「電路分析」PWM速度控制4：現(xiàn)代2QD系列

這是有關設計PWM控制器的系列文章中的第四篇。

電流源現(xiàn)在感覺9v1齊納。這是為了提供一條在12伏電壓下仍能保持穩(wěn)定的供電線路。以前，12伏供電時的電流限制會降低，因為參考電壓是從這個電壓中得出的。主動上拉拉動IC1b引腳14的4mA電流源已被移除。沒必要。而是安裝了1K電阻器。這在零速度下需要9毫安，這是一個小缺點。主電容器有兩個x 470μ。這些是軸向型，平放在木板上。正如在www網(wǎng)站頁面上所解釋的，電容器類型的選擇對于最佳性能至關重要，現(xiàn)在使用的是一種插入式，帶有短而短的引線。再生制動失效過去有一個開關短路Tr5，以挫敗再生制動。現(xiàn)在hiside驅動器已經(jīng)改變，電路上有三個元件被標記。Tr6中的1K集電器通常是安裝好的，為了防止再生制動而將其拆下。同時10公里進入Tr8基地改變位置。hiside驅動程序的操作在下面是更多細節(jié)還有一個關于抑制再生制動 .捕捉二極管Tr4上有一個二極管。這是為了鉗制9v1電源的柵極電壓尖峰。要求這樣做的原因是有原因的，并將及時予以說明。再生電流限制有一個新的電路增加感測頂部（飛輪）MOSFET。這是hiside電流限制。它的操作是稍后討論 .過電壓箝位增加了一個36v齊納。這是過電壓鉗位，包括以下內容 .

橫向驅動是電機控制器的重要組成部分。我們使用的電路非常簡單，工作良好，但有低電流要求。它是一個雙作用電路，自舉泵加主動泵。讓我們先考慮一下“引導”操作。忽略一個事實，有一個電容器從Tr10的****極饋電-那就是主動泵。

當電路處于零速時，不切換，Tr5斷開，下部MOSFET斷開，沒有電機電流，因此頂部MOSFET通過電機有效短路。它的柵極和所有柵極驅動電路有效地位于正電源軌上。

一旦控制器開始工作，最初的電機速度（平均電壓）將非常低。這是通過低側MOSFET在很短的時間內打開來完成的。在低MOSFET開啟期間，M線變低。因此，電流從B+線路流過兩個二極管和1K電阻器，為1μ電容器充電。從24v通過1K電阻充電的1μ電容器在24v/mS（CV=IT或V/T=I/C）下開始充電，振蕩器的標稱值為20kHz，整個周期為50μs，因此短脈沖的長度只有幾微秒：1μcap需要幾個周期才能達到任何有用的電壓。事實上，這并不重要：如果帽沒有充分充電，那么頂部的MOSFET將無法正常開啟，但這一點也不重要，因為在1μ帽充分充電之前，MOSFET只會像飛輪二極管一樣工作：它仍將允許飛輪電流循環(huán)，但由于沒有開啟，損耗將更高。這沒關系：因為控制器剛剛開始切換，平均電機電壓很低，那么電機電流也很低！當然，在沒有柵極電壓的情況下，你無法獲得任何再生制動-但是電機在這一點上實際上沒有移動，因為電壓還不足以克服摩擦！事實上，我們只需要引導泵：主動泵是非常不必要的。

這個只有主動泵的原因是可以將兩個2QD背靠背連接起來，形成一個全橋控制器。在此應用中，一個或另一個控制器（取決于方向）必須在電機不工作時使其與蓄電池正極短路。正如我們剛才看到的，電路并不是只使用自舉泵來實現(xiàn)這一點的，所以主動泵在這個應用中是存在的。主動泵通過施加在電容器上的方波來工作。當方波較低時，電容通過二極管從B充電，當方波變高時，它通過第二個二極管和1K電阻放電到1μhiside儲液罐電容器中，因此即使MOSFET沒有開關，柵極電壓也保持在8.5v左右。

