無刷電機(jī)驅(qū)動的電動自行車的控制系統(tǒng)設(shè)計(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 外，還需要由位置傳感器、控制電路以及功率邏輯開關(guān)共同構(gòu)成的換向裝置，使得無刷直流電機(jī)的運行過程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)動中的轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的永久磁場，在空間始終保持在 090 左右的電角度，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動電機(jī)旋轉(zhuǎn)。 無刷直流電機(jī)的調(diào)速方法 眾所周知，直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速 n 的表達(dá)式為 12 ???? 公式K IRUn 式中 U 表示電樞端電壓； I 表示電樞電流； R 表示電樞電路總電阻； ? 表示每極磁通量； K 表示一電動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。 因此可知，直流電動機(jī)的調(diào)速方法有三種： 直流電源 邏輯變換 功率驅(qū)動 電動機(jī)本體 轉(zhuǎn)子位置傳感器 13 (1) 調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U 。 改變電樞供電電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)速，屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速系統(tǒng)來說，這種方法最好。 I 的變化遇到的時間常數(shù)較小，能快速響應(yīng)，但是需要大容量可調(diào)直流電源。 (2) 改變電機(jī)的主磁通 ? 。 改變磁通可以實現(xiàn)無級平滑調(diào)速，但只能減弱磁通，從電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)速，屬恒功率調(diào)速方法。因為無刷直流電動機(jī)的定子磁場多由永磁鐵產(chǎn)生，所以這種調(diào)速方法不適用于無刷直流電動機(jī)。 (3) 改變電樞回路電阻 R 。 在電動機(jī)電樞回路外串電阻進(jìn)行調(diào)速的方法，設(shè)備簡單，操作方便。但只能是有級調(diào)速，調(diào)速平滑性差，機(jī)械特性軟；空載時幾乎沒什么調(diào)速作用；在調(diào)速電阻上消耗大量的電能。改變電阻調(diào)速缺點很多，目前很少采用，僅在有些起重機(jī)、卷揚機(jī)及電車等調(diào)速性能要求不高或低速運轉(zhuǎn)時間不長的傳 動系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速范圍不大，往往和調(diào)壓調(diào)速配合使用，在額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍的升速。 因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，必要時把調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)速兩種方法配合起來使用，而對于無刷直流電動機(jī)，其調(diào)速多采用調(diào)壓調(diào)速。本設(shè)計采用的就是通過調(diào)整 PWM 波的占 空比，實現(xiàn)對無刷直流電機(jī)電樞電壓的控制，間接地控制了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 無刷直流電機(jī)的位置檢測 無刷直流電機(jī)運行是通過逆變器功率器件隨轉(zhuǎn)子不同位置相應(yīng)改變其不同觸發(fā)狀態(tài)來實現(xiàn)的。