直流無刷電動機控制系統設計畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 定轉矩時 ,電機效率高、損耗低是無刷直流電動機的重要特點之一。 天津職業技術師范大學 2020 屆本科生畢業設計 （論文） 8 無刷直流電動機的應用與研究動向 現階段，在傳動應用中直流和交流電動 機雖然占的比例比較高，但無刷直流電動機正受到普遍的關注。自 20世紀 90年代以來，隨著人們生活水平的提高和現代化生產、辦公自動化的發展，家用電器、工業機器人等設備都越來越趨向于高效率化、小型化及高智能化。作為執行元件的重要組成部分，電機必須具有精度高、速度快、效 率高等特點，無刷直流電機的應用也因此而迅速增長。尤其在節能已成為時代主題的今天，無刷直流電機高效率的特點更顯示了其巨大的應用價值 。 無刷直流電機轉子采用永久磁鐵，其產生的氣隙磁通保持為常值，因而特別適用于恒轉矩運行；對于恒功率運行，無刷直流電機雖然不能直接改變磁通實現弱磁控制，但通過控制方法的改進也可以獲得弱磁控制的效果。由于稀土永磁材料的矯頑力高、剩磁大，可產生很大的氣隙磁通，這樣可以大大縮小轉子半徑，減小轉子的轉動慣量，因而在要求有良好的靜態特性和高動態響應的伺服驅動系統中，如數控機床、機器人等應用中， 無刷直流電機比交流伺服電機和直流伺服電機顯示了更多的優越性。目前無刷直流電機的應用范圍已遍及國民經濟的各個領域，并日趨廣泛，特別是在家用電器、電動汽車、航空航天等領域已得到大量應用。 目前，無刷直流電機的研究主要集中在以下方面： （ 1）無機械式轉子位置傳感器控制。 轉子位置傳感器是整個驅動系統中最為脆弱的部件，不僅增加了系統的成本和復雜性，而且降低系統的可靠性和抗干擾能力，同時還需要占據一定的空間位置。在很多應用場合，例如空調器和計算機外設都要求無刷直流電動機以無轉子位置傳感器方式運行。 無轉子位置傳感器運 行實際上就是要求在不采用機械傳感器的條件下，利用電機的電壓和電流信息獲得轉子磁極的位置 . 目前比較成熟的無轉子位置傳感器運行方式有： 1 反電動勢法 —— 包括直接反電動勢法、間接反電動勢法以及派生出來的反電動勢積分法等。 2 定子三次諧波檢測法。 3 續流二極管電流通路檢測法。 但現有方法都存在各自的局限性，仍在不斷完善之中。 （ 1）轉矩脈動控制。 存在轉矩脈動是無刷直流電動機的固有缺點，特別是隨著轉速升高，換相導致轉矩脈動加劇，并使平均轉矩顯著下降。減小轉矩脈動是提高無刷直流電動機性能的重要方面。 天津職業技術師范大學 2020 屆本科生畢業設計 （論文） 9 小 結 本章主要講述了直流無刷電動的基本構成，同時闡述了直流無刷電機的基本工作原理以及電機的所具有的運行特性。通過這些為深入學習無刷直流電機的控制奠定一定的基礎。 天津職業技術師范大學 2020 屆本科生畢業設計 （論文） 10 3 直流無刷電動機控制系統的整體方案設計 系統總體設計方案 直流無刷電機控制系統主要由電源電路、給定電路、電壓和電流檢測電路、功率管驅動及保護電路、直流無刷電機位置信號檢測環節以及控制電路和其外圍電路組成。各個電路之間的連接關系以及能量和信號的傳輸方向如圖 31 所示 。 圖 31 系統框圖 圖 31 描述了硬件系統各部分之間的關聯，圖中箭頭表示能量、控制或檢測信號的傳送方向。當系統處在運行狀態時，通過外部輸入設備（如開關、滑動變阻器等）向控制器發送運行指令（如正轉、反轉、加速等），并且載入運行參數。根據外部檢測到的電機的位置信號以及電機所處的運行狀態來改變控制器輸出的控制信號從而調整電機的運行狀態。電壓檢測環節主要是實現電機運行時的保護（如過壓、欠壓、以及能量回饋制動方式運行等）。電流檢測環節主要是實現轉速、電流雙閉環控制和過流保護，從外部檢測到的電流信號經過采樣后，送 到控制單元，控制單元根據檢測電流的大小來決定時序信號的輸出與否，當出現過流故障時，時序電路會停止輸出控制信號，電機停轉。當堵轉時，電流檢測電路會給檢測電容充電，當堵轉的時間夠長時，封鎖電機轉動開關信號，起到堵轉保護的作用。位置信號的檢測在本系統中主要實現兩個功能，一是檢測轉子位置，為控制單元提供準確的位置信號，實現開關管的正確換相；此外它還起到轉速測量的作用，根據轉子每換相一次轉過固定的電角度，和電機轉子磁極對數，系統利用 F/V 變換器，把轉子的位置信號轉換成電壓信號，轉速越快，電壓越大。