直流无刷电机硬件设计文档

硬件电路设计说明书 V1文档版本编写人：彭威编写时间： 2015-06-10部门：研发部审核人：审核时间：1. 引言编写目的本文档是无刷直流电机风机盘管电源电路及控制驱动电路的硬件设 计说明文档， 它详细描述了整个硬件模块的设计原理， 其主要目的是 为无刷直流电机控制驱动电路的原理图设计提供依据，并作为 PCB 设计、软件驱动设计和上层应用软件设计的参考和设计指导。产品背景参考资料Datasheet ：Kinetis KE02Datasheet ：MKE02Z16VLC2Datasheet ：MKE02Z64M20SF0RMDatasheet ： FSB50760SFTDatasheet ： TNY266Datasheet ： FAN75272. 硬件电路概述电源部分电源部分主要功能是提供400V直流电供给电机，另外提供15V直 流电给电机驱动芯片供电。采用反激式开关电源设计。总体方案设计一款100W驱动开关电源。给定电源具体参数如下：(1) 输入电压： AC 85V265V( 2)输入频率： 50Hz(3) 工作温度：-20 C +70C(4) 输出电压 / 电流： 400V/(5) 转换效率：三85%(6) 功率因数：三90%( 7)输出电压精度： 5%系统整体框架如下如图所示为电源的整体架构框图，主要目的是在输入的85265V 50Hz交流电下，输出稳定的恒压电机驱动直流电。由图可知，电源 电路主要包括了前级保护电路模块、差模共模滤波模块、整流模块、 功率因数校正模块、DC/DC莫块。其中EMI滤波电路能够抑制自身和 电源线产生的电磁污染，功率因数校正电路采用Boost有源功率因数 校正，用电压环、电流环双环闭环进行控制。DC/DC莫块采用光电耦合将原边和副边进行反馈，控制了开关管的开通和关断，保持电压稳 定在15V。系统接口接口描述对应原理图接口形式电源输出接口输出 400v, 15v以及调速电压P2控制驱动电路控制驱动电路主要用于控制电机转速，使直流无刷电机按照设定速度平稳安静运行。控制方案采用开环控制，驱动方式采用方波驱动。控制系统整体框架如下：控制电路模块控制芯片采用飞思卡尔半导体公司的32位微控制器MKE02Z16VLC2该芯片基于 ARM结构体系的Cortex ?-M0+内核， 其中的FlexTimer/PWM(FTM模块为电机控制提供了很方便的接口， 方便控制输出pwm控制电机转速。控制方案采用有传感器开环控制，传感器采用霍尔传感器检测电机转速。驱动电路芯片采用FSB50760SFT该芯片将MOSFE集成在芯片内，减少了控制电路的大 小，同时，芯片内部还集成了温度传感器，当温度过高时，控制芯片 将停止输出PWMI号，电机将自动停机。控制驱动板上留有5个接口， 分别是 VM,GND,VCC,VSP,FG其中 VM是 310V输入接口，VCC为 15V 输入接口，VSP为调速接口，根据VSP输入电压大小来调节电机转速， FG为电机转速输出接口。系统接口电路接口描述对应原理图接口形式UART串口通信J1间距插针SWD程序下载调试J2间距插针Power电源接口PIN6间距插针3. 硬件系统详细设计电源部分PFC电路详细设计电源电路总体电路图见附件1。分析各电路模块，进行具体设计并分析其工作原理，具体电路包括输入端保护电路、EMI滤波电路、AC/DC整流桥、Boost PFC电路、高频变压器的设计、反馈控制电路模块、恒压输出电路等，并设计元器件参数和型号选择。输入保护电路设计设计输入保护模块如图 所示，主要有过流保护、过压保护。图中 F1 为熔丝管，熔丝管熔点低，电阻率高，熔断速度快，成 本低廉，当开关电源产生短路，电流要是超过了熔断电流，熔丝管将 会熔断。