直流无刷电动机控制系统设计毕业设计.doc

天津职业技术师范大学本科生毕业设计直流无刷电动机控制系统设计Brushless dc motor control system design摘 要当今社会，电动机的发展十分迅速，无刷直流电机是一种新型电机。直流无刷电机主要由转子、定子和转子位置检测元件等组成,它具有结构简单、效率高、工作特性优良等特点,而且具有可靠性更高、制造维护更方便、应用范围更广泛、体积更小、控制更容易等优点。因此对无刷直流电动机及其控制器研究具有很大意义。本课题主要是根据直流无刷专用控制器MC33035与MC33039相结合，通过融合电路设计速度闭环电路的控制系统。首先，以直流无刷电动机控制器的研究现状为出发点，对直流无刷电动机的原理及结构进行了总述，详细分析了直流无刷电机的运行特性，推导出了其传递函数，并且创立了直流无刷电动机的数学模型。讲述了本系统的总体设计方法和思路，建立了系统的总体框架，然后介绍了主电路设计、控制器外围电路设计以及MOSFET驱动电路设计，其中重点讲述了系统各个功能模块的工作原理和作用，以及其硬件设备设计和实现。在课题的最后阶段对直流无刷电机系统控制效果专门进行了实验数据分析，并且对总体的设计过程做出了总结。关键词：直流无刷电动机；开闭环电路；双闭环调速；MOSFET驱动ABSTRACTNowadays society，motor has spread all areas of national economy and Peoples Daily life, and the Brushless DC motor, as a new mechanical and electrical integration, is rapidly matured in recent years. The motor consists of the stator, rotor and rotor position detection devices etc. In the absence of excitation device, it takes advantage of high efficiency, simple structure and excellent features, whats more, it is smaller, more reliable, easier to control and more convenient to maintain and manufacture, and it has more extensive application scope. All the advantages mentioned above make the brushless motors and their control device of great significance. This design is mainly produced by ON Semiconductor MC33035 and MC33039 design of the closed-loop brushless motor speed controller. First, this paper starts from the current research situation of brushless DC motor controller. The structure of the brushless DC motor and principle are reviewed to establish a mathematical model of brushless DC motor, and a detailed analysis of the operational characteristics of the motor is derived out of its transfer function. This part describes the overall design of this system and establishes the overall framework of the system. Then, the paper introduces the main circuit design, MOSFET driver circuit design and controller peripherals circuit design, including emphatically expounds the functional modules of the system and its working principle and hardware design