单轴双轮ａ平衡代步车的研究与设诗】．ｃ．魏吼ｇ２００９３系统硬件结构根据单轴双轮自平衡代步车的功能特征，一般选择陀螺仪和加速度计两种惯性传感器来采集车体的姿态信息，直流无刷电机自带的霍尔元件采集车体速度信息。控制单元采用微控制器完成数据采集与处理、车体姿态判断、直流无刷电机控制及其他外围的控制等功能。系统硬件结构如图３．１所示。图３．１系统硬件结构图３．１．直流无刷电动机长期以来，在调速领域内传统的直流电动机以其优良的转矩控制特性占据主导地位。由于直流电动机均采用机械方式换向，在电刷和换向器之间存在机械摩擦，由此带来了噪声、火花等缺点。为了取代有刷直流电动机电刷换向器结构的机械接触装置，人们对此进行了长期的探索。早在１９１７年，Ｂｏｌｉｇｅｒ就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。二十世纪３０年代，人们开始研制以电子换相来代替电刷机械换相的无刷直流电动机，但还只是处于实验室研究阶段，没有推广使用。１９５５年，美国Ｄ．Ｈａｍｓｏｎ等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电动机机械电刷的专利，标志着现代无刷电机的诞生。近４０多年来，由于电机本体及其相关学科的迅猛发展，“无刷直流电机＂的概念己由具有电子换向的直流电机发展到泛指一切具有有刷直流电机外部特性的电子换向电机。无刷直流电机真正进入实用阶段是从１９７８年开始的，二十世纪８０年代在国际上开展了深入的研究，先后研制成方波和正弦波无刷直流电机。在１０多年的时间里，无刷直流电机在国际上已得到较为充分的发展。我国无刷直流电机的研制工作始于二十世纪７０年代初期，主要集中在一些科研院所和高等院校。限于我国元器件水平及相关理论与实践相结合的程度还比较低，尤其是制造工艺和加工设备距离国际水准差距１７单轴双轮自平衡代步车的研究与设计Ｊ．Ｃ．历ａｎｇ２００９较大，所以目前我国无刷电机的综合水平仍低于国际水平，有待进一步地研究和开发【２１１。图３．２直流无刷电机原理框图无刷直流电机是指无机械电刷和换向器的直流电机，又称无换向器直流电机，它以电子换向器代替机械电刷和换向器实现直流电机的换相。无刷直流电动机系统实际上是一个由电动机本体、功率逻辑开关电路和位置传感器组成的一个闭环系统，无刷直流电动机的控制方法和运行方式因电动机本体的绕组型式不同而各异。由前述可知，无刷直流电机既具备交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备有刷直流电机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点，同时克服了有刷直流电机由于机械电刷和换向器的存在所带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等弊病，且降低了制造成本，简化了电机的维修。故无刷直流电机在当今国民经济各个领域，如航空航天、数控机床、机器人、电动汽车、医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺、计算机驱动器以及家用电器等方面得到了广泛的应用。一体化电动车轮专门用作电动自行车的驱动轮，内部含有三相直流无刷电机。一体化电动车技术成熟，市场使用量大，容易控制成本，而且装配简单，本系统采用的是电动车用无刷直流电机。３．２电机驱动器现代电机的驱动放大技术与电子技术的发展有着密切的关系。电子技术、电子器件的成就，极大地推动了电机驱放大技术的进步。可以说，电机功率的驱动放大是伺服系统的心脏，它用来转换电功率并驱动伺服电机运动。一个合适的伺服放大器至少应当具有以下特性：１）电系统与电机线圈之间的功率在电压、电流和频率上的匹配；２）高性能和高稳定性：１８单轴双轮自平捷代步车的研究ｓ设计ＺＣＺｈａｎｇ２００９３）易于设置和调整；４）不仅放大器自身具有电路保护，且对与其相连接的电机也具有保护措施；现代直流电机的驱动放大几乎都是采用晶体管功率放大器来实现的。晶体管放大器系统可以分为两种类型：线性放大器和开关型放大器。线性放大器几乎毫无例外地采用晶体管，线性地提供所需的直流电流。而开关型放大器可采用晶体管，也可采用普通晶闸管（可控硅）。在开关型放大器中，输出级的功率器件工作在迅速地从非导通状态到完全导通状态。当处于非导通状态时，功率器件不消耗能量；而完全导通时功率器件上的压降很小，这样避开了工作在线性放大区域，因此功率输出级的损耗就很小。目前，线性放大器一般仅在小功率的场合有所应用，而大量采用的是开关型放大器。本系统驱动器的制作采用的是场效应管实现功率放大。下面分别具体介绍电机驱动器各个功能部分。３．２．１电源部分电源部分提供三种电压供给电路板使用。