因此準(zhǔn)確檢測轉(zhuǎn)子位置并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置準(zhǔn)時切換功率器件觸發(fā)組合狀態(tài)是控制無 刷直流電機(jī)的關(guān)鍵。轉(zhuǎn)子的位置檢測最直接、有效的方法就是利用位置傳感器得到不同的轉(zhuǎn)子位置信號。 位置傳感器對直流無刷電動機(jī)（ BLDC）測定轉(zhuǎn)子位置的起著十分重要的作用，因為直流無刷電動機(jī)的換相是依據(jù)轉(zhuǎn)子的位置來的，轉(zhuǎn)子現(xiàn)在的位置將決定下個激磁相，所以換相完全是由轉(zhuǎn)子位置來決定的。直流無刷電動機(jī)（ BLDC）的位置傳感器主要包括三種：光點式位置傳感器 、電磁式位置傳感器、 以及霍爾式位置傳感器。 電磁式位置傳感器利用電磁效應(yīng)來進(jìn)行位置測量，特點是輸出信號大，工作可靠，適應(yīng)性強，但是它的體積大，輸出的是交流信號，還需 要經(jīng)過整流和濾波后才能用。所以，在早期時候用的多，現(xiàn)在已逐漸退出應(yīng)用。 光電式位置傳感器，是由發(fā)光二極管，光敏接受組件，遮關(guān)板組成，其中，發(fā)光二極管和光敏接受組件分別安裝在遮光板的兩側(cè)，固定不動；遮光板安裝在 14 轉(zhuǎn)子上隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。遮光板上開有 120 度的扇形開口，數(shù)目等于無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的級對數(shù)。當(dāng)遮光板的扇行開口對著某個光敏接受組件時，該組件接收到對面二極管發(fā)出的光而產(chǎn)生光電流輸出，其它的則沒有輸出。這樣，隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，遮光板使光敏接收組件輪流接收光信號，產(chǎn)生不同的輸出，所以根據(jù)輸出就可以判斷轉(zhuǎn)子所處的 位置。 霍爾式位置傳感器是利用 “ 霍爾 ” 效應(yīng)工作的，利用霍爾式位置傳感器工作的無刷直流電動機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子，同時也是霍爾式位置傳感器的轉(zhuǎn)子?；魻栃?yīng)，在長方形半導(dǎo)體薄片上通入電流 I，當(dāng)在垂直于薄片的方向上施加磁感應(yīng)強度為 B的磁場時，則在與電流 I 和磁場強度 B 構(gòu)成的平面相垂直的方向上產(chǎn)生一個電動勢 E，稱為霍爾電動勢，其大小為： BIKE ??? 其中 K 為靈敏度系數(shù) 當(dāng)磁場強度方向與半導(dǎo)體薄片不垂直，而是成 ? 角時，霍爾電動勢大的大小改為： ?co s???? BIKE 圖 24 霍爾位置傳感器的工作原理圖 所以，利用永磁轉(zhuǎn)子的磁場，對霍爾半導(dǎo)體通入直流電，當(dāng)轉(zhuǎn)子的磁場大小和方向隨著它的位置不同而發(fā)生變化時，霍爾半導(dǎo)體就會輸出霍爾電動勢，其大小和相位隨轉(zhuǎn)子位置而發(fā)生變化，從而起到了檢測轉(zhuǎn)子位置的作用。常用開關(guān)式霍爾集成電路作為傳感器件，它的外行像一只普通晶體管，特點是結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，成本低，是目前在無刷直流電動機(jī)上應(yīng)用最廣的一種位置傳感器。在本次開發(fā)的控制系統(tǒng)中，也是采用霍爾式傳感器來檢測電動機(jī)的轉(zhuǎn)子 位置。 霍爾組件 放大裝置 VCC Uo 輸出 GND 15 第 3章 系統(tǒng)元器件選擇 控制芯片 MC33033 MC33033是 MOTOROLA公司 生產(chǎn)的 低價格第二代無刷直流電動機(jī)控制器，它是由MC33034和 MC33035演變而 成的， 具備無刷直流電機(jī)控制所必需的功能， 現(xiàn)將其特點和引腳功能作 如下 說明。 