（电机与电器专业论文）摩托车用永磁无刷直流电机起动发电系统的研究.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s r r r a c - r a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c sa n dn o v e le l e c t r i c a lm a c h i n e ，t h e s t a r t e r g e n e r a t o rs y s t e mh a sb e e ng e t t i n gm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n i th a sb e e nav e r y i m p o r t a n tp a r t o ft h e a i r c r a f ta n da u t o m o b i l e p o w e rs y s t e m d u r i n g t h e s t a r t p r o c e s s t h em o t o ri su s e d 船t h ee l e c t r o m o t o r ；a f t e rt h ep r o c e s s ，i ti su s e da st h e g e n e r a t o r a tf i r s t ，t h ef u n c t i o n so fa v e r a g ee l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ea n dt o r q u er i p p l ea r c d e d u c e di nt h ec a s eo fa r m a t u r e t h ev a r i e t yo ft o r q u ec h a r a c t e ri sa n a l y s e df r o mt h e s i d eo fe l e c t r o m a g n e t s e e o n d l y ，t h ew h o l ec o n t r o l - s y s t e mi sd e s i g n e d i nt h ec a s eo f h i 【g hc u r r e n t ，as e i r e s o ft h e o r e t i ca n a l y s ea n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa r ed o n ea r o u n dt h ee l e c t i o na n d p r o t e c t i o no ft h ep o w e rm o s f e t a c c o r d i n g t ot h ep a r t i c u l a r i t yo ft h i ss y s t e m ，t h i s p a p e rd e s i g n st h ec i r c u i t sa r o u n dt h ec o n t r o l c h i pa n dt h ed r i v e - c h i p ，a c c u m u l a t e s s o m ee x p e r i e n c ea b o u tt h ea p p l i c a t i o n so f t h ec o r r e l a t i v ec h i p s t h i r d l y ，f r o mt w os i d e so f t h ep h a s ec o m m u t a t i o na n dt h el o c a t i o no f h a l ls e n s o r s w h i c he f f e c tt h es t a r tc a p a b i l i t y , as e r i r e so fr e s e a r c ha n da n a l y s ea r ed o n e a c c o r d i n g t ot h ec o r r e l a t i v et h e o r e t i ca n a l y s ea n dr e a lw a v e s ，p r o p o s et h a tt h es t r u c t u r eo f “f a k er o t o r s h o u l db ca d o p t e d a