你也會注意到鉗位齊納的位置已經(jīng)移動：在早期的電路中，它穿過儲液罐電容器?，F(xiàn)在它把車手的底座夾緊到M-。這樣做的優(yōu)點是齊納電流很低，受到基極電容的限制，而不是二極管串聯(lián)電阻的限制，因此齊納損耗不是問題，電路將在更寬的電壓范圍內工作。這意味著二極管串聯(lián)電阻可以小得多，因此電容器充電更快。缺點是NPN晶體管現(xiàn)在受到全電源電壓加上泵浦電壓的影響。

Tr11和Tr12是再生電流限制電路。雖然其他控制器有電流限制，但它們通常不采用mosfetrds（開）感應，但有些更復雜或更慢的方法。這種電路是4QD所獨有的，是一種非常簡單、優(yōu)雅、有效的傳感方法。

考慮電路顛倒電機電流流動：電機正在再生，電流從M流過MOSFET等流向M-。當頂層MOSFET在這些條件下開啟時，驅動器試圖減少電機的負電流，而電機的電感使電流與電池電壓相反：這是再生電流，給電池充電。很明顯，頂部的MOSFET將有一個高電壓通過它，所以Tr11將導電。只要頂部MOSFET的電壓超過2xV，Tr11就導通（借助于10K-10K基極電阻）是穿過它

小于2xV時是穿過MOSFET，Tr12可以工作。如果小于1.3倍，則不會打開是通過由10K和3K3基電阻定義的MOSFET），在這個電壓下，MOSFET正常導電。但是，如果注入的電流太高，那么這個電流會上升到晶體管12的電流電平。由于我們正在監(jiān)測的電流是由過度再生引起的MOSFET正向電流，為了減少它，我們需要減少再生，我們只能通過降低減速來做到這一點。換句話說，我們必須加速，增加驅動力，減少再生電流。這正是這個電路的作用。

你會注意到在Tr12上有47v齊納二極管。選擇47v是因為所用的MOSFET的額定電壓是50v。當電源電壓上升到47v以上時，它導通。假設控制器的再生能力太強，變成了啞彈電池（可能是它掉下來了，落在了高爾夫球場上）。很明顯，如果沒有電池，我們就不能重新啟動剎車。所以我們需要增加速度（就像我們用過量的再生電流一樣）。這個齊納做到了。很明顯，箝位水平需要在預期的MOSFET安全運行范圍內：47v可能看起來有點接近允許的50v，但請記住，50v絕對是一個更糟糕的情況：我們不應該得到一個MOSFET，它在50v時會失效，并且有制造商的安全裕度。還要記住，齊納永遠不應該這樣做。它只限制嚴重故障條件下的過電壓。如果我們沒有限制在這個故障下-那么控制器肯定會被摧毀。接近極限航行仍能提供很好的保護。

然而，在這一點上值得補充的是，在使用再生制動的車輛中，是電池而不是控制器來進行制動！如果你住在一個大山頂上，開始時用充滿電的電池是不明智的，因為那樣你就沒有剎車了！具體需要什么樣的箝位電壓取決于該事件發(fā)生的可能性。事實上，有一次，一位客戶使用了一個帶有60v MOSFET的48v控制器。這個控制器現(xiàn)在正是因為這個原因使用了75v MOSFET，帶一個72v箝位齊納！這一變化還要求其他一些半導體需要升級到更高電壓的器件。

為什么有人真的想要抑制再生制動？我想是因為他們有一個齒形帶傳動裝置，而再生裝置傳送動力的方式不對，導致了齒跳。

一些高爾夫球童制造商主要認為，因為他們安裝了機械式自由輪裝置，他們必須抑制再生制動。不正確：因為自由輪的再生制動什么也做不了，所以是無害的。

4QD www網(wǎng)站上的公共訪問pwm電路解釋了如何實現(xiàn)再生制動。當損耗為關時，將hiside打開可以獲得更好的效率，因為飛輪裝置是一個低值電阻（打開的MOSFET）而不是二極管。電阻的壓降一般較小，因此效率更高。事實上，hiside是切換給再生制動。

4QD有一個非常巧妙的方法來同步切換hiside：實際上hiside現(xiàn)在是一個同步整流器：不是新技術，但據(jù)我所知，沒有其他公司在電機控制器上使用過這一原理。