and realization. Finally, there is a experimental data analysis on the effects of this system control, and a summary of the design process.Key Words：the brushless DC motor； Hall signal detection；double-loop speed regulation；mosfet driver 目 录1 概述11.1课题背景与研究意义11.2无刷直流电动机的发展概况11.3本文的主要研究内容22 直流无刷电动机结构特点及基本工作原理32.1直流无刷电动机的基本结构32.2无刷直流电动机的运行特性52.2.1 机械特性52.2.2 调节特性62.2.3 工作特性72.3 无刷直流电动机的应用与研究动向82.4小结93 直流无刷电动机控制系统的整体方案设计103.1系统总体设计方案103.2主电路的设计113.3 MOSFET的驱动电路设计123.3 .1驱动电路分类133.3.2高端功率MOSFET驱动电路143.4控制单元设计173.4.1 MC33035无刷直流电动机控制器集成电路简介183.4.2电流检测模块设计223.4.3速度闭环设计233.4.4误差放大器设计243.4.5振荡器设计243.5控制器的开环电路设计253.6控制器的闭环电路设计263.7 小结274 本文总结28参考文献29附录1：系统电路图30附录2：简易速度闭环电路31附录332致谢39 39天津职业技术师范大学2013届本科生毕业设计（论文）1 概述1.1课题背景与研究意义直流电机具有线性机械特性优秀、起动转矩较大、调速范围宽、控制电路结构简单等优点。在各种驱动装置和伺服系统中都广泛使用直流电机，但是直流电机的换向器和电刷是电机更好发展的一个阻碍。在直流电机中，机械的电刷和换向器因强迫性接触，导致其可靠性差、接触电阻变化、结构复杂、噪声等问题影响直流电动机的调速精度和性能。因此，长久以来，人们都围绕这些方面研究，以求解决根本问题。通过这些年的研究和探索，随着电子技术的进步和新型材料的出现，无刷直流电动机终于问世了。无刷直流电动机用电子的换向器代替了机械的换向器和电刷，优越了电机的性能，同时保留了直流电动机的种种优点，所以它一经问世就得到了迅速发展和普及应用。近年来，各个国家关于直流无刷电动机的研究都十分活跃。我国稀土资源十分丰富，采用永磁材料激磁以及高性能稀土永磁材料，可很大程度上提高电机效率，缩小电动机体积。MC33035是安森美半导体推出的第二代无刷直流电机的专用控制器，其中包括了实现全新性能三相或四相电机开环控制系统所需要的一切功能。MC33035中有一个用于确定换相顺序的转子位置译码器、可以向传感器供电的温度补偿参考电压、频率可调式锯齿波振荡器、六个MOSFET驱动器。而MC33039是专门设计用于无刷直流电机控制系统的高性能闭环速度控制适配器 ，可实现精准的速度调变同时不需要光电测速计。MC33035和MC33039配合使用，可简单有效地用于速度闭环控制器中，具有以下特点： 工作性能稳定平衡、保护功能完善、构成的系统所需外围电路简洁明朗、抗干扰能力较强等。1.2无刷直流电动机的发展概况在国外，直流无刷电机发展的初始阶段，人们主要是通过改变电子器件和材料来达到提高无刷直流电机性能的目的。可是先进的技术和材料也不能解决电机低速运转时产生的转矩波动大这个问题。与此同时，人们又把对直流无刷电机研究的方向转移到电子换向与智能控制这两个方面，以求降低产生的转矩波动。在电子换向方面，主要分为：一是对电流的控制，二是对转子位置的检测；关于控制电流一般采用稳频两态和电流分时反馈，而对于转子位置的感应，一般方法是采用位置传感器，为了减轻电路系统的负担，国外的部分专家提出了无位置传感器法。尤其是在1980年，H.Lehuy等人提出了利用转子旋转时定子绕组中产生的感应电动势进行位置检测，这种方法又叫“反电动势法”，1990年，S.Ogasawara提出了续流二极管法：它是通过检测反向并联在驱动功率管上的二极管的导通状态来得出转子的位置，以及一些学者于1994年提出了基于定子磁链估计的检测方法，通过相电压、线电流信号计算出定子绕组各相的磁链，再根据磁链得到转子位置信号。这种方法虽然计算稍显复杂，但是其优点也很显著，其误差小、调速范围广，是一种比较理想的检测方法，在当时国外已经开始应用于实践和应用中。在永磁材料上，人们采用了钕铁硼、杉钻等新型永磁材料。在智能控制的研究方向上，1984年，美国通用电气公司推出了一种先进的智能电动机，引起了国际上各方面的关注，其实这种电机是一种以微处理器作为控制核心的无刷直流电动机，这种电动机具有较宽的调速范围，并且噪声低，效率高，可实现一定程度的“智能”操作，它一经问世就受到了广泛的关注，产品初期用于吊扇，实现无级调速，然后逐步应用于洗衣机、空调器和冰箱等各种家用电器设备，使这些家电完成了省电、多功能、自动控制的工作。