一路是供给驱动部分功率管的４８Ｖ直流电源，直接从蓄电池处获得；一路是供给三相电机专用控制芯片ＩＲ２１３０的１５Ｖ电源，经过一个专用４８Ｖ转１５Ｖ的ＤＣ－ＤＣ隔离变压器输出直流电压；一路是供给ＭＣＵ系统和霍尔电路部分的５Ｖ电源，由一个三端稳压器７８０５稳压输出５Ｖ电压。电压转换电路如图３．４所示。＋１５ｖｑＬＵ，＋１５７踮Ｖ①．：：－图３．４５Ｖ直流稳压电路３．２．２功率元件部分场效应管（ＭＯＳＨ玎）是７０年代中期才发展起来的电压控制型的新型半导体电力电子器件，目前仍处在加快提高半导体技术和降低成本的阶段。其伏安容量达到１０００Ｖ陀５Ａ或５００Ｗ１５０Ａ。这种开关元件的优点是由于它是多数载流子导电，故不存在少数载流子的存储效应，有较高的开关速度，可以高达２５ＭＨｚ；具有较１９单轴双轮自平畿代步车羽研究与设计Ｊ．Ｃ．历ａｎｇ２００９宽的安全工作区而不会产生热点，而且它具有正的电阻温度系数，易于并联使用：具有高可靠性；过载能力强，短时过载电流一般为额定值的四倍；有较高的开启电压，一般１０Ｖ左右，因而有较高的噪声容限和抗干扰能力；它是电压控制型器件，具有高输入阻抗，故驱动功率小，驱动电路简单而又低廉；可以不带缓冲器工作。它的缺点是额定工作电压低，内阻大，导通压降随漏极电流的增加线性增大，只适用于高频小功率的应用场合。目前，场效应管己广泛应用于电机调速、不间断电源、开关电源、电子开关、汽车电器等方面，在高频、低压和小功率领域内尚无竞争对手【稻】。无刷直流电动机的速度调节采用通过改变ＰＷＭ信号的占空比来控制输入到电机绕组的电压，因此功率管必须有较高的开关频率，一般选用频率高于听觉频率２０ＫＩ－Ｉｚ的ＰＷＭ波来控制开关管的通断。从上所述得知，晶闸管和电力晶体管都不能满足要求，而功率场效应晶体管能达到要求，功率场效应晶体管是一种单极型电压控制器件，它不但有自关断能力，而且具有驱动功率小、工作速度高、无二次击穿、安全工作区宽等优点。因此在本系统中选择意法半导体公司的功率场效应晶体管７５ＮＦ７５作为功率开关器件。７５ＮＦ７５场效应管漏极击穿电压ＶＤＳＳ可达７５Ｖ，漏极额定电流ＩＤ可达７５Ａ，通态电阻ＲＤＳ小于０．０１１０。各项参数符合本系统对功率管的要求。功率管桥式驱动电路如图３．５所示。＋４８—ｋ睇臼叮７５泐ＡＤ９Ｊ匡Ｉ０５０２ｐ一ｋＲ℃昕７５嬲Ｂ．ＪＩＱ６０３Ｄ７ｐ一ｋＦＲ研Ｃ—【Ｊ匡ＦＲａ／７一Ｚ溉ｋ幻Ｊ匠ｐ日ｂ叮ＤＩ—ｋ７５ｔ岍５承．：●图３．５三相桥式驱动电路图３．５中Ｄ５、Ｄ６、Ｄ７、Ｄ９、Ｄ１０和Ｄｌｌ是六只续流二极管，它们为电机绕单轴双轮自平钠代步车的研究ｓ设计上Ｃ刁ｔａｎｇ２００９组的反电势提供通路，如果该电势加在功率场效应晶体管，会损坏功率场效应晶体管，并接的续流二极管与反电势形成续流电路，保护功率场效应晶体管，续流二极管选用反应速度快而且反向耐压高的超快恢复二极管。从驱动芯片输出信号端到功率场效应晶体管的门极之间加了一个电阻，其作用是限制电流信号，同时起阻尼作用。３．２．３功率管驱动芯片ＩＲ２１３０是美国国际整流器公司推出的专用三相桥式电路驱动芯片，其主要参数如下：１）可直接驱动工作在母线电压不超过６００Ｖ电路中的ＭＯＳ器件；２）具有电流放大和过电流保护功能；３）自动产生成上、下侧驱动所必需的死区时间（弘ｓ）；４）具有欠压锁定功能并能指示欠压和过电流状态；５）输入端具有噪声抑制功能。ＩＲ２１３０可用于驱动工作在母线电压不超过６００Ｖ电路中的ＭＯＳ器件，最大输出正向峰值驱动电流为２５０ｍＡ，而反向峰值驱动电流为５００ｍＡ。它可对同一桥臂上、下两个功率ＭＯＳ器件的栅极驱动信号产生２ｐｓ的互锁延时时间。内部设有一个线性放大器，可用于电流信号的放大。ＩＲ２１３０的保护功能十分强大，内部设有过电流、过电压、欠电压、逻辑识别保护以及封锁和指示环节。一旦外电路发生过电流或桥臂直通，即电流检测单元送出的信号高于０．５Ｖ时，内部比较器迅速翻转，使故障逻辑处理单元输出低电平，一方面封锁输出，使瓜２１３０的输出全为低电平，保证六个被驱动的ＭＯＳ关断；另一方面，经引脚８输出一低电平信号，可用于封锁脉冲或声光报警。当工作电源欠电压时，同样封锁六路输出为低电平，并使引脚８为低电平。再有当高压侧某路自举电源欠压时，则该路的驱动信号检测器迅速动作，封锁该路输出。瓜２１３０的另一重要保护功能是逻辑保护，即当同一桥臂上、下功率开关器件对应的输入信号都为高电平时，封锁该两路栅极驱动信号，防止直通现象发生。它巧妙运用了自举技术形成悬浮的高压侧电源，因而只用一路电源即可驱动三相桥式逆变电路中的六个功率ＭＯＳ。电路设计还保证了内部三个通道中的高压侧驱动器与低压侧驱动器可单独使用，亦可只用其内部的三个低压侧驱动器，并且输入信号与，ｒｒＬ及ＣＭＯＳ电平兼容，ＩＲ２１３０的外围电路２１
单轴双轮自平衡代步车的研究与设计