模擬量信號被加入到控 制器內部的比較器輸入端，當電壓大時，過壓欠壓檢測控制器驅動電路F / V 變換過流檢測霍爾信號調速 、 正反轉換向開關直流無刷電動機積分電路堵轉檢測天津職業技術師范大學 2020 屆本科生畢業設計 （論文） 11 控制器會減小輸出脈寬，通過減小輸出電流的方式來降低電動機的轉速，從而達到速度閉環的目的。下面將具體介紹系統硬件的各個模塊的設計方案以及所實現的主要功能。 主電路的設計 主電路主要由逆變電路構成，與電動機的聯結關系如圖 32 所示，圖中直流無刷電機額定功率為 50W，電樞繞組 Y 連接。功率逆變電路采用三相全橋逆變電路 在直流無刷電動機的控制系統里，開關器件一般都選用全控型器件如 GTR、GTO、功率 MOSFET、 IGBT 等。它們在耐壓、容量、開關速度等方面的差 異很大，需要根據實際情況進行選取。首先逆變器的開關頻率很高，功率開關元件不宜采用晶閘管，而雙極型大功率晶體管雖然在大電流導通時其導通電阻很小，但卻要求較大的驅動功率，其開關速度也要比 MOSFET、 IGBT 低。 MOSFET 是一種多數載流子器件，無少數載流子的存儲效應，因此開關速度快，而且 MOSFET 是一種理想的電壓控制器件，驅動電路較為簡單， MOSFET 沒有二次擊穿現象，工作安全區大，因此 MOSFET 特別適于高頻變流裝置，只是在高壓大電流的情況下導通電阻較大，器件發熱稍大。絕緣基極雙極型大功率 晶體管（ IGBT）則是集 MOSFET 的電壓控制與雙極型大功率晶體管的大電流、低導通電阻的特點于一體的新型復合場控器件，它還保持了高速、低開關損耗、對溫度不敏感等特點。相同面積芯片制作的 IGBT，其最大輸出電流可比 MOSFET 的輸出電流增加兩倍以上。根據電路要求，電機電源為 24V,功率為 50W,屬于小功率電動機。本設計選用型號為 RF540 的 MOSFET，耐壓 200V，在保證參數余量的前提下降低了使用成本。 Q1 Q2 Q3Q4 Q5 Q6D2 D6 D 10D4D1 D3D8D5 D7 D9 D 11D 1224VABCA T 1 B T 1 C T 1A B 1 B B 1 C B 1 圖 32 主功率電路 天津職業技術師范大學 2020 屆本科生畢業設計 （論文） 12 MOSFET 的驅動電路設計 盡管功率 MOSFET 較其他 功率開關器件容易驅動，但為了避免器件受損，同時也為了得到最佳控制性能，設計驅動電路時應具備以下要求 : 1. 柵極電壓的限制 如果柵極電壓超過 20V,即使電流被限制到很小值，柵源間的氧化層也很容易被擊穿。由于該氧化層的擊穿是器件失效的最常見原因之一，應該注意使柵源電壓不超過最大額定電壓。而且，即使所加柵極電壓保持低于柵源間的的最大額定電壓，柵極連線的寄生電感和柵極電容藕合也會產生使該氧化層毀壞的振蕩電壓。通過漏柵自身電容，還能把漏極電路瞬變造成的過電壓藕合過來。柵源電壓不能過高的另一個原因是 :隨著柵源電壓的升高，功 率 MOSFET 開通關斷的充放電的時間就會加長，開關速度就會降低。但是柵源電壓也不能太低，原因有 2 個 :一是功率 MOSFET 的通態電阻是柵源電壓的函數，隨著柵源電壓的下降而增大，通態電阻的增大使得通態損耗增大 。二是柵源電壓過低，抗干擾能力差，容易誤關斷。 根據以上綜合考慮，一般選擇柵源電壓為 1018V，本文取 15V。 2. 柵極電路的阻抗 對一于一個己導通的器件，不管在線性區還是飽和區，必定是要有一定的電荷被送到柵極上，使其達到預期的電壓。理想上，達此目的的最好辦法就是借助一個電壓源，它能在盡可能短的時間內提供任何 量值的電流。如果器件用作開關運行，驅動電路具有供出大的瞬態電流的能力，這將減小處于線性區的時間，因而減小開關損耗。另一方面，如果器件工作在線性模式，柵極驅動電路具有比較大的電流容量將把與“密勒”效應相關的現象減至最小，從而改善本極帶寬和減小協波失真。 在某些電路結構中，即使其性能無關緊要，為使柵極上的有害瞬變電壓 .達到最低，使柵極驅動電路的阻抗減至最小也是重要的。