工 作时间。利用运算放大器和比较器，对控制器内部进行多种保护措施，如温度 保护，电流检测，踏板失灵保护等。另外，对于电源模块，设置欠压保护模块， 对蓄电池进行保护。 实现方法，利用占空比可调的p w m 信号，通过调节可变电阻( 踏板) 调 节p w m 信号的占空比，并使用开关m o s 管控制电路的通断，从而实现对电机 有效工作时间的控制。利用比较器和放大器设置保护电路，主要是通过对电阻 值和分压值的调节实现保护。 2 2 1p w m 原理及应用简介 p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) 一一脉宽调制，脉冲宽度调制 8 脉冲宽度调制( p w m ) 是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制 的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领 域中。脉宽调制是开关型稳压电源中的术语。这是按稳压的控制方式分类的， 除了p w m 型，还有p f m 型和p w m 、p f m 混合型。脉宽调制式开关型稳压电 路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达 到稳定输出电压的目的。 p w m 一种模拟控制方式，根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极 的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方 式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。 p w m 是种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器 的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。p w m 信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有 ( o n ) ，要么完全无( o f f ) 。电压或电流源是以一种通( o n ) 或断( o f f ) 的重复脉 冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候， 断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用p w m 进行编码。 多数负载( 无论是电感性负载还是电容性负载) 需要的调制频率高于1 0 h z ， 通常调制频率为1 k h z 到2 0 0 k h z 之间。 许多微控制器内部都包含有p w m 控制器。例如，m i c r o c h i p 公司的 p i c l6 c 6 7 内含两个p w m 控制器，每一个都可以选择接通时间和周期。占空 比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。执行p w m 操作之前，这 种微处理器要求在软件中完成以下工作： 设置提供调制方波的片上定时器计数器的周期 在p w m 控制寄存器中设置接通时间 设置p w m 输出的方向，这个输出是一个通用i o 管脚 启动定时器 使能p w m 控制器 p w m 的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行 数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足 以将逻辑1 改变为逻辑0 或将逻辑0 改变为逻辑1 时，也才能对数字信号产生 影响。 对噪声抵抗能力的增强是p w m 相对于模拟控制的另外一个优点，而且这 也是在某些时候将p w m 用于通信的主要原因。从模拟信号转向p w m 可以极 大地延长通信距离。在接收端，通过适当的r c 或l c 网络可以滤除调制高频 方波并将信号还原为模拟形式。 p w m 具有经济、节约空间、抗噪性能强等特点，是一种值得在许多设计 9 应用中使用的有效技术 2 2 2 比较器与放大器原理及应用简介 比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。比较器的两 路输入为模拟信号，输出则为二进制信号，当输入电压的差值增大或减小时， 其输出保持恒定。因此，也可以将其当作一个1 位模，数转换器( a d c ) 。运算 放大器在不加负反馈时从原理上讲可以用作比较器，但由于运算放大器的开环 增益非常高，它只能处理输入差分电压非常小的信号。而且，一般情况下，运 算放大器的延迟时间较长，无法满足实际需求。比较器经过调节可以提供极小 的时间延迟，但其频响特性会受到一定限制。为避免输出振荡，许多比较器还 带有内部滞回电路。比较器的阈值是固定的，有的只有一个阈值，有的具有两 个阈值。 