tl a s t ，t h ew h o l eh a r d w a r es y s t e ma r ec o n f o r m i t i e da n dd e b u g g e d t h et w ok i n d s o fw a v e so fw h i c ham o t o ru s e st h e “f a k er o t o r a n da n o t h e rn o tu s e sa r ec o n t r a s t e d a n da n a l y s e d t h ew a v e so fd i f f e r e n tl o a d sd u r i n gt h es t a r t p r o c e s sa r er e c o r d e da n d c o n t r a s t e d s o m ep r o b l e m so f t h ee x p e r i m e n t sa r er e s o l v e d b a s e do nt h et h e o r e t i ca n a l y s e ，t h i sp a p e rd o e sas e i r e so f r e s e a r c h sa n da n a l y s e so n t h ek e ys t a rp a r to fs t a r t e r g e n e r a t o rs y s t e m + ，r e s o l v e st h es t a r to ft h ee n g i n ei nt h e c a s eo ft h ef u l ll o a d af i n np a c ei ss t r i d e df o r w a r do nt h er o a do fp r o d u c t i n gt h e w h o l es y s t e m k e yw o r d s s t a r t e r g e n e r a t o rs y s t e m t h es t a r - u p t o r q u es e n s o r s s y s t e md e s g i n 东南大学硕士学位论文第一章绪硷 1 1 课题背景 第一章绪论 起动发电双功能系统是为了适应飞机、汽车等的电源系统的发展要求而产生的。发动 机在投入运行之前，需要起动机来起动，实现起动的方法有很多种，如液压起动、电起动等。 起动机在起动后就不再起作用，一直以来人们都在寻找一种更高效、更简洁的起动方案。 本文所研究的为一摩托车用起动，发电系统；图1 1 所示为摩托车起动发电系统的原 理图，主要由起动电机、磁电机、点火器、蓄电池、调整装置和火花塞组成。 电池 图l 一1 摩托车起动发电系统的原理图 一般摩托车由汽油发动机或柴油发动机起动，必须经过排气一进气一压缩一爆发的过程 才能工作。因此开始起动时必须先摇动曲轴。而电起动则依赖于起动电机来带动曲轴。下面 简单叙述一下起动的整个过程，起动开始时，起动电机带动汽油发动机或柴油炭动机的曲轴 使活塞往复运动，短时间内将其拖到某一速度，使气缸内混和气体爆破做功，直到发动机本 身可以自行动作为止i l ”。此时电机作为电动机运行，其负载为发动机，电机将电能转换为 机械能。f l l 图l 一1 中的磁电机，实际上就是交流发电机，是摩托车主要的电源装置。主要 用途是给发动机提供点火电源和给蓄电池充电，同时还向照明和信号系统提供电源。磁电机 中一般有两个线圈，其中一个是用于点火的充电线圈。点火时，磁电机产生的电流通过升压 变压器的原边，在其副边上产生高电压，这个高电压加在火花塞两端，击穿空气产生放电火 花，以达到点火的功能。【1 23 点火完成后，发动机转入正常运行，带动磁电机旋转。开始发 电，通过另外一个发电线嘲将能量经整流稳压装置后传到蓄电池及其他辅助设备。【2 1 这样 的双电机系统结构复杂，整体稳定性不高，超越离台器打滑时会严重影响摩托车的起动性能。 而且在现有的电动汽车、摩托车电源系统中，永磁电机作为发电机得到了广泛应用，它既可 东南人学硕士学位论文 第一章绪论 以为蓄电池提供充电电源，又可以j , j 点火系统提供点火能量 。 从电机本身的角度来看，可以用作起动发电系统的有很多种，如有刷直流电机、开关磁 阻电机、电励磁同步电机、无刷赢流电机等。下面对这些电机作一个简单的比较。 1 - 有刷直流电机 有刷直流电机作起动发电机用时与一般的直流电动机和直流发电机略有不同，起动时， 以复励( 串励为主) 直流电动机方式工作要求有足够的起动转矩和起动电流，起动结束后， 电机的串励绕组被切除改为并励方式，作发电机运行【3 l 。