再后来，人们把无刷直流电机应用在电子精密设备、工业自动化设备及汽车设备均取得了巨大的成果。进入90年代后，随着微处理器芯片性能的逐渐提高和智能控制理论的快速发展，国外开始采用DSP等微处理器作为控制核心单元，采用先进的智能算法用于开发产品。在直流无刷电机发展的同时，电子换向电路、驱动电路和转子位置检测电路也随着专用集成电路、微处理器、晶体管、传感器等电路原器件的发展而迅速的发展，而MC33035就是其专用集成电路中的重要产品，主要的适用于中小功率的无刷电机控制。1.3本文的主要研究内容本文的的主要研究内容是：了解直流无刷电动机的基本组成，工作原理和控制方式；同时分析安森美MC33035专用控制器的特点和原理，分析其用于无刷电动机控制的主要优势，再最后，重点学习MC33035和MC33039相结合的方法，加上外围的正反转电路、堵转保护电路等，设计出直流无刷电动机的控制电路系统。2 直流无刷电动机结构特点及基本工作原理2.1直流无刷电动机的基本结构1.关于转矩的分析直流无刷永磁电动机主要是由电动机本体、电子开关线路和位置传感器三部分组成。电机本体的电枢绕组为三相星型连接，位置传感器与电机转子同轴，控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生控制信号，控制动信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率开关管，使电机的各相绕组按一定的顺序工作。 图2-1 无刷直流电动机工作原理示意图如图2-1所示，当转子旋转（顺时针）到图a所示的位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T6 导通，即A、B两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从B相绕组流出，经T6回到电源的负极，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子顺时针转动。当转子在空间转过60电角度，到达图b所示位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T2导通，A、C两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从C相绕组流出，经T2回到电源负极。此时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。转子在空间每转过60电角度，逆变器开关就发生一次切换，功率开关管的导通逻辑为T1、T6T1、T2T3、T2T3、T4T5、T4T5、T6T1、T6。在次期间，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。转子在空间每转过60电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的磁状态就发生一次跃变。可见，电机有6种磁状态，每一状态有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120电角度。无刷直流电动机的这种工作方式叫两相导通星型三相六状态，这是无刷直流电动机最常用的一种工作方式。2无刷直流电动机与输出开关管换流信号 无刷直流电动机的位置一般采用三个在空间上相隔120电角度的霍尔位置传感器进行检测，当位于霍尔传感器位置处的磁场极性发生变化时，传感器的输出电平将发生改变，由于三个霍尔传感器位检测元件的位置在空间上各差120电角度，因此从这三个检测元件输出端可以获得三个在时间上互差120度、宽度为180度的电平信号，分别用A、B、C来表示，如图2-3所示，以信号A为例，A相位置宽度为180电导角：在0-60度，T1必须导通，故T1状态为1，而C相还剩下60度通电宽度，所以此段时间为T1和T6等于1，（此时下部可供导通的管子为T4、 T6和T2，而为避免桥臂直通，T4不能导通；T2的导通时间未到，故只能是T6导通）；而在60度120度，此时只有A相通电，B和C相处于非导电期，故导通的开关管为T1和T2（T1和T2等于1），其中T2是为B相导电作准备；而在120度180度时，由于 每一相只有120电导角导电时间，故此时T1关断（T1=0），T2仍然导通（B相开始进入导电期），此时可知，T1关断，T5不能开通（防止桥臂直通），则此时只能开通T3，所以T3信号此时间段为1。其他时间段的开关管导通情况与此类似。