无刷直流电机控制新版系统的设计.doc

1 引言无刷直流电机最本质特征是没有机械换向器和电刷所组成机械接触式换向机构。现在，无刷直流电机定义有俩种：一个是方波/梯形波直流电机才能够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时电机。另一个是方波/梯形波直流电机和正弦波直流电机全部是无刷直流电机。国际电器制造业协会在1987年将无刷直流电机定义为“一个转子为永磁体，带转子位置信号，经过电子换相控制自同时旋转电机”，其换相电路能够是独立或集成于电机本体上。此次设计采取第一个定义，把含有方波/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，因为大家生活水平不停提升和现代化生产、办公自动化发展，家用电器、工业机器人等设备全部向着高效率化、小型化及高智能化发展，电机作为设备关键组成部分，必需含有精度高、速度快、效率高等优点，所以无刷直流电机应用也发展快速1。1.1 无刷直流电机发展概况无刷直流电动机是由有刷直流电动机基础上发展过来。19世纪40年代，第一台直流电动机研制成功，经过70多年不停发展，直流电机进入成熟阶段，而且利用广泛。1955年，美国D.Harrison申请了用晶体管换相线路替换有刷直流电动机机械电刷专利，形成了现代无刷直流电动机雏形。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发觉，标志着真正无刷直流电机出现。20世纪70年代初，德国人Blaschke提出矢量控制理论，无刷直流电机性能控制水平得到深入提升，极大地推进了电机在高性能领域应用。1987年，在北京举行德国金属加工设备展览会上，西门子和博世两企业展出了永磁自同时伺服系统和驱动器，引发了中国相关学者注意，自此中国开始了研制和开发电机控制系统和驱动热潮。现在，中国无刷直流电机系列产品越来越多，形成了生产规模。无刷直流电动机发展关键取决于电子电力技术发展，无刷直流电机发展早期，因为大功率开关器件发展处于初级阶段，性能差，价格贵，而且受永磁材料和驱动控制技术约束，这让无刷直流电动机问世以后很长一段时间内，全部停留在试验阶段，无法推广到实际中使用，1970年以后，半导体快速发展，很多新型全控型半导体功率器件（如MOSFET、IGBT等）不停出现，而且高性能永磁材料（如SmCo、NsFeB）陆续出现2，这些全部为无刷直流电机广泛应用提供了有利条件。因为无刷直流电机广泛使用，无刷直流电机理论也不停得到修改完善。1986年，H.R.Bolton对无刷直流电机作了系统总结，这么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 无刷直流电机结构 无刷直流电机关键由用永磁材料制造转子、带有线圈绕组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，定子和转子结构相同（原来定子变为转子，转子变为定子），绕组接线一样3。然而，结构上有显著区分：无刷直流电机没有有刷直流电机中换向器和电刷，取而代之是位置传感器。这么，电机结构简单，降低了电机制造和维护成本，但无刷直流电机不会自动换相，这使电机控制器成本提升。 图1.1 无刷直流电机模型图1.1所表示为小功率三相、星形连接无刷直流电机，定子在内，转子在外，结构和直流电机很相同。另一个无刷直流电机结构刚好相反，转子在内，定子在外。1.2.2 无刷直流电机工作原理无刷直流电机定子是线圈绕组，转子是永磁体。检测电机转子位置，依据转子位置给电机对应线圈通电，使定子产生方向均匀改变旋转磁场，转子才能够跟着磁场转动起来。 图1.2 无刷直流电机转动原理图1.2所表示为无刷直流电机转动原理示意图，定子线圈一端接电源，其它三相接功率管，位置传感器导通时功率管G极接+12V，功率管导通，对应相线圈通电。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，从而定子产生磁场不停地改变，电机转子也转动起来，这就是无刷直流电机转动原理。1.2.3 无刷直流电机磁路结构和定子绕组磁路是指磁通能经过路径，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，对应定子绕组也增加，但不需要增加驱动电路数目。主磁场通常由转子永磁体产生，从S极回到N极而闭合。绕组是指根据一定规律连接起来一组线圈总体。绕组导电以后，和转子产生磁场相互作用，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 无刷直流电机应用多年来，中国中小型电机和微特电机行业发展快速，是因为其本身含有高效率、寿命长、低噪音和很好转矩-转速特征优点。尤其在汽车、航空、家用电器等行业中发展很好15。车用无刷直流电机：电机能够作为驱动关键部件，而且还能够用在汽车空调、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：利用电机驱动设备替换气动和液压传动装置已成为航空航天发展中一个趋势。