早期的起动发电系统多采用有刷 直流电机，其优点是起动性能良好、控制简单。但由于电刷和换向器的存在，使得这种起动 发电系统维护复杂，使用寿命短：另一方面发电功率和起动功率也受到很大限制【4 】。 2 开关磁阻电机6 1 开关磁阻电机( s p , m ) 的转子是简单的迭片结构，结构坚固且经济，由于转子没有绕组和 磁钢，因此可在高速下运行，其定子集中绕组可以预先绕制好再嵌入定子槽，这使得定子装 配工艺简单，案4 造成本低，冷却方便。由于开关磁阻电机转子没有绕组和永磁体，转子结构 对温度不敏感，电机的最高运行温度取决于绝缘系统，因此其高温环境的运行能力优良。但 开关磁阻电机转矩脉动大，电机存在严重的非线性，优化控制有一定的难度，电动和发电时 均需功率变换器工作，发电的可靠性有所降低。 3 电励磁同步电机【 电励磁交流同步电机作为发电机已经得到了广泛的应用，即可以用于变频恒速电源，也 可以用于直流供电。只要在现有基础上研究其起动方案，就可以将其改造成起动发电系统。 这种结构可以充分利用现有电源装置，对系统改造较小。电励磁交流同步电机静止时，无法 得到励磁，因而要额外增加一套辅助起动绕组，起动时，先在辅助绕组中通以电流，提供励 磁，起动完成后退出运行。这样就要重新设计电机结构，增加了电机体积和重量。 4 无刷直流电机 无刷直流电机用电子换向器取代了普通直流电机的电刷和换向器的机械换相，拥有普通 直流电机的控制性能和调速性能，没有了由于机械换相带来的诸多限制口】。具有起动方便， 能量密度大，效率高，可以输出高质量的直流电压等优点。随着商眭能电力电子器件和现代 控制技术的发展，许多新型的高性能半导体功率器件，如g t r 、m o s f e t 、i g b t 等相继出 现，以及高磁能永磁材料，如钕铁硼等的问世为无刷直流电机的广泛应用奠定了坚实的基础。 无刷直流电机不仅具有传统真流电机类似的转矩控制特性，而且还具有结构简单、起动力矩 大、调速范围宽、损耗低、效率高、无滑动接触和换相火花、可靠性高、噪音低和使用寿命 长等突出优点。无刷直流电机的应用已经在家用电器、航空航天、数控机床、机器人、电动 东南大学硕士学位沦文 第一章绪论 汽车和计算机外围设备等方面获得了广泛应用。p j 考虑到起动发电机的特点，选择永磁无刷直流电机来充当起动发电系统的起动发电 机，主要有以下儿点理由： 1 稀十_ 永磁材料具有很高的磁能积，可以明显降低电机的重量、减小电机的体积，而起动 发电系统，特别是应用于汽车、摩托车上的起动发电系统，由于安装位置和使用方式 的缘故，都对重量和体积有一定的限制。 2 ，永磁无刷赢流电机和直流电机一样具有良好的起动、调速性能，可以输出较大的起动转 矩，满足起动发电系统对起动转矩的要求。 3 常用起动发电系统中的磁电机都是永磁同步电机，其与永磁无刷直流电机的结构相似， 可以较方便的进行改造，使其成为起动发电机。 在现有基础i - ，深入研究这种电机的起动方案，能将其改造为起动发动双功能系统， 省去独立的起动电机，具有很大的实用价值。开发风险和对整个电源系统的改动都较小。研 究周期也较短，不仅可用于新机型的装备，也还可用于老机型的改造，是一个很有竞争力的 方案。所以可蛆考虑用起动发电双功能系统来代替。摩托车起动发电系统也就是将起动电 机与磁电机台二为一的系统，省掉减速机构和超越离合器，简化发动机结构，提高其运行可 靠性。 1 2 本文研究的重点和难点和各章节安排 本文要对基于无刷直流电机的起动发电系统取代现有的车用起动机和交流发电机进行 研究，那么整个起动，发电装置是否具有较好的起动电机的功能也就是说如何获得尽可能 大的起动转矩带动摩托车发动机迅速起动提供类似于专用直流起动电机的起动转矩特性，是 本文研究的重点内容。由于其采用专用传感器进行换向并且起动电流很大，在大电流的起动 过程中屯枢反应的影响以及换向过程和传感器的位置安放都对电机的起动转矩有着较大的 影响，如何克服这些因素带来的起动转矩下降等问题成为本文研究的一个重点和难点。在大 电流的起动过程中如何对功率m o s 器件进行选型和保护，对控制电路和驱动电路的设计和 调试成为整个装置控制系统部分研究和探讨的一个重要内容。 本文针对摩托车用的起动发电系统进行了设计，根据其使用要求，着重提高其起动转矩， 其各章节主要内容如下： 第一章绪论部分主要介绍起动发电系统的概况和本课题研究的意义和背景： 第二章对无刷直流电机的转矩特性进行分析，推导在电枢反应条件下平均电磁转矩和转 矩脉动的公式，对电磁因素引起的转矩特性变化进行分析和研究。 