理论上，只要保证三个位置传感器在空间上互差120度，开关管的换流时刻总是可以推算出来的。然而，为了简化控制电路，每个霍尔传感器的起始安装位置在各自相绕组的基准点（r0=00）上.那么在r0=00的控制条件下，A相绕组开始通电的时刻（即该相反电势相位30度位置）恰好与A相位置传感器输出信号A的电平跳变时刻重合，此时应将T1开关管驱动导通。同理，其他开关管的导通时刻也可以按同样方法确定。本设计选用的是三相无刷永磁直流电动机，其额定电压UH=36V,电枢额定电流IaH=8.5A,电枢峰值电流IaP15A,额定转速nH=350r/min,额定功率PH=250W。 图2-2 无刷电动机位置检测及开关管驱动信号表2-1无刷电动机直流通电控制方式开关切换表旋转方向位置传感器逆变桥开关管驱动信号ABCT1T2T3T4T5T6正转001000011010001100011000110100110000101100001110011000反转0010110000101000010111100001000001101010011001100000112.2无刷直流电动机的运行特性2.2.1 机械特性 无刷直流电动机的机械特性为： （2-1）-开关器件的管压降-电枢电流-电机的电动势常数-每级磁通量可见无刷直流电动机的机械特性与一般直流电动机的机械特性表达式相同，机械特性较硬。在不同的供电电压驱动下，可以得到如2-4图所示机械特性曲线簇。图2-4 机械特性曲线簇当电机的转速较低、转矩较大时，流过电枢绕组和开关管的电流很大，这时，管压降随着电流增大而增加较快，使在电枢绕组上的电压有所减小，因而图所示的机械特性曲线会偏离直线，向下弯曲。2.2.2 调节特性无刷直流电动机的调节特性如图2-5所示。图2-5 调节特性调节特性的始动电压和斜率分别为： （2-2） （2-3）从调节特性和机械特性可以看出，无刷直流电动机具有良好的调速控制性能，可以通过调节电源电压实现无级调速。因为永磁体的励磁磁场不可调，所以不能调节励磁调速。2.2.3 工作特性电枢电流与输出转矩的关系、效率输出转矩的关系如图2-6所示。图2-6 工作特性在输出额定转矩时,电机效率高、损耗低是无刷直流电动机的重要特点之一。2.3 无刷直流电动机的应用与研究动向现阶段，在传动应用中直流和交流电动机虽然占的比例比较高，但无刷直流电动机正受到普遍的关注。自20世纪90年代以来，随着人们生活水平的提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都越来越趋向于高效率化、小型化及高智能化。作为执行元件的重要组成部分，电机必须具有精度高、速度快、效率高等特点，无刷直流电机的应用也因此而迅速增长。尤其在节能已成为时代主题的今天，无刷直流电机高效率的特点更显示了其巨大的应用价值。无刷直流电机转子采用永久磁铁，其产生的气隙磁通保持为常值，因而特别适用于恒转矩运行；对于恒功率运行，无刷直流电机虽然不能直接改变磁通实现弱磁控制，但通过控制方法的改进也可以获得弱磁控制的效果。由于稀土永磁材料的矫顽力高、剩磁大，可产生很大的气隙磁通，这样可以大大缩小转子半径，减小转子的转动惯量，因而在要求有良好的静态特性和高动态响应的伺服驱动系统中，如数控机床、机器人等应用中，无刷直流电机比交流伺服电机和直流伺服电机显示了更多的优越性。目前无刷直流电机的应用范围已遍及国民经济的各个领域，并日趋广泛，特别是在家用电器、电动汽车、航空航天等领域已得到大量应用。目前，无刷直流电机的研究主要集中在以下方面：（1）无机械式转子位置传感器控制。转子位置传感器是整个驱动系统中最为脆弱的部件，不仅增加了系统的成本和复杂性，而且降低系统的可靠性和抗干扰能力，同时还需要占据一定的空间位置。在很多应用场合，例如空调器和计算机外设都要求无刷直流电动机以无转子位置传感器方式运行。无转子位置传感器运行实际上就是要求在不采用机械传感器的条件下，利用电机的电压和电流信息获得转子磁极的位置.目前比较成熟的无转子位置传感器运行方式有：1 反电动势法包括直接反电动势法、间接反电动势法以及派生出来的反电动势积分法等。2 定子三次谐波检测法。3 续流二极管电流通路检测法。但现有方法都存在各自的局限性，仍在不断完善之中。（1）转矩脉动控制。存在转矩脉动是无刷直流电动机的固有缺点，特别是随着转速升高，换相导致转矩脉动加剧，并使平均转矩显著下降。减小转矩脉动是提高无刷直流电动机性能的重要方面。2.4小结本章主要讲述了直流无刷电动的基本构成，同时阐述了直流无刷电机的基本工作原理以及电机的所具有的运行特性。通过这些为深入学习无刷直流电机的控制奠定一定的基础。3 直流无刷电动机控制系统的整体方案设计3.1系统总体设计方案直流无刷电机控制系统主要由电源电路、给定电路、电压和电流检测电路、功率管驱动及保护电路、直流无刷电机位置信号检测环节以及控制电路和其外围电路组成。