无刷直流电机控制系统的设计(一)

精品文档 1欢迎下载 1 1 引言引言 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 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 11 1 无刷直流电机的发展概况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 在北京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段时间内 都停 精品文档 2欢迎下载 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 1986 年 H R Bolton 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 21 2 无刷直流电机无刷直流电机 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 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 定子在内 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 转子在内 定子在外 精品文档 3欢迎下载 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 31 3 无刷直流电机的应用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 精品文档 4欢迎下载 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 的增幅发 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 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范围内 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 41 4 无刷直流电机的发展趋势无刷直流电机的发展趋势 新电子技术 新器件 新材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 控制及其高效化发展 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 精品文档 5欢迎下载 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 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 51 5 本设计课题的任务和内容本设计课题的任务和内容 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 61 6 本章总结本章总结 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内容 精品文档 6欢迎下载 2 无刷直流电机控制系统的设计方案 2 12 1 无刷直流电机控制系统的无刷直流电机控制系统的设计设计 专用芯片控制的无刷直流电机控制系统主要由硬件部分组成 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 直流电机硬件系统框图 现对无刷直流电动机各部分的基本结构说明如下 图2 1 有位置传感器的无刷直流电机硬件系统框图 1 电源路 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 精品文档 7欢迎下载 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 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 温度范围宽 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 温度范围宽 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 22 2 无刷直流电动机控制系统设计方案无刷直流电动机控制系统设计方案比较比较 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 应用广范 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 精品文档 8欢迎下载 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MOTOLORA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 根据电机内的位置 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 国内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 精品文档 9欢迎下载 2 32 3 本章总结本章总结 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 3 无刷直流电动机控制系统的硬件设计无刷直流电动机控制系统的硬件设计 3 13 1 专用芯片的专用芯片的介绍介绍 MC33035是MOTOROLA公司的第2代无刷直流电机控制专用芯片 内含转子位置传 感器译码电路 温度补偿的内部电压基准源 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的工作电源电压范围很宽 在10V 30V之间 芯片内含有基准电压 6 25V MC33035内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60 120 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 连接到正电源的内置 上拉电阻将会启动顶部和底部驱动输出时序 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 片内电压参考 驱动输出电路和热关断 精品文档 10欢迎下载 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 MC33035MC33035 的组成 脚管的组成 脚管及应用及应用 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内部基准电源 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 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 6 SA SB SC 三个传感器输入 控制整流序列 7 Ooutput Enable 输出使能 高电平有效 8Reference 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 Noninverting 电流检测同向输入 精品文档 11欢迎下载 Input 10Oscillator 振荡器引脚 振荡频率由定时元件R和C 所选择的参数值决定 11ErrorAmp Noninverting Input 误差信号放大器同向输入 通常连接到速度设置电位器上 12ErrorAmp Noninverting Input 误差信号放大器反向输入 13 ErrorAmp Out PWMInput 误差放大器输出 PWM 输入 14Fault Output 故障输出端 15Current Sense Inverting Input 电流检测反向输入端 16Gnd 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 17 Vcc 正电源 Vcc在10V 30V 的范围内 控制器均可正常工作 18Vc 底部驱动输出的高端电压是由该管脚提供的 它的工作范围从 10V 30V 19 20 21 CB 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 开关晶体管 2260 120 Select 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 23Brake 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 3 23 2 驱动桥主电路设计驱动桥主电路设计 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 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 精品文档 12欢迎下载 比 表 3 2 对 IGBT GTR GTO 和 MOSFET 的优缺点的比较 器 件优 点缺 点 IGBT 开关速度高 开关损耗小 具有耐脉冲电流冲击的能力 通态压降较低 输入阻抗高 为电压驱动 驱动功率小 开关速度低于电 MOSFET 电 压 电流容量不及 GTO GTR 耐压高 电流大 开关特性 好 通流能力强 饱和压降 低 开关速度低 为电流驱动 所需驱动功率大 驱动电路 复杂 存在二次击穿问题 GTO 电压 电流容量大 适用于 大功率场合 具有电导调制 效应 其通流能力很强 电流关断增益很小 关断时 门极负脉冲电流大 开关速 度低 驱动功率大 驱动电 路复杂 开关频率低 MOSFET 开关速度快 输入阻抗高 热稳定性好 所需驱动功率 小且驱动电路简单 工作频 率高 不存在二次击穿问题 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 我选择MOSFET 按照任务要求设计全控 和 Y 半控 3 2 2 三相半控 全控电路 图3 2 三相半控电路 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 并且传感器信号之间的相位差是1 3周期 当转子位置处于120 精品文档 13欢迎下载 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 图 3 3 三相全控 Y 电路 图3 3是一种三相全控电路 电动机绕组为Y连接 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6为6 只P型功率MOSFET管 起到绕组开关作用 Q1 Q2 Q3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3 2 3 精品文档 14欢迎下载 图3 4 三三导通的合成转矩 其电压波形如图3 5 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 精品文档 15欢迎下载 Q1 Q6 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 3 2 3 相似 其大小为 LA 相的 1 732 倍 3 2 3 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范 围为 10 20V 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 IGBT 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 逻辑电源的输入范围 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 逻辑电源电压范围在5 V 20V以内 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 3 IR2110 工作参数 参数最小值 V最大值 V VBVS 10VS 20 VS 4500 HOVSVB VCC1020 LO0VCC VDDVCC 4 5VCC 20 VSS 5 5 HIN SD LINVSSVDD IR2110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 精品文档 16欢迎下载 入高电平时两路都关闭 当VDD低于欠电压阀值 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 冲持续期内导通 所以功率不高 3 2 4 IR2110 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0V NC 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 精品文档 17欢迎下载 LO 引脚 1 低端输出 3 2 5 驱动电路图 图 3 8 全控 型驱动电路 图 3 9 全控 Y 型驱动电路 精品文档 18欢迎下载 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 HO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 33 3 开关电路开关电路 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 精品文档 19欢迎下载 3 43 4 稳压电路稳压电路 图3 12 稳压电路 此电路主要是由稳压二极管组成 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 53 5 调速电路调速电路 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 精品文档 20欢迎下载 3 63 6 RCRC 振荡电路振荡电路 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 73 7 过流保护过流保护 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 精品文档 21欢迎下载 图3 15 过电流保护电路 3 83 8 本章总结本章总结 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 精品文档 22欢迎下载 4 4 传感器选择传感器选择 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 55oC到 150oC范围内正常工作 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内表面 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120 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 精品文档 23欢迎下载 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合中大量 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 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 精品文档 24欢迎下载 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 14 1 本章总结本章总结 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 精品文档 25欢迎下载 结束语结束语 本课题实现了三相无刷直流电机的换相 正反转和 PWM 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 PWM 调速 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 MC33035 具有片内电流限制电路 片内电压参考 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方法 研究典型的三相无刷直流电机的运行控制方法和检测及仿真 学习 Protel 99SE 的运用 设计了输出功率小