第三章主要介绍本控制系统的设计，包括功率m o s 器件的选择和保护：控制电路和功 率电路的设计： 东南大学硕士学位论史第一章绪论 第四章从电流换向和传感器安置方式两个方面对无刷直流电机的起动转矩的影响做了 研究和探讨，并提出了相应的解决方法； 第五章系统的调试，介绍了系统的整个调试过程，对遇到的问题进行了分析并提出了解 决方案，给出了实验的数据和波形，并进行分析。 d 东南大学硕士学位论文第二章无刷直流电机转婚特性分析 第二章无刷直流电机转矩特性分析 2 1 无刷直流电机及其控制系统基本结构 图2 1 无刷直流电机及其控制系统基本结构图 图2 一l 为一台无刷直流电机( b r u s h l e s sd cm o t o r ，简称b l d c m ) 及其控制系统的典 型结构原理图。由图中可班看出，无刷直流电机控制系统主要由电机本体、位鹭传感器和控 制器三部分组成吐 2 1 1 电机本体1 】- 3 】 电机本体包括定子和转子两部分。定子绕组采用交流绕组形式，一般为多相绕组( 三相、 四相、五相不等) ，图2 1 中电机定子绕组即为三相。对于方波气隙磁场，当定子绕组采取 集中整距绕组，即每极每相槽数日= 1 时，方波磁场在定子绕组中感应的屯势为梯形波。对 于两相导通星形三相六状态稀土永磁无刷直流电动机，方波气隙磁感应强度在空间应大于 1 2 0 0 电角度，在定子电枢绕组中感应的梯形波反电势应大于1 2 0 0 电角度。b l d c m 的转子结 构有传统的内转子结构也有近年来出现的外转子结构、盘式结构和线性结构等新型结构形 式。而且，伴随着新型永磁材料钕铁硼( n d f e b ) 的广泛采用，电机转子的结构越来越多样 化，使b l d c m 朝着大转矩、微型化、高精度等多用途方向发展。本文中所采用的电机正是以 钕铁硼( n d f e b ) 为永磁材料、外转子结构两相导通星形三星六状态稀土永磁无刷直流电动 机。 东南大学硕_ l 学位论文 第二章无刷直流电机转矩特性分析 2 1 2 转子位置传感器1 】【4 1 1 5 1 在b l d c m 中，位置传感器起着测定转子位置，为逆变器提供正确换相信息的作用。 由于逆变器的导通顺序是与转于转角同步的，因而与逆变器一起，起着与有刷直流电机的机 械换相器和电刷相类似的作用。位置传感器种类较多，特点各异。比较常用的有电磁式位置 传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置传感器等。 2 1 3 控制器1 l 【3 控制器包括逆变整流器及其驱动、控制电路。作电动机运行时，逆变整流器将来自电 源的直流电转换成交流电向电机供电，其输出的交流电频率受控于转子位置信号，与电机转 速保持同步，因此不会产生振荡或者失步：作发电机运行时，逆变整流器将电枢中产生的 交流电整流为直流电输送给外面负载。逆变，整流器构成方式有三相半桥、三相全桥等，比 较常用的是三相全桥结构。控制、驱动电路则根据电机运行状态和控制要求，发出相应的驱 动信号到逆变器，从而控制电机运行。 2 2 无刷直流电机运行原理】 ( a ) a b 相通电( b ) a - c 相通电 图2 2 永磁无刷直流电机工作原理示意图 如图2 1 所示，控制电路对转子位置传感器的信号进行逻辑变换后产生脉宽调制p w m 信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管，从而控制电机各相绕组按一定顺序工作， 在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。下面就两相导通的三相六状态无刷直流电机为侧说明其 工作原理。 当转子永磁体转至图2 2 ( a ) 所示位置时，转子位置传感器输出磁极位置信号，经过 控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率管k 、导通，即绕组4 、b 通电t a 进口l 出， 电枢绕组在空间的台成磁势r ，如图2 - - z ( a ) 所示。此时定转子磁场相互作崩拖动转于 顺时针方向转动。电流流通路径为：电源正极一 k 管一 a 相绕组一 b 相绕组一 圪管一 6 东南大学硕士学位论文 第二章无刷直流电机转矩特性分析 电源负极。当转子转过6 0 0 电角度，达到图2 - - 2 ( b ) 中位置时，位置传感器输出信号，经 过逻辑变换后使开关管k 截止，导通，此时“仍然导通。则绕组爿、c 通电，a 进c 出 电枢绕组在空间合成磁场如图2 - - 2 ( b ) 中ca 此时定转子磁场相互作用使转子继续沿顺 时针方向转动。电流流经路径为：电源正极一 巧管一 a 相绕组一 c 相绕组一 以管一 电源负极，依次类推。