各个电路之间的连接关系以及能量和信号的传输方向如图3-1 所示。 图3-1 系统框图图3-1 描述了硬件系统各部分之间的关联，图中箭头表示能量、控制或检测信号的传送方向。当系统处在运行状态时，通过外部输入设备（如开关、滑动变阻器等）向控制器发送运行指令（如正转、反转、加速等），并且载入运行参数。根据外部检测到的电机的位置信号以及电机所处的运行状态来改变控制器输出的控制信号从而调整电机的运行状态。电压检测环节主要是实现电机运行时的保护（如过压、欠压、以及能量回馈制动方式运行等）。电流检测环节主要是实现转速、电流双闭环控制和过流保护，从外部检测到的电流信号经过采样后，送到控制单元，控制单元根据检测电流的大小来决定时序信号的输出与否，当出现过流故障时，时序电路会停止输出控制信号，电机停转。当堵转时，电流检测电路会给检测电容充电，当堵转的时间够长时，封锁电机转动开关信号，起到堵转保护的作用。位置信号的检测在本系统中主要实现两个功能，一是检测转子位置，为控制单元提供准确的位置信号，实现开关管的正确换相；此外它还起到转速测量的作用，根据转子每换相一次转过固定的电角度，和电机转子磁极对数，系统利用F/V变换器，把转子的位置信号转换成电压信号，转速越快，电压越大。模拟量信号被加入到控制器内部的比较器输入端，当电压大时，控制器会减小输出脉宽，通过减小输出电流的方式来降低电动机的转速，从而达到速度闭环的目的。下面将具体介绍系统硬件的各个模块的设计方案以及所实现的主要功能。3.2主电路的设计主电路主要由逆变电路构成，与电动机的联结关系如图3-2 所示，图中直流无刷电机额定功率为 50W，电枢绕组 Y 连接。功率逆变电路采用三相全桥逆变电路 在直流无刷电动机的控制系统里，开关器件一般都选用全控型器件如 GTR、GTO、功率 MOSFET、IGBT 等。它们在耐压、容量、开关速度等方面的差异很大，需要根据实际情况进行选取。首先逆变器的开关频率很高，功率开关元件不宜采用晶闸管，而双极型大功率晶体管虽然在大电流导通时其导通电阻很小，但却要求较大的驱动功率，其开关速度也要比 MOSFET、IGBT 低。MOSFET 是一种多数载流子器件，无少数载流子的存储效应，因此开关速度快，而且 MOSFET 是一种理想的电压控制器件，驱动电路较为简单，MOSFET 没有二次击穿现象，工作安全区大，因此 MOSFET 特别适于高频变流装置，只是在高压大电流的情况下导通电阻较大，器件发热稍大。绝缘基极双极型大功率晶体管（IGBT）则是集 MOSFET 的电压控制与双极型大功率晶体管的大电流、低导通电阻的特点于一体的新型复合场控器件，它还保持了高速、低开关损耗、对温度不敏感等特点。相同面积芯片制作的 IGBT，其最大输出电流可比MOSFET 的输出电流增加两倍以上。根据电路要求，电机电源为24V,功率为50W,属于小功率电动机。本设计选用型号为RF540的MOSFET，耐压 200V，在保证参数余量的前提下降低了使用成本。图3-2 主功率电路3.3 MOSFET的驱动电路设计尽管功率MOSFET较其他功率开关器件容易驱动，但为了避免器件受损，同时也为了得到最佳控制性能，设计驱动电路时应具备以下要求:1. 栅极电压的限制如果栅极电压超过20V,即使电流被限制到很小值，栅源间的氧化层也很容易被击穿。由于该氧化层的击穿是器件失效的最常见原因之一，应该注意使栅源电压不超过最大额定电压。而且，即使所加栅极电压保持低于栅源间的的最大额定电压，栅极连线的寄生电感和栅极电容藕合也会产生使该氧化层毁坏的振荡电压。通过漏栅自身电容，还能把漏极电路瞬变造成的过电压藕合过来。栅源电压不能过高的另一个原因是:随着栅源电压的升高，功率MOSFET开通关断的充放电的时间就会加长，开关速度就会降低。但是栅源电压也不能太低，原因有2个:一是功率MOSFET的通态电阻是栅源电压的函数，随着栅源电压的下降而增大，通态电阻的增大使得通态损耗增大;二是栅源电压过低，抗干扰能力差，容易误关断。根据以上综合考虑，一般选择栅源电压为10-18V，本文取15V。2. 栅极电路的阻抗对一于一个己导通的器件，不管在线性区还是饱和区，必定是要有一定的电荷被送到栅极上，使其达到预期的电压。理想上，达此目的的最好办法就是借助一个电压源，它能在尽可能短的时间内提供任何量值的电流。如果器件用作开关运行，驱动电路具有供出大的瞬态电流的能力，这将减小处于线性区的时间，因而减小开关损耗。另一方面，如果器件工作在线性模式，栅极驱动电路具有比较大的电流容量将把与“密勒”效应相关的现象减至最小，从而改善本极带宽和减小协波失真。在某些电路结构中，即使其性能无关紧要，为使栅极上的有害瞬变电压.达到最低，使栅极驱动电路的阻抗减至最小也是重要的。