直流无刷电动机控制系统设计毕业设计(编辑修改稿)

直流无刷电动机控制系统设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

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。 天津职业技术师范大学 2020 届本科生毕业设计 （论文） 8 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。 天津职业技术师范大学 2020 届本科生毕业设计 （论文） 9 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。 天津职业技术师范大学 2020 届本科生毕业设计 （论文） 10 3 直流无刷电动机控制系统的整体方案设计 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 31 所示。 图 31 系统框图 图 31 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，过压欠压检测控制器驱动电路F / V 变换过流检测霍尔信号调速 、 正反转换向开关直流无刷电动机积分电路堵转检测天津职业技术师范大学 2020 届本科生毕业设计 （论文） 11 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。 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 32 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。 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 图 32 主功率电路 天津职业技术师范大学 2020 届本科生毕业设计 （论文） 12 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 1018V，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。 “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。 天津职业技术师范大学 2020 届本科生毕业设计 （论文） 13。 ，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。 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。 ，功率管极间电容越大，所需电流越大，即带负载能力越大。 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。 .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 33 所示，由一对NPNPNP 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 33 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N P NP N PV C C 1QV C C 2RD天津职业技术师范大学 2020 届本科生毕业设计 （论文） 14 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： （图 33 中的 D 元件）； 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。 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 1015V。 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。 AQ1Q4D2 D4D1 D3+ 24参考点高端栅极 图 34 高压浮动 MOSFET 应用电路。