当转子继续沿顺时针每转过6 0 0 电角度时，功率开关管的导通逻辑为 一 一 以一 k 圪一 k ，则转子磁场始终受到定子合成磁场的作用 并沿顺时针方向连续转动。在图2 - - 2 ( a ) 到( b ) 的6 0 0 电角度范围内，转子磁场顺时钊1 连续转动，而定子合成磁场在空间保持图2 - - 2 ( 中e 的位置不动，只有当转子磁场转 够6 0 0 电角度达到图2 - - 2 ( b ) 中0 的位置时，定子合成磁场才从图2 2 ( a ) 中c 位置 顺时针跃变至( b ) 中c 的位置。可见定子合成磁场在空间不是连续旋转的磁场，而是一种 跳跃式旋转磁场，每个步进角是6 0 0 电角度。当转子每转过6 0 。电角度时，逆变器开关管之 间就进行一次换流，定子磁状态就改变一次。可见电机有六个磁状态，每一状态都是两相导 通，每相绕组中流过电流的时间相当于转子旋转1 2 0 0 ，故该逆变器为1 2 0 0 导通型。两相导 通星形六状态无刷真流电机的三相绕组与各个开关管导通顺序的关系如表2 1 所示。 表2 一】绕组和开关导通顺序表 惠恿羼o o 6 0 0 1 2 0 0 1 8 0 02 4 0 0 3 0 0 03 6 0 0 导通j 宇且占。 占c以占 吒 吒 n 吒 i i 7 东南大学硕士学位论文 第二章无刷直流电机转矩特性分析 2 3 电磁因素引起的转矩特性变化 对于无刷直流电机用做起动电机，要求其有足够的电磁转矩，较小的转矩脉动，f 面就 电磁因素引起的转矩特性变化进行分析。 电磁转矩的平均值和脉动是衡量转矩特性的重要指标，下面就这两个物理量进行相应的 分析。电磁转矩脉动是由于定子电流和转子磁场相互作用而产生的转矩脉动。它与气隙磁通 密度的分布和电流波形以及绕组的形式有直接的关系，为了分析方便，假定： ( 1 )忽略齿槽、换向过程和电枢反应等影响； ( 2 ) 电枢绕组在定子内表面均匀连续分布： ( 3 ) 电机为二相导通星形三相六状态工作方式，气隙磁场为方波。 由于电机在每个磁状态( 6 0 。电角度内) 的电磁作用是相同的，故以下仅分析一个磁状 态的转矩变化情况。 首先分析气隙磁场分布与绕组在空间的相互位置关系，如图2 3 所示。图中气隙磁感 ，仃 应强度呈方波分布，宽度为声。为产生足够的电磁转矩，卢应满足二兰卢石。口表示 j 在所选择的坐标中气隙磁感应强度轴线的空间位置。a 是一个变化量，随着转子的旋转， 在一个磁状态中从口。变化到口2 。因此口l 和口2 分别为一个磁状态的初始位置和换向的终了 仃 位置，即为该磁状态的换向初始位置和终了位置。故口2 一a l = 詈电角度。 图2 - - 3 气隙磁场与通电绕组的位置关系 在图2 3 中，当口等于三2 时，气隙磁感应强度分布位置如实线所示，轴线与通电绕组 a 、c 空间轴线重合，是该磁状态的中间位置，这时定转子磁场正交，产生最大电磁转矩。 当a 处于d 。或a ：位置时，( d ，= 詈，搿2 = 等) ，气隙磁感应强度波形分别和虚线和双点 线所示，电枢绕组a 、c 相所产生的空间合成磁场，对转子磁场产生最大直轴去磁或增磁电 东南大学硕上学位论文第二章无刷直流电机转矩特性分析 枢反应，此时电磁转矩为最小值。 下面来分析计算当气隙磁感应强度轴线在该磁状态中任一位置时( 口l 口 口2 内) 的 电磁转矩。根据单个导体在磁场中受力的基本公式f = b i l ，可以得到对于某一磁场位置口 时的电磁转矩表达式为 r ( e ，卢) 一睡衄。，p 矽 ( 2 - 1 ) 式中k 转矩常数； b 。气隙磁感应强度幅值； ，p ) 通电导体在电枢内表面的分布电流， p ) = ( 2 2 ) 根据一个磁状态内气隙磁场与定于通电导体的相对位置，司以分为三种情况： ( 1 ) a 一旦。兰口+ 旦 竺 2626 正o ，卢) = 脚。，p 瑚= k b 川口+ 譬一詈) c ：吲 ( 2 ) 口一旦 竺 2626 疋( 口棚：亭皿，p 口；竿励 ( 2 4 ) ( 3 ) a 一曼，三口+ 曼，三三 2626 t 缸，卢) = 慝5 s t 船。，口= k b 川詈一口+ 争 c ：_ 5 ) 有了以上任一a 时的电磁转矩表达式，下面就可以进行电磁转矩脉动的分析。首先定 义转矩脉动为 ，：桀1 0 0 ( 2 - - 6 ) 詈詈哮 万卜on卜 趴 队 泓 趴 乳 枷 卵 三a + 曼 堑 2626 此情形为磁状态的尾部阶段，气隙磁场又不能与所有的通电导体相互作用而产生电磁转 矩，则式( 2 - - 5 ) 变为 她班岛聊。目+ f 避l p 如= k 朋，譬鸠( 詈口 ( 2 1 9 ) 按照式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 、( 2 1 0 ) 分别求幺、瑶、t 。 