在功率 MOSFET 的應用中，經常是上下橋臂串聯，同一橋臂上的另一個器件的漏極或源極施加一個階躍電壓，此電壓經柵漏電容藕合到柵極上，該電壓可以大到使 下常工作在關斷狀態時的功率 MOSFET誤導通，或使正常工作在導通狀態的功率 MOSFET 誤關斷。減小驅動電阻的內阻抗，這種危險就會減小，直至消失。 “地”可浮動的直流電源 柵極驅動電壓是對功率 MOSFET 源極的電壓，而不是對“地”的電壓。在功率MOSFET 的應用中，功率 MOSFET 經常連接成橋臂的形式。上橋臂的功率 MOSFET的源極是連接在下橋臂的功率 MOSFET 的漏極上，這樣上橋臂的功率 MOSFET 的驅動電路的“地”就不能連在下橋臂的“地”上。這就需要一個獨立的直流電源給上橋臂的驅動電路供電。由于 本系統采用橋式電路，所以后面將對其做詳細介紹。 天津職業技術師范大學 2020 屆本科生畢業設計 （論文） 13 。 ，關斷時為柵極提供低電阻放電回路，以提高功率MOSFET 的開關速度。 MOSFET 可靠觸發導通，觸發脈沖電壓應高于管子的開啟電壓 .為了防止誤導通，在其截止時應提供負的柵源電壓。 ，功率管極間電容越大，所需電流越大，即帶負載能力越大。 MOSFET 并聯應用時，電路除了滿足通常的驅動要求外，還應特別注意 :具有足夠的 峰值驅動功率，較高的開通關斷速度。 .1 驅動電路分類 按驅動電路與柵極的連接方式可分為 :直接驅動和隔離驅動。直接驅動分為 TTL驅動、互補輸出驅動和 CMOS 驅動三種方式 。隔離驅動分為電磁隔離和光電隔離兩種。 直接驅動中常用互補輸出驅動，它們被稱為圖騰柱，如圖 33 所示，由一對NPNPNP 晶體管組成的互補輸出電路，采用這種電路不但可以提高開通時的速度，還可以提高關斷速度。在這種電路中，晶體管是作為射極跟隨器工作的，不會出現飽和，因而不影響功率 MOSFET 的開關頻率。 圖 33 互補驅動電路 在實際線路中，驅動信號與 MOSFET 的連接一般要做電氣上的隔離，如主回路為橋型結構時，上、下橋臂的驅動信號是不共地的。驅動信號的隔離方式有多種，其中最主要的是脈沖變壓器隔離和光電禍合器隔離。采用變壓器隔離的驅動電路一般為無源驅動電路，它具有信號傳輸時延小，適合于高頻開關的特點。但是，這種隔離方式的最大缺點是驅動信號的寬度受變壓器飽和限制。要解決這一問題必須增加線路的復雜程度，而且脈沖變壓器的制作工藝要求較高。采用光電禍合器隔離的驅動電路是有源驅動電路，它需要獨立的電源，驅動電路的時延可以根據主回路開關頻率 的要求N P NP N PV C C 1QV C C 2RD天津職業技術師范大學 2020 屆本科生畢業設計 （論文） 14 選擇相應工作速度的光電藕合器來達到要求，驅動信號的寬度不受限制。但是這種隔離方式由于需要獨立電源而電路較復雜，且由于高速光電藕合器的價格使驅動回路的成本較高。另外，一般光電耦合器初次級之間的分布電容藕合到控制回路，造成誤觸發。一個大電流關斷電路可以很快的對輸入電容放電，提供短的開關時間因而開關損耗低。對于常用的 N 溝道器件，大的放電電流可以通過低輸出阻抗驅動器或負的驅動電壓而得到。快的開關速度可以降低開關損耗，但關斷加速電路由于 MOSFET 高的關斷 di/dt 和 dv/dt 會使波形產生振鈴。所以在選擇功率器 件時應考慮選擇合適的電壓等級。加速驅動電路有以下幾種方式： （圖 33 中的 D 元件）； PNP 關斷電路； 3. NPN 關斷電路； 4. NMOS 關斷電路。 本章對加速驅動電路不做詳細介紹，下面重點介紹高端功率 MOSFET 驅動電路。 高端功率 MOSFET 驅動電路 功率 MOSFET 因耐壓較高，導通電流大以及低廉的價格而獲得了廣泛的應用。在有些應用場合，需要功率 MOSFET 用作高壓側開關，漏極接到高壓干線，負載或功率器件接在源極，如圖 12 所示。為保證 MOSFET 飽和導通， 要求柵極驅動電壓比漏極電壓高 1015V。柵極控制電壓一般以地為參考點，因此柵極電壓必定高于干線電壓，其可能是系統中最高的電壓，控制信號必須轉換電平，使其為高壓側源極電位。同時要求柵極驅動電路功率不會顯著地影響總效率。 AQ1Q4D2 D4D1 D3+ 24參考點高端柵極 圖 34 高壓浮動 MOSFET 應用電路