在功率MOSFET的应用中，经常是上下桥臂串联，同一桥臂上的另一个器件的漏极或源极施加一个阶跃电压，此电压经栅漏电容藕合到栅极上，该电压可以大到使下常工作在关断状态时的功率MOSFET误导通，或使正常工作在导通状态的功率MOSFET误关断。减小驱动电阻的内阻抗，这种危险就会减小，直至消失。3.具有对“地”可浮动的直流电源栅极驱动电压是对功率MOSFET源极的电压，而不是对“地”的电压。在功率MOSFET的应用中，功率MOSFET经常连接成桥臂的形式。上桥臂的功率MOSFET的源极是连接在下桥臂的功率MOSFET的漏极上，这样上桥臂的功率MOSFET的驱动电路的“地”就不能连在下桥臂的“地”上。这就需要一个独立的直流电源给上桥臂的驱动电路供电。由于本系统采用桥式电路，所以后面将对其做详细介绍。4.触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度。5.开通时以低电阻为栅极电容充电，关断时为栅极提供低电阻放电回路，以提高功率MOSFET的开关速度。6.为了使功率MOSFET可靠触发导通，触发脉冲电压应高于管子的开启电压.为了防止误导通，在其截止时应提供负的栅源电压。7.功率开关管开关时所需驱动电流为栅极电容的充放电电流，功率管极间电容越大，所需电流越大，即带负载能力越大。8.功率MOSFET并联应用时，电路除了满足通常的驱动要求外，还应特别注意:具有足够的峰值驱动功率，较高的开通关断速度。3.3 .1驱动电路分类按驱动电路与栅极的连接方式可分为:直接驱动和隔离驱动。直接驱动分为TTL驱动、互补输出驱动和CMOS驱动三种方式;隔离驱动分为电磁隔离和光电隔离两种。直接驱动中常用互补输出驱动，它们被称为图腾柱，如图3-3所示，由一对NPN-PNP晶体管组成的互补输出电路，采用这种电路不但可以提高开通时的速度，还可以提高关断速度。在这种电路中，晶体管是作为射极跟随器工作的，不会出现饱和，因而不影响功率MOSFET的开关频率。图3-3 互补驱动电路 在实际线路中，驱动信号与MOSFET的连接一般要做电气上的隔离，如主回路为桥型结构时，上、下桥臂的驱动信号是不共地的。驱动信号的隔离方式有多种，其中最主要的是脉冲变压器隔离和光电祸合器隔离。采用变压器隔离的驱动电路一般为无源驱动电路，它具有信号传输时延小，适合于高频开关的特点。但是，这种隔离方式的最大缺点是驱动信号的宽度受变压器饱和限制。要解决这一问题必须增加线路的复杂程度，而且脉冲变压器的制作工艺要求较高。采用光电祸合器隔离的驱动电路是有源驱动电路，它需要独立的电源，驱动电路的时延可以根据主回路开关频率的要求选择相应工作速度的光电藕合器来达到要求，驱动信号的宽度不受限制。但是这种隔离方式由于需要独立电源而电路较复杂，且由于高速光电藕合器的价格使驱动回路的成本较高。另外，一般光电耦合器初次级之间的分布电容藕合到控制回路，造成误触发。一个大电流关断电路可以很快的对输入电容放电，提供短的开关时间因而开关损耗低。对于常用的N沟道器件，大的放电电流可以通过低输出阻抗驱动器或负的驱动电压而得到。快的开关速度可以降低开关损耗，但关断加速电路由于MOSFET高的关断di/dt和dv/dt会使波形产生振铃。所以在选择功率器件时应考虑选择合适的电压等级。加速驱动电路有以下几种方式：1.关断二极管加速关断电路（图3-3中的D元件）；2.局部PNP关断电路；3. NPN关断电路；4. NMOS关断电路。本章对加速驱动电路不做详细介绍，下面重点介绍高端功率MOSFET驱动电路。3.3.2高端功率MOSFET驱动电路功率MOSFET因耐压较高，导通电流大以及低廉的价格而获得了广泛的应用。在有些应用场合，需要功率MOSFET用作高压侧开关，漏极接到高压干线，负载或功率器件接在源极，如图12所示。为保证MOSFET饱和导通，要求栅极驱动电压比漏极电压高10-15V。栅极控制电压一般以地为参考点，因此栅极电压必定高于干线电压，其可能是系统中最高的电压，控制信号必须转换电平，使其为高压侧源极电位。同时要求栅极驱动电路功率不会显著地影响总效率。 图3-4 高压浮动MOSFET应用电路 a) 隔离电源法基本电路 b) 脉冲变压器法基本电路 c) 电荷泵法基本电路 d) 自举电路法基本电路图3-5 高压浮动MOSFET驱动常用技术1.隔离电源法 采用隔离电源法对MOSFET栅极驱动的电路如图3-5 a)所示。隔离电源的地与MOSFET源极相接，栅源电压Ugs为隔离电源电压，因此能够保证MOSFET饱和导通。该驱动方法对控制信号开关周期没有要求，能够对栅极进行连续驱动。但每个高压侧MOSFET需要一个隔离电源，电路成本较高，同时需要将以地为参考点的信号进行电平转换，电平转换器必须承受全部电压，要求低功耗快速开关。一般要求下可以采用光电隔离器。2.脉冲变压器法脉冲变压器法电路如图3-5 b)所示。采用脉冲变压器隔离驱动，电路结构简单，成本适中.