1 ) 比较器性能指标 滞回电压：比较器两个输入端之间的电压在过零时输出状态将发生改变， 由于输入端常常叠加有很小的波动电压，这些波动所产生的差模电压会导致比 较器输出发生连续变化，为避免输出振荡，新型比较器通常具有几m v 的滞回 电压。滞回电压的存在使比较器的切换点变为两个：一个用于检测上升电压， 一个用电压门限( v t r i p ) 之差等于滞回电压( v h y s t ) ，滞回比较器的失调 电压是t r i p 和v t r i p 的平均值。不带滞回的比较器的输入电压切换点为输图 入失调电压，而不是理想比较器的零电压。失调电压一般随温度、电源电压的 变化而变化。通常用电源抑制比表示电源电压变化对换调电压的影响。 图2 1 波形变换 偏置电流：理想的比较器的输入阻抗为无穷大，因此，理论上对输入信号 不产生影响，而实际比较器的输入阻抗不可能做到无穷大，输入端有电流经过 信号源内阻并流入比较器内部，从而产生额外的压差。偏置电流( i b i a s ) 定义 为两个比较器输入电流的中值，用于衡量输入阻抗的影响。m a x 9 17 系列比较 器的最大偏置电流仅为2 n a 。 超电源摆幅：为进一步优化比较器的工作电压范围，m a x i m 公司利用n p n 管与p n p 管相并联的结构作为比较器的输入级，从而使比较器的输入电压得以 扩展，这样，其下限可低至最低电平，上限比电源电压还要高出2 5 0 m v ，因而 1 0 赫阱 达到超电源摆幅( b e y o n d t h e r a i l ) 标准。这种比较器的输入端允许有较大的 共模电压。 漏源电压：由于比较器仅有两个不同的输出状态( 零电平或电源电压) ， 且具有满电源摆幅特性的比较器的输出级为射极跟随器，这使得其输入和输出 信号仅有极小的压差。该压差取决于比较器内部晶体管饱和状态下的发射结电 压，对应于m o s f f e t 的漏源电压。 输出延迟时间：包括信号通过元器件产生的传输延时和信号的上升时间与 下降时间，对于高速比较器，如m a x 9 6 1 ，其延迟时间的典型值可对达到4 5 n s ， 上升时间为2 3 n s 。设计时需注意不同因素对延迟时间的影响，其中包括温度、 容性负载、输入过驱动等的影响。 2 ) 比较器的分类 过零电压比较器：典型的幅度比较电路，它的电路图和传输特性曲线如图。 电压比较器：将过零比较器的一个输入端从接地改接到一个固定电压值上， 就得到电压比较器。 窗口比较器：电路由两个幅度比较器和一些二极管与电阻构成。高电平信 号的电位水平高于某规定值v h 的情况，相当比较电路正饱和输出。低电平信 号的电位水平低于某规定值v l 的情况，相当比较电路负饱和输出。该比较器 有两个阈值，传输特性曲线呈窗口状，故称为窗口比较器。 滞回比较器从输出引一个电阻分压支路到同相输入端。当输入电压v i 从零 逐渐增大，且v l 上限阀值( 触发) 电平。当输入电压v i v t 时，v t 称为下限 阀值( 触发) 电平。 其中电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。电压比 较器的功能：比较两个电压的大小( 用输出电压的高或低电平，表示两个输入电 压的大小关系) ：当”+ ”输入端电压高于”一”输入端时，电压比较器输出为高电 平；当”+ ”输入端电压低于”一”输入端时，电压比较器输出为低电平。电压比 较器可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和变换电路等。 利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。简单的电压比较 器结构简单，灵敏度高，但是抗干扰能力差，因此人们就要对它进行改进。改 进后的电压比较器有：滞回比较器和窗口比较器。运放，是通过反馈回路和输 入回路的确定“运算参数”，比如放大倍数，反馈量可以是输出的电流或电压的 部分或全部。而比较器则不需要反馈，直接比较两个输入端的量，如果同相输 入大于反相，则输出高电平，否则输出低电平。电压比较器输入是线性量，而 输出是开关( 高低电平) 量。一般应用中，有时也可以用线性运算放大器，在 不加负反馈的情况下，构成电压比较器来使用。 比较器与运算放大器的主要区别在于运算放大器在不加负反馈时，从原理 上讲可以用作比较器，但由于运算放大器的开环增益非常高，它只能处理输入 差分电压非常小的信号。而且，在这种情况下，运算放大器的响应时间比比较 器慢许多，而且也缺少一些特殊功能，如：滞回、内部基准等。比较器通常不 能用作运算放大器，比较器经过调节可以提供极小的时间延迟，但其频响特性 受到一定限制，运算放大器正是利用了频响修正这一优势而成为灵活多用的器 件。另外，许多比较器还带有内部滞回电路，这避免了输出振荡，但同时也使 其不能当作运算放大器使用。 2 3 元器件的选择 2 3 1p w m 控制芯片的选择：t l 4 9 4 p w m 控制芯片在电机控制器中处于核心位置，因此其控制芯片的选择显得 尤为重要。