起到过电流保护的作用，选用 3A/250V 。图中 VTR 为压敏 电阻，压敏电阻值随端电压而变化，对过电压脉冲响应快，耐冲击电 流能力强，漏电小，温度系数低，吸收浪涌电压，防雷击保护，起到 过电压保护的作用，选用14D471K。图中NTC是负温度系数热敏电 阻器，热敏电阻器电阻值随温度升高而降低，电阻温度系数一般为 -(1-6)%/ C,采用热敏电阻，瞬间限流效果好，由于电源的启动并运 行，电阻发热量较大，热敏电阻器的阻值能够迅速减小，功耗能够降 低。其主要作用是防止通电瞬间出现过流现象，选用 T5D-11 。EMI 滤波器设计一般抑制电磁干扰主要为差模和共模干扰。差模干扰产生于两条 电源线之间，信号相对参考点大小相等，方向相反；共模干扰产生于 电源线和大地之间，信号相对参考点大小、方向都相同。由于两种干 扰是同时存在的， 并且共模比差模更容易引起电磁干扰， 所以在开关 电源设计 EMI 滤波器主要还是抑制共模干扰信号。电路中包括共模电感、电容 C1、C2为Y电容，选取3300Pf/1Kv的瓷 片电容,C3、C4选取安规电容275v。泄放电阻R1、R2用于防止断电 后 C3 电容放电至电源接口。 L 共模电感是在一个磁环上，绕着匝数 相同、方向相反的两个绕组，当共模信号电流流过时，线圈上的磁场 增强，对共模信号产生了很大的感抗，起到了很大的抑制作用。共模 电感选型 。整流电路设计整流桥电路如下图所示：经整流桥输出后电压为310v直流电，当输入电源的正半周，D1、D3导 通， D2、 D4 截止，在输出的电压上形成上面正电压下面负电压的半 波整流电压，当输入电源为负半周时导通和截止状态相反，即D2、D4 导通 D1、 D3 截止，同理得到另一半波整流电压，于是得到一个 与全波整流相同的电压波形。整流桥选型为 GBJ2508。功率因数校正电路功率因数校正采用飞兆半导体公司推出的高集成度电源芯片FAN7527B该芯片工作时电流小，最大不超过 8mA VCC启动门限为 12V,关闭电压最大值是9V,启动电流典型值为60卩A最大不超过100 卩A。采用8引脚的DIP和SOP封装，其引脚排列如图所示，弓I脚功能介绍如表所示序号引脚功能1INV放大器的反相输入端，电压经过电阻分压到此管脚2EA_OUT放大器的输出端，与INV端口连接电谷形成补偿网 络3MULT乘法器的输入端，与整流输出的分压电压连接4CSPWM匕较器输入脚。米样MOST的电压值，连接于 比较器，内置的滤波器减小高频噪声5IDET零电流检测端6GND地7OUT驱动输出。推挽式输出可以驱动开关管的最高电流为 500mA8VCC芯片电源端工作原理分析(1)启动过程 在接通电源瞬间，电容C6通过电阻R1实现充电。当电容的电压值升 高到芯片的启动电压后，芯片导通，并驱动开关管。在芯片导通后， 随着电流的增加电容开始放电。在电容C上的电压降低过程中，电感 器上的感应电压通过二极管 D的整流作用，连接到Vcc脚，使Vcc升 高到所需要的电平。（2）过电压保护和误差放大器PFC输出电压Vo经电阻进行采样，送入电压误差放大器的反相输入 端，误差放大器同相输入端有的基准电压。 放大器输出与乘法器相连， 控制器的外部有电容电阻等零极点补偿元件。 误差放大器的输出有的 参考电压实现过电压保护， 当负载出现异常， 误差放大器输出端电压 幅值低于，过电压比较器被触发，驱动器将被关闭。（3）乘法器乘法器是整个功率因数校正器的核心，它为内部的电流回路提供 参考电流，用来控制转换器的输入电流（经整流后），使电路产生所 期望的幅值和波形，并得到高的功率因数。设乘法器的增益为K，输出电压如下所示：其中Vm1为3脚的采样电压，用分压电阻获得，Vm2为误差放大 器的输出， Vref 为基准电压。