航空航天电机因为其应用场所特殊性，通常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应用：家用电气电子驱动电机每十二个月约30%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。空调和冰箱中全部有压缩机电机，传统压缩机通常是异步电机，其效率和功率因数较低，采取变频技术以后，情况有所改善。VCD、DVD、CD机等家用电器主轴驱动电机也使用无刷直流电机，这类电机通常采取盘式无铁心电机结构，现已经大规模生产，价格廉价。无刷直流电机不仅能克服传统家用电机部分缺点，给大家居家生活带来更高舒适性，还能降低能源耗损，愈加好实现能源可连续利用。无刷直流电机在办公自动化中应用：计算机外设和办公自动化设备用电机，绝大部分为优异制造技术和新兴微电子技术相结合高级精密无刷直流电机，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采取能大大改善产品质量，提升产品价值。无刷直流电机在数码相机上也得到广泛应用，如日本TOSHIBA和SANYO企业已生产出无刷直流电机驱动相机。无刷直流电机驱动激光打印机产品也已经有了较长历史，它转速能够在每分钟几千到几万转范围内正确控制，含有很好技术和市场竞争力。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应用7 10。1.4 无刷直流电机发展趋势 新电子技术、新器件、新材料及新控制方法出现将深入推进无刷直流电机发展和应用11 14。 (1) 电子电力及微处理器技术对无刷直流电机发展影响 这使电机向小型化和集成化、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影响 电机小型化、轻量化及高效化和磁性材料发展息息相关。每当出现新永磁材料，就会使电机结构和功效出现新变革，促进电机设计理论、计算方法和结构工艺研制水平提升到一个新台阶。 (3) 新型无刷直流电机开发 在无刷直流电机控制系统中，速度和转矩波动一直是需要深入处理问题，尤其是用于视听设备、航空电气、计算机中无刷直流电机，更要求其含有运行平稳、精度高、噪声小等特点。总而言之从结构上研究和开发新型电机肯定是以后无刷直流电机发展方向之一。 (4) 优异控制策略应用 现代工业中对电机性能要求越来越高，无刷直流电机性能改善能够经过电机本体优化设计及电力电子装置控制来实现，也能够利用多种优异控制策略来实现。全方面实现无刷直流电机控制系统朝微型化、轻量化、高智能化和节能化方向发展。1.5 本设计课题任务和内容 (1) 学习无刷直流电机基础原理、磁路结构、定子绕组特点和设计计算方法。(2) 研究和讨论经典三相无刷直流电机运行控制方法和检测方法及仿真。(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) 采取专用集成电路实现三相无刷直流电机换相、正反转和PWM转速控制。 (5) 采取Protel 99SE绘出多个运行控制方法和检测方法电气原理图。 (6) 绘出专用集成电路控制方法PCB图和三维仿真图。(7) 三相无刷直流电机多个运行控制方法和检测方法讨论。1.6 本章总结本章介绍了无刷直流电机发展、结构、工作原理、应用及发展趋势，最终明确了本课题设计任务和内容。2 无刷直流电机控制系统设计方案2.1 无刷直流电机控制系统设计 专用芯片控制无刷直流电机控制系统关键由硬件部分组成。硬件部分由电源路、驱动电路、微处理器控制电路和保护电路等组成。图2.1有位置传感器无刷直流电机硬件系统框图，现对无刷直流电动机各部分基础结构说明以下。图2.1 有位置传感器无刷直流电机硬件系统框图(1) 电源路电源路关键由直流电源组成。(2) 驱动电路目前，无刷直流电动机驱动桥通常利用6个IGBT或MOSFET等器件组成全控桥，或用3个IGBT或MOSFET等器件组成半控桥，为了提升驱动桥可靠性能够使用集成功率模块和智能功率模块。IR2110芯片关键有三个功效：逻辑输入;电平平移及输出保护。IR2110特点，能够为装置设计带来很多方便。尤其是高端悬浮自举电源设计，能够大大降低驱动电源数目，即一组电源即可实现对上下端控制。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和定子绕组位置信号，为驱动桥提供换相信号。位置检测包含有位置传感器和无位置传感器检测两种方法。转子位置传感器由定子和转子两部分组成，转子和电机本体同轴，跟踪电机本体转子磁极位置；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。霍尔元件按功效分可分来线性霍尔元件和开关霍尔元件。前者输出模拟量，以后输出数字量。线性霍尔元件精度高、线性度好，温度范围宽；开关霍尔元件无触点、无磨损、输出小形清楚、无抖动、无回跳、位置反复精度高、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多种调速伺服功效指挥中心，它关键完成以下功效：（a）可控制电机正反转；（b）实现电机刹车制动；（c）启停功效；（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 因为在电机开启时，转速比较低，反电动势很小，开启电流大，对电机损害较大，必需要设计保护电路，避免设备短路、过载和防治电缆线路短路。