由式( 2 1 8 ) 可得，似) 是关于口的一个一次函数，义因为在电枢反应条件下b 2 b 所以( 搿) 是关于口的一个单调减函数，故当口2 互3 时电磁转矩达到最大值， 毫= k 。( 詈即三即( 2 - - 2 0 ) 由式( 2 1 7 ) 可知，正位) 是关于口的一个单调增函数故当口2 三3 时电磁转矩达到最小值 互二。= k i 。c 詈b ，+ 譬b ：， c ：一：， 由式( 2 1 9 ) 可知，巧位) 是关于a 的 小值 个单调减函数故当口= 等时电磁转矩达到最 巧。= k 。( 譬e + 吾b ：) 则幺= r a i n 正二。，巧一) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 1 又由妄卢万可得 瓦。：正二：k 。( 手b ，+ f i b ：) ( 2 - - 2 4 ) o2 东南大学硕士学位论文 第二章无刷直流电机转矩特性分析 口 三6 + 旦2 和d 詈一曼2 ，对于等 卢 z ，有堑6 一旦2 三6 + 曼2 ，因而作为积分6 3 区间有兰3 “ 5 _ _ 6 5 x 一譬 根据情形( 2 ) ，有 塾一旦三+曼或者里一曼，同样对于丝 a 三十曼则 362 = 砜垂5 ”；暇一 + 口：譬 d 口= k ， ( 导一鲁+ 呼口：一号剐卢+ 云丌2 引o zo斗斗jz q ( 2 - 2 5 ) t 二2 = k ，鹱m 一詈) + 蹦啪= k 睁即黝( 卢一知 ( 2 - - 2 6 ) t ：, 3 = k i 。垂旧罢+ 蹦言，r 一训d a = k 小鲁一争2 + ( 三b - 一号蚴十云疗2 吲 ( 2 - 2 7 ) = 3 疗k 1 。 。+ 艺：+ 幺 。昙盯小鲁一鲁) 卢2 + ( 4 8 2 - - 詈剐卢+ 万2 b 。 + 詈( 巨+ 雪：归一吾刀2 p 。十蚴+ ( 鲁一导) 声2 + b b 。一詈b ：弘+ 云石2 剐= 丌3 k i 。咭1 + b 2 ) f 1 2 x 4 、b ，坞归+ 去以 蚴】( 2 - - 2 8 ) 凹t ：生二盘。1 0 ： ， 生二! 生：壁二至1 _ 持2 一争即岛静一争鼍+ - 由式( 2 - - 2 8 ) 可见，平均电磁转矩的值取决于后极尖气隙磁场b 。和前极尖气隙磁场b 2 之 和，当b 【+ b 2 2 b ，时，平均电磁转矩变大：当b lq - b 2 2 b m 时，平均电磁转矩变小 4 东南大学硕士学位论文 第一二章无删直流电机转矩特性分析 令k ，2 百b t + b 2 ，在相同电枢电流的情况下，考虑电枢反应情况下的平均电磁转矩( 。的 大小为忽略电枢反应时的k 。倍，即疋。= k ll ，；式( 2 2 9 ) 是在有电枢反应f ，电磁转 矩脉动与气隙磁场波形宽度的关系，令k 2 = 百b 1 ，则在相同电枢电流情况下，考虑电枢反 应时转矩脉动量r = 去丁，图2 8 为不同k 2 值时，a t 与卢的关系的一簇曲线 量，+ 1 由图2 - - 9 可见，k 2 值越小转矩脉动a t 就越大，当k 2 值为i 时，即为没有电枢反应时的 磁场，当电枢反应比较强烈的时候，后极尖磁感应强度b 1 小于前极尖磁感应强度b 2 ，转矩 脉动变大a 实际上由丁_ 磁路存在饱和，前极尖的磁感应强度b 2 不可能被无限加强，一般情 况下毋略大于b 。或者几乎相等，于是五。 1 ，k 2 c g s ，而且如果栅极驱动电路包括电感即z = r + j c o l 。 ( 比如隔离驱动变压器的漏电感) ，由电路理论可知这个电感对于很短的瞬态而言，呈现为 一个高阻抗，并且在瞬态持续时间内将栅极与驱动电路有效地退耦，这样将在栅一源之间产 生一个非常大地瞬态电压，这个负向上升的瞬态栅一源电压是不希望的，因为它可能超过器 件栅极电压的额定值，发生永久性损坏。【7 1 对于这个问题最简单地解决办法是在栅一源端 子闻连接一个电压钳伉的齐纳二极管，如图3 - 6 中的d ，对于正向的d ，其能有效地 “ 钳位，对于负向的d ，二极管的正向导通阻抗非常小，降低了栅一源之间的阻抗，过大的 ，“ 瞬态电流将大部分流经二极管，不会对m o s f e t 器件产生损坏。当然解决方法核心就是使 得栅极电路的阻抗足够低，不仅使得不超过栅一源电压的额定值，而且使得栅极上的瞬态电 压被限制在不会发生寄生开通的水平。图3 7 为o r c a d i o 3 进行了仿真实验波形( 以f 同) 。 静 g 一 一计 东南大学填u 上学位论文第三章控制系统设计 k 。j ：一 ； 一。 ： + ! j 4 ” ：。 ： ： 一m 一，善” 。：。 。