美国德克萨斯州仪器公司生产的t l 4 9 4 是一种性能优良的脉宽谓制 控制电路可作为推挽式、垒桥式半桥式开关电源控制器工作频率为1 0 k h z - 3 0 0 k h z ，输出电压可达4 0 v 。t l 4 9 4 是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了 开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式 开关电源。t l 4 9 4 有s o 1 6 和p d i p - 1 6 两种封装形式，以适应不同场合的要求。 其主要特性如下： 集成了全部的脉宽调制电路。 片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个( 一个电阻和一个电容) 。 内置误差放大器。 内止5 v 参考基准电压源。 可调整死区时间。 内置功率晶体管可提供5 0 0 m a 的驱动能力。 推或拉两种输出方式。 2 3 2增强驱动能力的三极管选择：2 n 4 4 0 1 2 n 4 4 0 3 功率放大电路的特点及主要研究对象：放大电路实质上都是能量转换电路。 从能量控制的观点来看，功率放大电路和电压放大电路没有本质的区别。但是， 功率放大电路和电压放大电路所要完成的任务是不同的。对电压放大电路的主 要要求是使负载得到不失真的电压信号，讨论的主要指标是电压增益、输入和 输出阻抗等，输出的功率并不一定大。而功率放大电路则不同，它主要要求获 得一定的不失真( 或失真较小) 的输出功率，通常是在大信号状态下工作，因 此，功率放大电路包含着一系列在电压放大电路中没有出现过的特殊问题，这 些问题是： 1 ) 要求输出功率尽可能大一一为了获得大的功率输出，要求功放管的电压 1 2 和电流都有足够大的输出幅度，因此管子往往在接近极限运用状态下工作 2 ) 效率要高一一由于输出功率大，因此直流电源消耗的功率也大，这就存 在一个效率问题。所谓效率就是负载得到的有用信号功率和电源供给的直流功 率的比值。这个比值越大，意味着效率越高 3 ) 非线性失真要小一一功率放大电路是在大信号下工作，所以不可避免地 会产生非线性失真，而且同一功放管输出功率越大，非线性失真往往越严重， 这就使输出功率和非线性失真成为一对主要矛盾。但是，在不同场合下，对非 线性失真的要求不同，例如，在测量系统和电声设备中，这个问题显得重要， 而在工业控制系统等场合中，则以输出功率为主要目的，对非线性失真的要求 就降为次要问题了 4 ) b j t 的散热问题一一在功率放大电路中，有相当大的功率消耗在管子的 集电结上，使结温和管壳温度升高。为了充分利用允许的管耗而使管子输出足 够大的功率，放大器件的散热就成了一个重要的问题。 此外，在功率放大电路中，为了除数较大的信号功率，管子承受的电压要 高，通过的电流要大，功率管损耗的可能性就比较大，所以功率管的损坏和保 护问题也不容忽视。 2 3 3稳压模块：l t l 6 7 6 l t l 6 7 6 是一种高效率的d c d c 转换器。他的主要特点在于： l t l6 7 6 是一种输入范围很宽的高效率电压转换器件。其内部的集成电路中 包括了晶体振荡器，转换控制模块和保护模块等各种电路。并且该芯片可以承 受高至6 0 v 的输入电压以及高为7 0 0 m a 的输出转换电流。该芯片采取了先进的 电流控制模式，从而提供了出色的动态输入电压保护电路和短路保护电路。 l t l 6 7 6 中包含了多种电路来提高转换效率。其内部的控制电路经由v c c 管脚接入，从而大幅降低了对v in 输入信号的损耗。另外，其转换控制电路可 以单独带载运行。当接入的负载较重时，输出转换电路维持着较高的电流上升 时间来保证其转换的高效性，而当负载较轻时，电流上升时间则会刻意的降低 以避免脉冲的流失。 l t l 6 7 6 特性： 较宽的输入电压范围：7 4 v 6 0 v 7 0 0 m a 的最大转换电流 转换驱动保证重载时的高效性以及轻载时不会出现脉冲流失 准确的电流模式控制 稳定的1 0 0 k h z 工作频率 较低的关断电流：3 0j t a 拥有s o - 8 p d i p 两种有效封装 1 3 234 开关m o s 管的选择：i r f 3 7 1 0 i r f 5 3 0 2 n 7 0 0 0 开关m o s 管是功率板上最重要的一个部分。三个m o s 取样电阻以及反馈端的通断。其开关性能的好坏挟定了晟终拓 此在选择时对其功能的关注尤为关键。在后文中将鲁 i r f 3 7 1 0 i r f b 4 7 1 0 i r f b 4 3 1 0 三种开关m o s 管的导通内阻，指 性降额因子，并根据实验所得到的运行时间，工作电流及温于 认，i r f 3 7 1 0 才是较为理想的m o s 开关管。 开关m o s 管的特性分析： 图2 _ 2n 淘道m o s 开关管的静态特性 图2 - 3p 沟道舯s 调 图24n 沟道增强型 图2 - 5p 沟道增强型m 0 s 开关管的功能 2 3 4 1m o s 开关管的静态特性 m