由于输入电压的波形是正弦电压， Boost 电感的峰值电流保证在每时刻都跟踪输入正弦电压的波形轨迹， 促使 输入的电流相位和波形与输入的正弦电压相同。（4）电流感测比较器流过开关管的电流在电流采样电阻上转换为电压值加到芯片的 4 脚上，如果 4 脚上的电压大于电流感测比较器的门限，则停止驱动 开关管的PWM信号。（5）零电流检测器FAN7527B采用峰值电流模式进行控制，零电流检测使得开关管导 通，采用 Boost 电感的峰值电流达到门限值而将开关管关断。电感 电流降至零时，通过FAN7527B的5脚Idet的电感器副绕组电压极 性的反转进行检测，进行 PWM控制，使MOSFET再次导通。当电感 电流沿向上的斜坡从零增加到峰值之后，MOSFET断，直到电感电流下降为零。（6）驱动输出FAN7527B包含一个图腾柱（带高电平钳位）的输出级，专门针对 功率MOSFET勺直接驱动而设计的。输出能力高达 500mA峰值电流, 典型的上升和下降时间分别为 130ns 、50ns。BOOST PF（主要元器件参数设计（1） 功率因数校正电路的主要指标 额定输出功率：在考虑效率的前提下，电路额定输出功率设为Pout=100W宽电压输入：Vin二 85Vac265Vac电网频率：50Hz;输出电压 Vo : Vomax=400V效率n： 90%功率因数：；输出最小电压：Voutmi n=150V; 开关频率的最小值：fswmi n=34kHz;PFC输出电流有效值为：out% 100Vout4000.25A输入最大功率Rn 氐 9% 111.1W输入平均电流PnIin V i ?PFacmin111.185 0.981.33A升压电感峰值电流Ipk 2 2?lin 2 2?1.33 3.77A电感L最大电流有效值I rmsIpk 1.532 22.66ABOOS升压电感设计方案采用Boost电感在电流连续模式下，其电感值与输出功率、最小开关频率有关系，其具体公式如下：开关周期Ts为:当sinwt=0时，开关周期最大，由上式得电感 L表示式为:代入数据L=660uh升压电感器L的线圈匝数为:流过mos管最大电流:pkmax2?F0Vinmin2 1000.9 85- 21.85ANp660 10 6 1.850.2 1.09 10 456实际取值60匝，辅助绕组计算计算得Naux二，实际取值5匝 输出电容的设计输出滤波电容的选择需要考虑 PFC电路直流输出电压、保持时 间、输出电压纹波。通常输出滤波电容可以选用铝电解电容，铝电解 电容工作范围宽、耐较大纹波电流、低漏阻、寿命长。输出电容的数 值由下式决定：Cminomax2 f Vo0.252 3.14 34 6195uH实际取值为220uH输出采样电阻的设计电压误差放大器正向输入电阻的选择， PFC的输出电压，经过取 样电阻的采样，送到FAN7527B的1脚INV，与基准电压 进行比 较。计算公式如下：RReV。2.5Vo计算得 R3二，R6=10K乘法器电阻及零电流检测电阻的选择电源输入的交流电压经全波整流，经过 R5、R13进行采样，采样后的电压值连接于 3脚MULT通过全波整流后的最高峰值电压为374v，因此可得：R53.8R5 R13375取 R5=则 R13=15K零电流检测电阻的选择，零电流需要小于 3mA,因此其计算如下:实际取值为22K电流检测电阻电流采样电阻把MOSFET电流转换成电压形式，连接于电压误差放大 器的正向输入端，反向输入为乘法器的输出，电流误差放大器的输出 连接RS触发器，控制输出。计算公式如下：计算得R*V0=*390=468v实际取值为耐压值600v 流过开关管的最大平均电流IQrms : 代入计算得到流过其最大电流为，故选取场效应管的型号为MTP6N60E源漏极耐压Vds=600V,额定电流为6A。