但其应用在许多方面受到限制。开关频率较低时，脉冲变压器尺寸显著增大;开关频率较高时，由于脉冲变压器的寄生参数不能忽视，波形变得不够理想;如果在很宽的占空比范围内工作时，应用技术复杂;不能对栅极做连续控制。3电荷泵法充电泵式电路结构如图3-5 c)所示。利用电平控制MOSFET的开启，当MOSFET被开启后，以充电泵驱动栅极来产生过干线电压。该电路同样需要电平转换，同时MOSFET开启时间较长，可能需要两级泵激励，才能保证MOSFET饱和驱动。该驱动方法对控制信号开关周期没有要求，能够对栅极进行连续驱动，成本较低。但是开关速度较慢，不适合高频应用场合。4.自举法自举法电路如图3-5d)所示。通过自举电容产生过干线电压。当高端功率MOSFET关断时，电源Vcc。通过自举二极管D向自举电容C充电，功率MOSFET驱动电路研究C就成为驱动器的浮动电源。当高端功率MOSFET导通时，自举电源将超过直流母线电压，自举二极管截止。自举电容C的值应大于功率MOSFET栅极电容的10倍，驱动器向栅极充电后，将使电容上的电压下降约10%，在导通期间还将继续下降，故自举法不适合静态开关。该方法简单，价格便宜，但占空比和开启时间受自举电容刷新时间的限制，要求控制信号开关频率在几十赫兹以上，而且自举电容的值必须十分精确。控制信号需要进行电平转换。通过分析和计算，本系统采用自举电路法来实现高端MOSFET驱动，这种电路结构简单，价格便宜，不需要隔离电源，但分立元件搭建的自举电路稳定性不够好，所以系统采用IR公司生产的集成自举芯片（图3-6）来完成驱动电路的设计。 a) 分立元件驱动电路 b) 专用驱动集成芯片图3-6 MOSFET专用驱动集成芯片图3-7 换向电路的一个桥臂及其驱动电路逆变电路中其中一个半桥结构原理图如图3-7所示，由2个功能模块组成。驱动控制芯片采用IR2110，电力电子器件采用IRF540，续流二极管采用FER307。（1）电力电子器件的驱动 完成对逆变电路中电力电子器件的驱动。驱动控制芯片采用IR2110本身具备自具功能，所以上桥驱动信号不需要隔离。（2）逆变主回路 该全桥结构包含6个功率MOSFET，为了减小MOSFET中寄生二极管的影响每个器件分别串并了一个快速恢复二极管。3.4控制单元设计根据技术要求 控制器是以专用芯片MC33035和 MC33039来进行设计。位置反馈采用霍尔传感器。设计有转速反馈闭环控制、正反转、过电流保护等。根据技术要求 , 以 MC33035为核心构成的控制系统采用 PWM方式控制电机的转矩和转速 , 采用电机内置的霍尔传感器检测转子位置。由MC33035接收霍尔传感器的位置信号 , 并对其进行译码 , 对应的真值见表3-1。 表3-1 三相六步换向表真值表以电机驱动芯片MC33039作为功率变换元件 , 采用三相全桥驱动。整个控制系统采用闭环控制。控制框图如图3-8所示。外环是速度环 , 内环是电流环 , 均采用 P I 控制 , 以消除静差。电机刚起动时 , 系统基本上为恒流控制 , 即内环起作用 , 当转速达到一定值后 , 系统基本表现为一个恒转速系统。这样既能保证系统起动时响应速度快 , 整体上又是一个无静差系统 , 能达到很高的控制精度。图3-8 闭环控制系统框图3.4.1 MC33035无刷直流电动机控制器集成电路简介MC33035是美国安森美半导体公司的高性能第二代单片无刷直流电动机控制器，包含实现一个全性能三相或四相电动机开环控制系统所需的全部功能。此器件有一个用于确定换向顺序的转子位置译码器、可向传感器供电的温度补偿参考电压、频率可调锯齿波振荡器、三个集电极开路高压侧驱动器和三个特别适用于驱动电力MOSFET的大电流图腾柱输出电路低压侧驱动器。包括的保护功能有欠压锁定、用可选延时锁存关断模式的逐周限流、内部过热关断以及独特的故障输出，可与微处理器控制系统接口。典型的电动机控制功能包括开环速度、正向或反向、运行使能以及能耗制动。还设计了用于传感器电气相位为60/300 或120/240 的无刷直流电动机运行，也可有效地控制有刷直流电动机。主要特点有： 10到30伏宽工作电压 欠压锁定功能 可作为传感器电源的6.25伏参考电压 完全可访问的误差放大器，用于闭环伺服应用 大电流驱动器，可控制3相MOSFET桥 逐周限流 带电流检测参考的引脚 内部热关断 可选60300 或l20 240 传感器相位 也可与外部MOSFET半桥有效地控制有刷直流电动机管脚图排列如图3-9所示，各管脚功能如表3-2所示。 图3-9 MC33035俯视图表3-2 MC33035管脚功能图管脚符号描述1,2,24BT,AT,CT这三个集电极开路顶端驱动输出设备，用于驱动外部顶端功率开关晶体管3正向/反向正向/反向输入用于改变电机转向4,5,6SA,SB,SC这三个传感器输入控制整流序列7输出使能此输入为逻辑高电平时，电机运转，为低电平时，电机停转。