“ 一一 “兄 ( a ) 无钳位管d ， - 纂 i ：ji ， f 簿辫 ： 雾； ”一n 二产 ”，茹” 1 一 。” * ( b ) 加了钳位管d ， 图3 7 漏一源间的瞬态电压尖峰 ( 2 ) 开关感应的漏一源电压尖峰的抑制措施 m o s f e t 开关得越快，产生的过电压越高。电感在实际电路中总是在不同程度上存在 的，因此在开关关断时总是存在感生瞬态过电压的危险。通常负载的主电感元件都是被钳位 的，但是电路杂散电感仍将存在，将导致瞬态过电压仍将产生。于杂散电感产生的电压尖峰 的抑制。如图3 8 ，所示，我们一般是联接一个在实际位置上尽可能接近源一漏端子的钳 位器件。为达此目的一般采用普通的齐纳二极管或者“超吸收”钳位器件是比较好的。 d c r 图3 8 二极管钳位漏极瞬态图3 - - 9 电容一电阻缓冲器钳位漏极瞬态 电压尖峰电压尖峰 幽3 9 所示的简单月c 缓冲电路。不过r c 缓冲器不仅限制了峰值电压，而且还减慢了有 效的开关速度。作为电乐钳位，这样的结果就是能量吸收将发生在整个开关周期内，而不仅 仪是在其结尾。因此这种缓冲器的效率低丁第一种方式。图3 一l o 是未经过漏电感钳位的漏 极尖峰电压波形，图3 1 1 ，3 1 2 分别用上述2 种方法对杂散电感进行钳位后的波形。 东南大学硕：l 学位论文第三章控制系统哎计 誊 昌 誊 e m * “”确= “。“莎 棚 图3 一1 0 未进行钳位的漏极电压尖峰波形 i l ， ； 1 。 # 、 l 一 ：g ：i #! 曩 搿 ；襄n ：e - 0 、 t $ ? 器，等 m 珥j 。 ”2 叫 ： t 一 ：菇喜捧瑟羁誊囊： 。t ， _ ：。l 。1 。”? 7 ： 杉 ： ： 卜，_ “” 蝴 图3 一1 1 用漏一源二极管钳位的漏极瞬态电压尖峰 一 lj 黼二，=# ， r ：牛4 ；1l l 1 ； l | p“_ 罩 1 ：l l l 一 i ：，； ”一l ： ”。 伽掩t m 图3 1 2 用电容一电阻缓冲器钳位的漏极电压尖峰 ( 3 ) m o s f e t 的热保护措施和电路布局的方法 ( i ) m o s f e t 的热保护措施 功率m o s f e t 是一种受到热限制的功率器件在随着温度的升高而增加，这是因为导 通电阻r d m l 随温度升高而增大的缘故，所以m o s f e t 必须安装在散热器上。使在是大耗 散功率和最高环境温度这样的最坏情况下，结温低丁额定的t 。 ( i i ) 电路布局方法7 1 东南大学硕士学位论卫第t 帚控制系统设l 在电路中的杂散电感可产生瞬态过电压，降低开关速度，使得并联使用的器件电流不平 衡，而且可能会产生不必要的振荡。为了减小这些影响，必须使得电路中的杂散电感达到最 小，这可借助尽量缩短导电回路，并使得电流环路所夹的面积最小，以及采用表面接地等措 施达到这个目的。对并联使用的m o s f e t 要保持电流平衡，尽可能使电路布局对称，并可 在器件的栅极串联电阻。这些措施均能防i t 不必要的振荡。 3 4 外围电路设计 3 4 1 控制芯片m c 3 3 0 3 5 主电路 本系统采用摩托罗拉公司的m c 3 3 0 3 5 做为主控制芯片。它是摩托罗拉第二代无刷赢流 电机专用控制集成电路，采用双极性模拟工艺制造。它包含三相和四相无刷直流电机所需的 全部有效功能。具有转子位置译码器，可为传感器供电的温度补偿电压源，频率可调的锯齿 波振荡器，完全可访问的误差放大器，三个集电极开路上部驱动器以及底部三个大电流推挽 驱动器组成，可直接驱动功率器件。1 图3 一1 3 所示为无刷直流电机专用控制芯片m c 3 3 0 3 5 在本系统中的具体应用。s a 、s b 、s c 接霍尔传感器的输出，经过m c 3 3 0 3 5 的译码器译码， 结合输入控制端信号，产生控制上下桥臂导通的信号a t 、b t 、c t 、a b 、b b 、c b 。上桥 臂输出为集电极开路，需要外接上拉电阻。各桥臂的输出值为电源电压，上桥臂低电平有效， 下桥臂高电平有效，考虑到i r 2 1 3 0 的输入电平最高为5 v ，低电平有效，为了电平匹配，在 m c 3 3 0 3 5 的输出端接同相器4 0 5 0 、反相器4 0 4 9 ，而后输出到驱动芯片i r 2 1 3 0 的输入端 h i n l h i n 3 、l i n l l i n 3 。 图3 1 3m c 3 3 0 3 5 应用电路图 m c 3 3 0 3 5 中有一锯齿波振荡器，它是m c 3 3 0 3 5 = 常工作的一个关键。其内部振荡器振 荡频率由外接定时c r 和r r 决定( 如图3 - - 1 3 中的c l 和r 。) 