由于开关频率相 对较高，整流二极管需要采用超快恢复二极管、 快恢复二极管或肖特 基势垒整流二极管。二极管的耐压至少为 500V，由于电感的峰值电 流ILpk二A,设计的工作频率为50kHz，选用超快恢复二极管UF5408, 其 IF=10A， VF=， VRRM=1000，Vtrr(max)=35ns 。DC/DC 变换芯片介绍TNY266P是一款10 W高效小功率隔离式开关电源用集成电路，该系列产品包括 TNY264P/G， TNY266P/G， TNY267P/G， TNY268P/G， 共 8 种型号。该芯片内包括一个耐压 700V 的功率 MOSFET 开关管、 和电源控制器及保护电路组成。控制方式不同于传统的 PWM 型开关 电源，采用简单的开 / 关控制输出电压，瞬态响应时间比传统的 PWM 型快，具有欠压保护功能。其外形图如下：芯片各个引脚的功能BP 引脚：电源接入引脚，连接一个的旁路电容，当电压高于时芯片 启动。漏极-D: D是连接到内部功率 MOSFE的漏极引脚、提供启动和工作电流 源极S: S脚是连接到内部MOSFE的源极，是控制电路的公用点，4 个S源极在内部是相连通的，它们被划分成两组，其中2个S端须接 控制电路的公共端，另 2 个 S(HVRT)N 端则接高压返回端。EN/UV引脚：接在直流输入高压电源和 EN/UV引脚间的外接电阻是用 作监测直流输入电压的， 当电压低于设定值时， 欠压检测电路就将旁 路端电压UBP从正常值降至，强迫功率MOSFE关断，起到保护作用。当输出MOSFE关断时，稳压器通过漏极电压抽取电流将旁路引 脚上连接的旁路电容充电至，当MOSFE导通时，TinySwitch- H消耗 存储在旁路电容中的能量；另外，Tin ySwitch- H中还有一个并联稳 压器，当电流经外部电阻注入旁路引脚时， 稳压器将旁路引脚电压箝 位在，这样能方便地通过偏置绕组对Tin ySwitch- H外部供电，将空 载功耗降至约 50mW。电路分析( 1)启动电路变压器副边绕组给VCC外接电解电容C充电，当Vcc端子电压上升至 动作开始电源电压 Vcc(on)= 后，芯片开始动作。(2) 阻容吸收电路阻容吸收电路的作用是当功率开关管截止时， 反激变压器原边的漏感 能量不能转移到副边，其能量通过二极管D给电容C充电，然后用箝位电阻R消耗这部分能量。此方法能够减少开关管的电压应力 (3)定电压控制电路负载变轻时，随着输出电压上升， 2次侧误差放大器的反馈电流增大。此电流通过光藕由FB端子流出，使得FB端子电压下降。由这个FB 端子电压生成FB比较器目标电压VSC然后与S/OCP端子电压的漏 极电流的峰值检测信号 VR1(电流检测电阻ROCP两端电压)进行比 较，当峰值电压达到目标电压时，MOSFE咲断，从而减小漏极电流的峰值，抑制输出电压的上升。当负载加重时，动作过程相反。FB比较器目标电压增加， 使得漏极电流峰值增大， 抑制了输出电压的下 降。这样，通过控制反馈电流与漏极电流，实现定电压控制。一般情 况下，电流模式控制时，当MOSFE导通瞬间会产生急剧的放电电流， 可能导致FB比较器以及OCPfe路动作，从而使MOSFE关断。为防止 这种现象发生，此芯片内置了 LEB功能，忽略了 MOSFE导通瞬间产 生的漏极放电电流，此LEB时间设计值为tON(LEB)二400ns。变换元器件设计( 1 )变换器电路的技术指标前级PFC的输出电压：VO(PFC)=400V额定输出电压： Vo=15V；额定输出电流： Io= ；输出功率： Po=10W；转换效率：n =85%(2) 箝位电路设计反激变换器中变压器原边漏感的存在， 会在功率管源漏两端形成较大 的电压尖峰，很容易击穿功率管。