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和结构简单无需定时修护特点，所以在可靠性高电机调速中得到了广泛认可。在电机转速控制方面，数字调速系统已替换模拟调速系统。目前，数字调速系统关键利用两种控制方案:一个是以单片机为控制关键组成硬件系统。这种方案能够编程控制，应用广范，且方便灵活。另一个采取专用集成电路。这种方案能够降低成本，提升可靠性，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多种伺服功效指挥关键，它关键功效有以下多个:对输入信号进行处理，给驱动电路提供对应控制信号，实现电机正反转、PWM调速、欠压保护和过载保护等。控制器专用芯片是电动车驱动系统，它是电动车关键。其关键作用是确保电动车正常工作，提升电机和蓄电池效率、节省能源、保护电机及蓄电池和降低电动车在受到损伤。现在，市场上常见电动车无刷直流电机控制系统关键采取专用集成电路为主控系统，如MOTOLORA企业研制专用集成电路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替换电刷控制电机线圈电流换相，依据电机内位置传感器信号，决定换相次序和时间，从而决定电机转向和转速。该控制系统缺点是智能性不高，保护方法通常，系统升级空间不大。本设计将采取MC33035作为主控芯片。MC33035为直流无刷电机驱动专用芯片，含有使用方便、价格廉价、抗干扰性强等特点，同时也含有不够灵活、功效实现困难等问题，在应用上有一定限制性需要经过增加附加电路，可改善控制功效和扩展应用。无刷直流电机控制方法关键是有位置和无位置控制两种控制方法。有位置控制方法中，因为霍尔传感器价格廉价，安装方便，作为关键无刷直流电机位置传感器。现在，中国外对无刷直流电机无位置控制方法关键有反电势法、定子三次谐波法等。不过因为无位置控制方法在低速转动时不能够实现正确速度调控，所以现阶段在电动车领域只是处于试验阶段，不能推广到实用中。绕组不一样组合会产生不一样性能和成本。以下三个指标有利于我们做出选择：（1）绕组利用率。不一样于一般直流电动机，无刷直流电动机各相绕组是间断通电。增加通电导体数，电阻下降，效率提升能够提升绕组利用率。三相绕组优于四相和五相绕组。 （2）转矩脉动。无刷直流电动机输出转矩脉动大于一般直流电动机。相数越多，转矩脉动越小。桥式主电路比非桥式主电路转矩脉动小。（3）电路成本。相数越多，驱动桥使用开关管越多，成本就高。桥式全控主电路所用开关管比桥式半控多一倍，成本高；多相电动机驱动桥复杂，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关键采取MC33035专用芯片，霍尔元件，IR2110驱动芯片，场效应管（MOSFET），三相绕组型和Y型接法，对应保护电路等来实现本设计任务要求。硬件设计系统方案框图图2.1。3 无刷直流电动机控制系统硬件设计3.1 专用芯片介绍MC33035是MOTOROLA企业第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，温度赔偿内部电压基准源，误差放大器，频率可调锯齿波振荡器，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。经典功效包含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内部转子位置译码器关键用于监控三个传感器输入,方便系统能够正确提供高端和低端驱动输入正确时序。传感器输入可直接和集电极开路型霍尔效应开关相连接。用MC33035系列产品控制三相电机可在最常见四种传感器相位下工作。MC33035提供60/120选择可使MC33035很方便地控制拥有有60、120、240或300传感器相位电机。这三个传感器输入有八种编码组合,当中六种是有效编码组合,还有两种编码组合无效，经过有效输入编码可使译码器在使用60度电气相位窗口中识别出电机转子目前位置。MC33035无刷直流电机控制器正向/反向输出可经过改变定子绕组上电流方一直改变电机转向。当输入状态改变时,对应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,连接到正电源内置上拉电阻将会开启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电路工作原理和操作方法和其它同类芯片基础相同。3.1.1 MC33035组成，脚管及应用1 MC33035组成（1）转子位置译码器；（2）限流保护电路；（3）温度赔偿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脚管功效说明:图 3.1 MC33035以下表3.1是MC33035各引脚说明:表3.1 MC33035各引脚说明引脚号引脚名称功效说明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。