。每个振荡周期由基准电压h 东南人学硕士学位论文 第三章控制系统设计 ( 8 “脚) 经r ，向q 充电，然后c r 上电荷通过内部一晶体管迅速放电而形成锯齿波振荡信 号。一般正常使用振荡器的频率为2 0 3 0 k h z ，为了达到本系统的最佳振荡频率将r 。 设置为o 1 0 砸n 的可润电位器g 为0 0 1 ，的电容，调节只6 的值，直到m c 3 3 0 3 5 的输 出达到要求为止。由于本系统传感器位置安置成6 0 0 电角度，按照m c 3 3 0 3 5 的使用说明， 其2 2 脚应置为浮空状态，但在实验中发现若该脚置于浮空状态芯片无法正常工作，于是在 2 2 脚上外接一个4 7 足的电阻再接置1 2 v 电源，芯片工作恢复正常。 3 4 2i r 2 1 3 0 驱动电路 逆变器功率管驱动电路的特性在永磁无刷直流电机控制系统中占有很重要的地何。在永 磁无刷直流电机的控制系统中，全桥逆变器共有六个功率开关器件( m o s f e t 或i g b t ) ， 若每个开关器件都用独立的驱动电路驱动，则需要六个驱动电路使得系统硬件结构复杂， 可靠性下降。传统的方法是用比较复杂的分立器件实现以上功能。而i r 公司生产的i r 2 1 3 0 六通道栅极驱动器可实现以上功能。i r 2 1 3 0 是美国国际整流器公司于1 9 9 1 年推出并至今独 家生产的m o s 功率器件专用门极驱动集成电路，芯片工作结温范围为一5 5 0 c + 1 5 0 c ， 工作频率从几十赫兹到上百千赫兹，是标准的双列直插式2 8 引脚集成电路。【9 1 本系统的驱 动芯片即选择了i r 2 1 3 0 。 根据i r 2 1 3 0 的特点和工作原理，设计了具体的驱动电路。图3 一1 4 为i r 2 1 3 0 在本系统 中的应用电路。图中j 3 代表1 2 矿直流电源，j 4 代表电机本体。1 2 v 直流电通过功率管加到 电机的三相绕组上，功率管采用的是功率m o s f e t 管i p , j p 0 6 4 。i r 2 1 3 0 内部的三路( 图3 一1 4 中的h o i h 0 3 ) 驱动高压侧功率m o s 器件的输出驱动器的电源是通过自举技术来 获得的，在讨论电路功能之前，先对自举电路的工作原理做一个说明。当功率m o s f e t 或 i g b t 用作高压侧开关( 漏极接高压) 时，饱和驱动开通，栅极驱动电压应比漏极电压高1 0 1 5 v ，而栅极信号通常是以地为参考点的，因而控制信号就不得不进行电平信号的转换。为 满足这样的驱动要求，可以采用白举的方法来实现。当v s 被拉到地( 下桥臂导通) 时，1 2 v 的电源通过自举二极管d 给自举电容c 充电，当上桥臂需要导通时，由电容c 上的电压来 提供栅极驱动电压。【l 叫图3 一1 4 中的c 1 8 ，c 1 9 ，c 2 0 即为自举电容。自举电容参数的选择 非常重要，选择不当不仅会烧毁功率管，导致逆变器无法正常工作，更严重的是会影响无刷 直流电机的正确换相，使其不能正常丁作。自举电容的容量决定了充电后的储能能否令功率 管完全导通，容量过小则充电储能不够，过大又会导致充电回路的充电时间较长，高频情况 下会出现充电不充分，同样是储能不够，功率管不能完全导通。考虑到本系统的频率不高， 自举电容的容量可以选的大一些，保证储能充分，这里选择了l o uf 的电解电容 2 7 东南大学硕上学位沦文第三章控制系统址汁 正是由于依靠自举技术来获得的电压来驱动功率m o s 器什，所以连接到固定电源的二 极管( 图3 1 4 中的d 1 5 ，d 1 6 ，d 1 7 ) 其反向耐压必须人于被驱动的功率m o s 器件工作 的主电路中的峰值母线电压，且为了防止自举电容两端电压的放电，二极管应选用高频快恢 复二极管。本系统采用的是高频快恢复二极管为f r l 5 7 。 图3 1 4i r 2 1 3 0 组成的功率驱动电路图 在i r 2 1 3 0 中，电流检测没有采用霍尔电流传感器或传统的电流互感器，而根据具体的 情况通过一个取样电阻和相关器件米完成电流的检测。图3 - - 1 4 中的引脚9 ( j 。，p ) 即为过 电流信号检测输入端。如果主回路中电流过大，即r n u p 端输入的电压信号大于o 5 v ，内 部的电流比较器将迅速翻转，故障逻辑处理单元输出低电平，封锁6 路脉冲信号处理器的输 出，使i r 2 1 3 0 的输出全为低电平，关闭输出；同时，内部逻辑控制单元置故障指示信号脚 f a u l t 为低电平，提供报警信号。【1 1 1 一般的i r 2 1 3 0 的应用系统中都设有这样的过流保护 电路，如图3 - - 1