为了防止功率管的击穿，需要增加 箝位电路。箝位电阻 R 为：R 消耗的功率：箝位电路损耗的功率：Ip(PK)为原边电感峰值电流，VOF是反射电压，LS为漏感，fS是工作频率。在理想情况下，一个开关周期中，箝位电路损耗的能量等于 电阻R消耗的功率，所以有P=Pclamp,由上面的公式可以得到电阻R：开关关断时，存储在漏感中的能量转移到电容 C 中，因此有：Ip(PK) 是原边的峰值电流， VC0 是箝位电容 C 的初始电压值，取为 零。所以有 C ：由于开关管 Q 是在较高的频率时工作的， 因此二极管 D 的选择也很 重要，当二极管的反向恢复时间较大时， 其就会跟不上开关管的开关 速度，电压尖峰吸收的效果不好。当二极管的反向恢复时间较小时， 才能满足开关速度的要求。一般情况下 RCD 箝位电路的二极管选择 超快恢复二极管。实际中选取 MURS160T3(3) 反激变压器设计反激式变压器在开关电源中起到隔离和电感储能的双重作用，开 关管开通时， 变压器原边绕组有电流流过， 由于副边绕组的极性与原 边绕组相反， 因此感应出与原边电压极性相反的电压， 由于二极管的 单相导电性， 副边绕组没有电流流过， 反激式变压器的原边绕组就等 效为一个电感，能量被存储在电感中；开关管关断时，二极管正向导 通，反激式变压器把存储在原边绕组中的能量通过电磁感应传递到副 边绕组中。反射电压VOR是由变压器副边反射到变压器原边的电压。它决定 了变压器的匝比和功率管承受电压的大小。 当原边开关管关断时， 漏 极上承受的电压最大，此时漏极电压为：其中VDSS为开关管漏极上承受的电压， V为电压裕量，由开关管 关断时原边漏感产生的电压尖峰大小决定。 准谐振工作模式下， 为了 降低开通损耗，VOR取值比传统PWM反激电路大，开关管通常选择 800V的MOS则反射电压满足关系式：代入参数可得：VOR=240v当 MOS 管关断时，副边整流二极管承受的反向电压最大，其值为：设副边选用耐压值为 200V 的二极管，则：设计中选取 VOR=150V。最低开关频率 fs 在变压器设计中至关重要，选择太高会使电路开关 损耗变高， 选择太低会使致变压器尺寸变大， 设计中选择最低开关频 率 100kHz。最大占空比Dmax,根据磁链平衡，准谐振模式下开关管的最大导通 占空比由下式得：式中tF为原边电感与漏极寄生电容谐振时间的一半，选为1 (1 s。代入计算后电路的最大占空比为 。变压器的各个参数计算如下：(1) 原副边匝数比在变压器的设计中，反射电压和输出电压决定了匝数比：式中VOR为150V, Vo为15V, VF为副边整流二极管压降为 。则n=， 取整数为 6 。(2) 原副边线径选取在反激变压器中，原边输出电流平均值为 。则峰值电流为：代入计算，原边峰值电流为2A。原边有效值电流为：代入计算后，原边电流的有效值为 。根据磁势平衡原理：所以副边峰值电流为 12A. 。副边电流的有效值为：取入二。代入数值计算，副边的电流有效值为。绕组线径的计算公式为：式中J为电流密度，设计中取4A/m m2代入计算得原边导线为 ， 副边导线为(3) 原边电感量在反激变压器功率开关管导通的时候， 原边的电压和电流采用以下关 系式：开关频率设定为100kz，计算开关管的导通时间为3卩s。代入可得 原边电感 600uH。(4) 原副边匝数和辅助绕组匝数根据前面的计算，原边峰值电流为 2A , Bw为，磁芯有效截面积为， 计算得 NP=107 匝，实际变压器原边匝数取为 110 。变压器原副边的 匝数比为 6 ，副边绕组的匝数为 18。