7 OoutputEnable 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 Input 电流检测同向输入。10Oscillator 振荡器引脚，振荡频率由定时元件R和C 所选择参数值决定。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接地点，并能够作为参考返回到电源地。17 Vcc正电源。Vcc在10V30V 范围内，控制器均可正常工作。18Vc 底部驱动输出高端电压是由该管脚提供，它工作范围从10V30V。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。2260/120Select 此管脚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）传感器电气相位输入状态下。23Brake输出使能。该管脚为高时许可马达运行，为低时马达运行停止。3.2 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。俩者优缺点：全桥，控制简单，效率能够做比较高。半桥和全桥差不多，不过效率没全桥那么高，成本比全桥要廉价点。3.2.1 驱动开关元件选择MOSFET是由贝尔试验室D. Kahng和Martin 在1960年首次试验成功，MOSFET操作原理和1947年萧克莱等人发明双载子晶体管不一样，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领域里利用广泛。 因为MOSFET性能不停提升和改善，除了应用于微处理器、微控制器等讯号处理场所上，还有越来越多类比讯号处理模拟电路一样用MOSFET来实现。表3.2是常见驱动开关元件对比。表3.2 对IGBT、GTR、GTO 和MOSFET优缺点比较器 件优 点缺 点IGBT开关速度高，开关损耗小，含有耐脉冲电流冲击能力，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GTOGTR耐压高，电流大，开关特征好，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，适适用于大功率场所，含有电导调制效应，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，通常只适适用于功率不超出10kW电力电子装置经过上述比较，我选择MOSFET。根据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，而且传感器信号之间相位差是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，但电动机利用率很低，每个绕组只导通1/3周期，没有得到充足利用。 图3.3 三相全控Y电路图3.3是一个三相全控电路，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。它们导通方法为三三导通。三三导通方法是任意时刻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，功率管导通方法是：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，最终经Q6流出，合成转矩于LC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通电以后，以这类推，它们最终合成转矩图3.2.3:图3.4 三三导通合成转矩其电压波形图3.5 图3.5 Y连接三三导通方法电压波形图 图3.6 三相全空电路图3.6为三相全控电路，绕组为。三三导通时通电次序为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管流入，经过LA、LB绕组，在从Q5、Q6管流出，LC相绕组中无电流经过，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所产生转矩为正，而从LC到LB、LB到LA、LA到LC产生转矩为负。流入LA相绕组产生转矩为正，流入LB相绕组所产生转矩为负，最终转矩协力和图3.2.3相同，其大小为LA相1.732倍。3.2.3 功率模块IR2110介绍(1) IR2110特点有：输出驱动隔离电压可达500V；芯片本身门输入驱动范围为1020V；输入端带施密特触发电器；可实现两路分立驱动输出，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；逻辑电源输入范围（脚9）5-15V，可方便和TTL，CMOS电平相匹配。 (2) IR2110 关键功效及技术参数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,含有独立高端和低端输出通道。因为逻辑信号均经过电平耦合电路连接到各自通道上,许可逻辑电路参考地(USS) 和功率电路参考地(COM) 之间有- 5V和+ 5V 偏移量,而且能够屏蔽小于50ns 脉冲,这么抗干扰效果较为理想。