8参考输出为振荡器定时电容CT提供电源并为误差放大器提供参考电压，向传感器供电。9电流检测同向输入在一个给定的振荡器周期中，一个相对于管脚15为100mV的信号终止输出开关导通。通过长此管脚连接至电流检测电阻的上端。10振荡器振荡频率由RT 和CT选择的参数所决定11误差放大器同向输入输入通常情况下连接到速度设置定位器。12误差放大器反向输入在开环应用情况下，此输入通常连接到误差放大器输出。13误差放大器输出/PWM输入在闭环应用情况下，此管脚用做补偿。14错误指示输出这个集电极开路输出在下列至少一种条件下显示低电位：无效的传感器输入代码，输出使能为逻辑0，电流检测输入大于100mV(管脚9对应于管脚15)，欠压锁定动作，及热关断。15电流检测反向输入对应内部100mV门限电压的参考管脚。通常此管脚连接至电流检测电阻下端。16地该管脚为控制电路提供一个接地，并可以作为参考返回至电源地。17VCC此管脚为控制IC的正电源。当VCC在10V到30V的范围内，控制器均可正常工作。18VC底部驱动输出的高电平状态（VOH）是由加到该管脚的电压得到。当VC在10V到30V的范围内，控制器均可正常工作。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开关晶体管。2260/120选择此管脚的电气状态决定控制电路工作在60（高电平状态）或120（低电平状态）传感器电气相位输入。23制动输入输入为逻辑低时允许电机转动；为逻辑高时电机不允许工作，如是在工作时则立即减速。图3-10 典型电路框图内置转子位置译码器监控三个传感器输入(管脚4，5，6)以提供顶端、底部驱动输入的正确时序。传感器输入被设计为直接与集电极开路类型霍尔效应开关或者光开槽耦合器连接。包含了内置上拉电阻以使所需的外部器件最少。输入与门限典型值为2.2V的TTL电平兼容，MC33035系列被设计用于控制三相电机，并可在最常见的四种传感器相位下工作。提供的60/l20选择(管脚22)可使MC33035很方便地控制具有60，l20，240或300的传感器相位的电机，对于三个传感器输入，有八种可能的输入编码组合，其中六种是有效的转子位置，另外两种编码组合无效，通常是由于传感器的开路或者短路所致，利用6个有效输入编码，译码器可以在使用60度电气相位的窗口内分辨出电机转子的位置。正向/反向输出(管脚3)通过翻转定子绕组上的电压用来改变电机转向。当输入改变了状态，一个指定的传感器输入编码从高电平变为低电平(例如100)，具相同字母标识的可用顶部和底部驱动输出将互相转换(AT变AB，BT变BB，CT变CB)。实际上，整流时序被反向，电机改变旋转方向。 电机通/断控制由输出使能(管脚7)实现，当该管脚开路时，内部的25A电源电流将会启动顶部和底部驱动输出时序。接地时，顶端驱动输出关闭并且底部驱动强制为低，使电动机停转，错误指示产生输出。阻尼式的电机制动功能让最终产品的设计增加了新的安全保证。当制动输入(管脚23)接高电位时，实施制动。此时顶部驱动输出全部关断，底部驱动全部接通，电机短接产生EMF。制动输入较所有的其它输入具有无条件的优先权。内置的40k上拉电阻保证在开路或断开的情况下实施制动，简化了与系统安全开关的接口，图20显示的是换向逻辑真值表。四个输入或非门电路用于检测制动输入及三个顶部驱动输出晶体管的输入。其目的是当顶部驱动输出达到高电位时，才能制动，防止顶部和底部电源同时开关导通。在半波电动机驱动应用中，不需要顶端驱动输出，通常情况为令其不连接。在此情况下，因或非门是将底部电压传感到顶部驱动输出的晶体管，仍然是制动状态。3.4.2电流检测模块设计采用分流电阻进行电流检测的电路示意图如图3-11所示。功率驱动桥的下端与功率板地线之间所接的是分流电阻。因为比较器的正相输入端连接在 MC33035的管脚 9内部 , 因此该比较器的反相输入端可为芯片内部提供 100 mV的标准电压。分流电阻的阻值一般比较小。本设计中采用康铜丝来代替 , 取值为 0.05 /3W。事实上 , 由分压关系可得:式中 ,为电机最大允许电流（设为10A）; 为分流电阻; 100 （mV）代表的是过流检测比较器的反相输入端的输入电压。管脚 9的输入电压为过流检测比较器的正相输入端. 这样 , 通过选择合适的、 （阻值尽量大）的值 , 并满足以上关系 , 便能起到很好的过流保护作用。对于本设计: = （100.05）/0.1-1= 4。这样 , 可取 为 120 , 为 30 。 图3-11 电流检测电路3.4.3速度闭环设计MC33039是专为无刷直流电动机闭环速度控制设计的集成电路。系统不必使用高价的电磁式或光电测速机 , 就可实现精确调速控制。它直接利用三相无刷直流电动机转子位置传感器 3个输出信号 , 经 变换成正