工作電壓范圍寬， 10V30V 片內(nèi) 含 有欠壓鎖定 片內(nèi)有基準(zhǔn)電壓源 具有熱保護(hù)和限流電路 大電流驅(qū)動器 能 方便地選擇相角 外圍控制電路簡單 使用和調(diào)節(jié)方便 性價比高 110 1120BTATCT正轉(zhuǎn)/ 反轉(zhuǎn)SASBSC基準(zhǔn)電壓輸出振蕩器轉(zhuǎn)速控制腳內(nèi)部放大器輸入 內(nèi)部放大器輸出過流信號輸入地VC CCBBBAB60 176。 /12 0 176。 選擇使能端MC 33 03 3 圖 31 MC33033引腳 圖 MC33033是一種 20引腳雙列直插式封裝，其引腳圖如圖 31所示。 各引腳功能如下： 20腳：上臂驅(qū)動輸出端。 16 3腳：正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)輸人端，它可改變電動機(jī)轉(zhuǎn)向。 6腳：傳感器信號輸入 端。 7腳：這是基準(zhǔn)電壓輸出端 。 8腳：振蕩器輸出 端。 9腳：轉(zhuǎn)速控制端。 10腳：內(nèi)部大器反相輸入端 。 11腳：內(nèi)部放大器輸出端。 12腳：過流信號輸入端。 13腳： 地。 14腳：電源 1 l l7腳：下臂驅(qū)動輸出端。 18腳：相角調(diào)整端。 19腳：使能端，用做剎車斷電及保護(hù)作用。 MC33033內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 32所示． 該芯片由轉(zhuǎn)子位置譯碼器、具有傳感器供電的基準(zhǔn)電壓源、振蕩器、誤差放大器、脈寬調(diào)制 （ PWM） 比較器、集電極開路輸出的三個上驅(qū)動輸出和具有大電流輸出的三個下驅(qū)動輸出、負(fù)電壓保護(hù) 、 過熱和過流保護(hù)等組成 。 現(xiàn)對其中主要部分作些分析 ： 轉(zhuǎn)子位置譯碼器 轉(zhuǎn)子位置譯碼器的傳感器信號輸入端為引腳 6， 譯碼器能使上下驅(qū)動以適當(dāng)?shù)捻樞蚬ぷ?。 由于傳感器輸入端直接與集電極的霍爾開關(guān)或光耦合器界面，另外片內(nèi) 有上拉電阻，所以能減少芯片外圍所器器件的個數(shù) 。 該譯碼器有專門設(shè)計的角度選擇腳 (22腳 )，它可以選擇傳感器最常用的電相角 60186。、 120186。、 240186?；?360186。， 因為有三個傳感器輸入，所以譯碼器共有 8種可能的輸入組合碼，但只有 6種是有效的轉(zhuǎn)子位置 ， 其他兩種是由傳感器開路或短路引起的，因而是無效的 。 因為有 6種有效輸 入 碼 ，圖 32 MC33033 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 17 譯碼器以 60186。電角度為 l步可以計算出轉(zhuǎn)子的位置 。 用正轉(zhuǎn) 、 反轉(zhuǎn)的輸入 (引腳 3)來改變電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向 。 例如當(dāng)輸入碼為 100時，引腳 3的電平從高變低就使得具有相同的字母標(biāo)號的上驅(qū)動和下驅(qū)動輸出內(nèi)容相互 交換 ，即 AT、 AB、 BT和 BB、 CB、 CT相互交換 ， 這樣就改變了換流順序 ， 從而改變了電動機(jī)的轉(zhuǎn)向 。 電動機(jī)開 /關(guān)控制是輸出使能引腳 19來控制的。當(dāng)?shù)?19腳斷開時，電動機(jī)處于正常工作 狀態(tài)當(dāng)?shù)?19腳接地時．上驅(qū)動輸出處于截止?fàn)顟B(tài) ， 下驅(qū)動輸出處于低電平狀態(tài) ， 這樣電機(jī)慣性轉(zhuǎn)動直至停止。 誤差放大器 誤差放大器具有直流電壓增益高 (80dB)、輸入共模電壓范圍寬和增益帶寬為 ， 因此在大多數(shù)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，可把該放大器設(shè)計成電壓跟隨器，其同相輸入連至設(shè)定速度的電壓源 。 在死循環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，能方便地利用該 放大器所具有的高性 能全 補償特點來進(jìn)行 控制。 