IR2110 浮置电源采取自举电路,其高端工作电压可达500V ,工作频率可达成500kHz。两路通道均带有欠压锁定功效。其经典工作参数如表3.3所表示。 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功效概述。IR2110驱动器将对应信号送到对应低阻抗输出。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脉冲。HO和LO输出和HIN和LIN输入相位相同。当SD输入高电平时两路全部关闭。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低于要求欠电压时，欠电压检测电路也能够让高端输出中止。逻辑输入采取带有0.1VDD滞后触发电路，用以提升抗干扰能力。高抗噪声平移位电路能够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，两路输出传输延时匹配简化。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脉冲连续期内导通，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，其值能够为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 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）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 图3.12 稳压电路此电路关键是由稳压二极管组成，该电路为MC3303517引脚和18引脚提供稳定电压10V-30V。17引脚正电源使控制器正常工作，18引脚Vc底部驱动输出高端电压。3.5 调速电路图3.13 调速电路电路经过改变PWM输入，即改变脉冲宽度输入，经过专用芯片来均匀改变电机每相电压大小进行调速。3.6 RC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，从而产生连续振荡，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，常常会发生很多异常情况，为了预防这些情况电路设计中必需加入保护电路。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，所以关键讨论过电流保护。 当出现负载短路、过载或控制电路失效等意外情况时,会引发电流过大，使管子功耗增大,发烧,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见。 在线性稳压器中常见限流保护和电流截止保护在开关稳压器中均能应用。不过,依据开关稳压器特点,这种保护电路输出不能直接控制开关三极管,而必需使过电流保护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通常均需要用取样电阻串联在电路中。因为在电机开启时，转速比较低，反电动势很小，开启电流大，对电机损害较大，因此通常要在电机控制电路中加入图3.15所表示过电流保护。此电路优点是不用经过处理器判定是否过流，能够实时作出反应，在电机开启过程中，可有效保护系统不受损害。 图3.15 过电流保护电路3.8 本章总结本章关键设计了驱动桥和驱动电路和MC33035周围开关电路，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和电路图。4 传感器选择霍尔传感器是一个磁传感器。按霍尔器件功效能够分为: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，全部可用于电机磁场测量。霍尔器件有很多特点，比如它们体积小巧，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。而且，它能够在-55oC到150oC范围内正常工作。（1） 无刷直流电动机中常见转子位置传感器转子位置传感器是无刷直流电机中关键组成部分。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导通或关闭，这么能够让电机定子绕组按次序导通，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位置；其定子安装于电机本体定子上或端盖上，能够检测和输出转子位置信号。转子位置传感器技术指标关键为：输出信号精度，幅值，工作温度，抗干扰能力，响应速度，损耗，安装方便性，体积重量和可靠性等。其种类包含电磁式、光电式、磁敏式、正余弦旋转变压器式、靠近开关式和编码器等。常见传感器关键有以下多个：（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。当霍尔元件按要求安装于外磁场中并通以工作电流，能够输出霍尔电势信号，当其不受外磁场作用时，霍尔电势信号就不会输出。通常有两种方法用霍尔元件作转子位置传感器。