(5) 辅助绕组匝数辅助绕组的主要功能就是给控制芯片供电，辅助绕组的电压分别为VB1=20V所 以：代入数值得 Nb1=21控制部分电路芯片介绍采用控制芯片是飞思卡尔半导体公司（ Freescal Semiconductor） 最 新推出的Kinetis E系列工业级32位微控制器 MKE02Z16VLC2工作频率为20MHz,功耗低，经济高效且稳定性和可靠性更高。主要特征（1） 高性能 CPU采用基于ARM结构体系的Cortex ?-M0+内核，处理器计算由3级流 水线变为 2 级流水线，更进一步降低了功耗提供具有DSP单指令多数据类型的32位宽指令，且支持32位X 32 位乘法器嵌套中断向量控制器（NVIC）降低中断延迟时间并且能更加 高效处理后续中断（ 2）系统模块系统集成模块（SIM）包含了集成逻辑以及其他应用模块的配置设置电源管理控制器（PMC提供三种模式：运行、等待、停止，以优化 能耗带独立时钟源的 16 位可编程看门狗定时器 （3）存储器及存储接口64KB可执行程序代码的非易失性闪存存储器按字节获取的 256B EEPROM4KB片上数据RAM闪存管理器（FMC管理设备和32位片上闪存间的接口（ 4）时钟振荡器（OSC连接晶体或陶瓷谐振器为MCU提供参考时钟，频率范围为 至 或 4MHz 至 20MHz内部时钟源（ICS）包含一个带内部或外部参考时钟的锁相环，温度 范围在0 C到70C之间变化时内部参考时钟精度修正不超过 1%,温 度在-40 C到105 C之间变化时误差不超过 ，高达20MHz（ 5）人机接口高达 32 个通用输入 / 输出（ GPIO）两个键盘中断模块（KBI）支持引脚中断检测最多 8 个高电流引脚（ 20mA）（ 6）模拟模块一个16通道12位逐次逼近型ADC带有内部带隙参考通道，可配置采样和转换时间，可选择的硬件触发及多种中断方式 两个模拟比较器（ ACM）P ，支持全工作电压范围内的模拟电压输入， 内含一个 6 位 DAC 和可编程参考输入（7）定时器模块一个 6 通道、两个 2 通道 FlexTimer/PWM （ FTM）一个 2 通道周期中断定时器（ PIT）一个实时时钟（ RTC）（8）通信接口二个通用异步收发器（UART支持最高9位数据和2位停止位，可编程的波特率和中断或轮询工作方式（ 9）工作特性电压范围：至闪存写入电压范围：至温度范围（环境）：-40至105 C控制器模块电路MCU最小系统由MKE02Z16VLC芯片、复位电路组成。时钟采用内部时钟，通过 MCU 时钟初始化后设置系统时钟为 20MHz。电源电路 单片机供电为，外部输入电压为15V,故需要将外部15V电压通过电 源芯片转化成稳定的供单片机使用。采样电路采样主要采样以下几个变量，母线电压，流过电机电流，驱动芯片温 度，速度控制信号。母线电压采用分压电阻测量，流过电机电流采用 欧的采样电阻采样得到， 驱动芯片温度有驱动芯片内部温度传感器提 供，速度控制信号是外部电压信号， 通过三极管跟随电路采样电压信 号。霍尔传感器电路霍尔传感器的作用主要是检测电机转子位置信息，通过转子位置 信号进行换向处理。霍尔传感器芯片采用 OCH14，7 电路图如下所示：霍尔传感器采用15V供电，输出接上拉电阻，芯片输出信号滤波之后 接入单片机处理。驱动电路芯片介绍芯片采用Fairchild Semiconductor公司的FSB50760S芯片，该芯片集成度高，将六个 MOSFE集成在一个芯片上，为交流感应，无刷 直流电机和永磁同步电机（如冰箱，电扇和水泵）提供非常全面的高 性能逆变器输出平台， 有效抑制电磁干扰， 提供过温保护和欠压闭锁 功能，内置的高速HVIC只需要一个单电源电压，将逻辑电平栅极输 入转化为适合驱动模块内部 MOSFE的高电压，高电流驱动信号。电路图如下所示精心搜集整理，请按实际需求再行修改编辑，因文档各种差异排版需调整字体属性及大小