欠壓鎖定 片內(nèi)具有雙欠壓鎖定電路，該電路能防止在欠電壓情況下?lián)p壞集成塊和外部功放晶體管，并能保證集成電路和傳感器的正常運行 。另 外，還能輸出足夠的驅(qū)動電壓 。 當(dāng)與功率 MOSFET器件接口時，該電壓能確保獲得低接通漏源電阻 所 需要的柵極驅(qū)動。當(dāng)直接驅(qū)動霍爾傳感器件時 。 如基準(zhǔn)電壓輸出低于 ，那末傳感器將不能正常運行．如果兩個比較器中有一個測出處于欠電壓的狀態(tài) ，那么 上驅(qū)動輸出截止 ， 下驅(qū)動輸出為低電平 ， 每一個比較器均有滯后環(huán)，以防跨越門限電壓時發(fā)生振蕩，從而可提高芯片 的抗干擾能力 。 驅(qū)動輸出 上驅(qū)動輸出 ( 20引腳 )為 NPN型晶體管． 吸入電流為 50mA． 下驅(qū)動輸出 (1l l7腳 )特別適合于驅(qū)動 N溝道 MOSFET或 NPN雙極 型晶體管。 源電流和吸電流為100mA。 限流 電路中過流將導(dǎo)致過熱，從而毀壞電動機(jī) 。 輸出開關(guān)導(dǎo)通時檢測定子電流，一旦發(fā)生過電流很快地使開關(guān)斷開 ， 圖中敏感電阻 R5與 Q Q Q6相連．電阻上的電壓由引腳 l2輸入并與片內(nèi) 100mV基準(zhǔn)電壓相比較，如果電流超過門 限 值，比較器使下部的鎖存器復(fù)位，從而使導(dǎo)通狀 態(tài)終止。 功率器件 MOSFET 的結(jié)構(gòu) 18 MOSFET 的種類結(jié)構(gòu)繁多，按導(dǎo)電溝道可分為 P溝道和 N溝道。當(dāng)柵極電壓為零時漏源極之間存在導(dǎo)電溝道的稱耗盡型。對于 N（ P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導(dǎo)電溝道的稱增強型。 在 MOSFET 中，主要是 N 溝道增強型。 MOSFE 的電氣圖形符號 ,如圖 33所示。 圖 33 N溝道 MOSFET（左） P溝道 MOSFET（右） MOSFET 在導(dǎo)通時只有一種極性的載流子（也就是多子）參與導(dǎo)電，是單極型晶體管。 的基本特性 （ 1）靜態(tài)特性 MOSFET 是 電壓控制型器件，其輸入阻抗極高，輸入電流非常小。 MOSFET 的漏極伏安特性。 其可分為截止區(qū)，飽和區(qū)和非飽和區(qū)三個區(qū)域。如圖 34 所示。 其中： DI ， GSU ， TU ， DSU 分別表示漏極電流，柵源間電壓，開啟電壓，漏源間電壓。 MOSFET 的工作在開關(guān)狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉(zhuǎn)換。 MOSFET 的通態(tài)電阻具有正溫度系 數(shù)，這一點對器件的并聯(lián)時均流有利。 （ 2）動態(tài)特性 MOSFET 的開關(guān)過程波形，如圖 35 IDUTUG SUD S0=截 止 區(qū)飽 和 區(qū)非 飽 和 區(qū) 圖 34 MOSFET 的輸出特性 19 圖 35 MOSFET 的開關(guān)過程波形 當(dāng)GSu上升到開啟電壓TU時，開始出現(xiàn)漏極電流 iD。 從前沿時刻到GSu=TU并開始出現(xiàn) iD的時刻這段時間稱為開通延遲時間 ()dont 。此后 iD隨的GSu上升而上升。GSu從開啟電壓上升到 MOSFET 進(jìn)入非飽和區(qū)的柵壓 UGSP 這段時間稱為上升時間 tr。 MOSFET 的開通時間 ton 為開通延遲時間與上升時間之和。 即 () r ond ont t t?? （ 31） 當(dāng)脈沖電壓 up 下降到零時，柵極輸入電容 Cin 通過信號源內(nèi)阻 Rs 和柵極電阻RG 開始放電，柵極電壓GSu按指數(shù)曲線下降，當(dāng)下降到 UGSP 時，漏極電流 iD才開始減小，這段時間稱為關(guān)斷延遲時間 t )(offd 。此后 Cin 繼續(xù)放電，GSu從 UGSP 繼續(xù)下降， iD減小，到GSuTU時溝道才消失 ,iD下降到零。 這段時間稱為下降時間tf 。 MOSFET 的的關(guān)斷時間 tof 為關(guān)斷延遲時間和下降時間之和。 即 ()off d off ft t t?? （ 32） M