一个方法是将霍尔元件安装于电机端盖内表面，电机轴同轴永磁体靠近霍尔元件并和之有一小间隙。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，永磁体圆弧宽度为180电角度。这么，当电机转子转动时，三个霍尔元件会轮番输出三个宽度为180电角度、相位之间差120电角度矩形波信号。另一个方法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永磁体主极作为位置传感器永磁体，根据霍尔元件输出信号来判定转子磁极位置。图4.1所表示，霍尔元件式位置传感器结构简单、体积小、价格低，但工作温度有一定要求，还有霍尔元件要靠近传感器永磁体，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永磁无刷直流电机利用场所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定子是由磁芯、高频激磁和输出绕组组成。转子由扇形磁芯和非导磁衬套组成。电机转动时，输入绕组中输入高频激磁电流，当转子扇形磁芯在输出绕组下面时，输入和输出绕组经过定子、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，能够控制逆变器工作。这种传感器强度很高，可经得起较大振动冲击，通常多用于航空航天领域。电磁式位置传感器输出信号很大，通常不要经过放大就能够直接驱动功率开关管，不过输出电压是交流，必需经过整流。因为这种传感器很复杂粗笨，所以大大限制了它在一般条件下利用。（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数个光电耦合开关和在转子轴上遮光盘所组成。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正确红外发光二极管和光敏三极管组成。遮光盘在发光二极管和光敏三极管之间，盘上有一定角度窗口。红外发光二极管导通以后发出红外光，当遮光盘随电机转子一同转动时，红外光交替照在光敏三极管上，使三极管不停导通和截至，其输出信号能够判定出转子位置。光电式位置传感器质量轻，安装可靠，抗干扰力好，调整简单，所以取得了广泛利用。现在，无位置传感器永磁无刷直流电机发展快速。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造成位置传感器工作可靠性不能确保时，无位置传感器永磁无刷直流电机就显示出尤其优越性。无位置传感器无刷直流电机弱点关键是起动转矩比较小，通常适适用于空载条件下起动。（2） 霍尔器件在无刷直流电机中利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合适位置，霍尔传感器输出和控制部分相连接。当无刷直流电机转子经过霍尔器件时，转子上永磁体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，经控制部分发出对应信号来使定子绕组导通，从而产生和转子磁场极性相同磁场，排斥转子继续转动。当转子转到下一位置时，前一个位置霍尔传感器停止工作，转子所在位置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，最终介绍了霍尔元件在电机中应用。结束语本课题实现了三相无刷直流电机换相、正反转和PWM转速控制。我经过对专用芯片研究和查找相关资料设计了：（1）开关电路，实现电机转动，正反转，和控制电路工作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10V-30V电压。（3）调速电路，实现PWM调速。（4）振荡电路，将电源直流电能，转变成一定频率交流信号电路。作用是产生交流电振荡，作为信号源。（5）IR2110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。经过解了MC33035含有片内电流限制电路、片内电压参考、欠压锁定电路、驱动输出电路和热关断等电路设计了过电流保护，选择适宜霍尔元件。经过学习无刷直流电机基础原理、磁路结构、定子绕组特点和设计计算方法。研究经典三相无刷直流电机运行控制方法和检测及仿真。学习Protel 99SE利用，设计了输出功率小于100W三相无刷直流电机控制和检测系统：（a）无刷直流电机三相Y型半控电路原理图。（b）无刷直流电机三相型半控电路原理图（c）无刷直流电机三相Y型连接全控电路原理图。（d）无刷直流电机三相型连接全控电路原理图。利用软件绘出了专用集成电路控制方法PCB图和三维仿真图。经过浏览书籍，查看文件资料，学习无刷直流电机原理基础上，并对无刷直流电机控制原理进行了研究，设计了电动自行车用无刷直流电机控制器。 本文所设计基于MC33035无刷直流电机控制器含有硬件结构简单、保护功效完善。关键实现了以下功效: (1)采取MC33035作为主控芯片，加强电动车电机控制； (2)完善电机控制系统，实现了系统过流保护； (3)设计了驱动电路、硬件过流保护电路，提升系统可靠性; 本文所设计控制系统还有需要深入改善，比如可采取无位置控制方法，利用软件检测电机反电动势，从而不需要位置传感器，降低