為了抑制再生，1K被移除（如電路上所示）。所以Tr5斷開了。然后hiside將永久開啟。但是Tr8的b-e電阻也被移除，取而代之的是一個從Tr8底座到電池正極的電阻。這使得Tr8的基極****極直接穿過MOSFET——通過一個10K電阻來限制任何電流。

當Hiside MOSFET飛來飛去時，電流從源極流到漏極。因此Tr8的基是反向偏壓的。它不能打開。但當電機電流反向時，情況就會改變。

考慮一下在底部MOSFET關閉之前的情況。頂部的MOSFET將有一個高電壓通過它，因此Tr8將被打開。Tr7和Tr8形成“PU對”（參見www站點電路)所以兩者都被打開，頂部MOSFET的柵極被硬地夾在它的源上。當?shù)撞縈OSFET關閉時，電機電流試圖通過hiside MOSFET飛輪。沒有問題，如果它是正向電機電流，它將首先流經(jīng)頂部MOSFET的體二極管。但是正如我們剛剛看到的，這導致了Tr8的基極上的負電壓，所以這對在這一點上關閉，Tr6拉起了MOSFET柵極，打開了它。

當?shù)撞縈OSFET開始啟動時，首先它的電流必須上升，直到所有的電機電流都流過它：這是任何控制器的正常狀態(tài)，直到這發(fā)生，通過飛輪裝置的電流才能降到零。然而，在這個電路中，底部的MOSFET電流必須再上升一點，直到有足夠的電流通過頂部MOSFET，從而在正向方向上降低足夠的電壓，使Tr8的基極****極被打開。在這一點上，輸入對卡入，短路MOSFET柵極并關閉它。如果這看起來有點激烈，看看MOSFET瞬態(tài)電流處理規(guī)范，記住這個過電流流動大約一微秒。

人們常說在MOSFET的柵極上需要一個齊納二極管來防止電壓瞬變。很少有人解釋這些瞬變的來源。然而，這些控制器設計的永磁電機具有換向器和電刷。當電機旋轉時，這些電流在適當?shù)睦@組之間快速切換。畫筆呈弧形。你可以清楚地看到這種電弧，如果你看電刷，而電機正在工作：只有非常好的設計和新的電刷不會顯著電弧。

第一批無線電傳輸是用火花****進行的。電弧是產(chǎn)生寬帶噪聲的非常好的發(fā)生器，而且（由于可能有大量電流流動），這種噪聲也可能具有非常高的能量。如果電機接線恰好有正確的傳輸路徑，與產(chǎn)生的噪聲瞬態(tài)相吻合，那么一個巨大的尖峰會傳回mosfet。這種噪聲尖峰可以通過MOSFET的內部電容耦合到它自己的柵極上，如果柵極驅動電路出錯，就會產(chǎn)生柵極電壓瞬態(tài)，從而破壞MOSFET。因此，需要考慮這種機制，夾持澆口是其中一種方法。

這種類型的噪聲的問題是，系統(tǒng)沒有被抑制的水平：總有可能出現(xiàn)高于保護水平的噪聲峰值。這種情況與防洪、防震、防雷非常相似，“安全”根本不存在！這都取決于統(tǒng)計概率。

我們很難理解這一點：第2期2QD電路有一個電流源，而不是1K上拉IC1b引腳14。當我們用一個電阻代替它時，我們突然發(fā)現(xiàn)了更多看似隨機的故障。這種改變實際上是首先在NCC控制器上完成的，它使用相同的電路。一位顧客反復吹壞了后面的電路，而不是前一個。

然后我們注意到，卡在繼電器，在極片和電樞之間，有鐵屑！當被詢問時，客戶承認他在系統(tǒng)附近使用過角磨機。鐵屑進入了馬達和控制器。你可以想象當銼屑卡在碳刷裝置里時，一定會產(chǎn)生噪音！

電流源實際上將MOSFET柵極驅動電阻器的基極（通過晶體管集電極基極結二極管）夾在9v1線上，在那里它被齊納鉗位。用1K代替電流源也用1K代替尖峰箝位，導致可靠性下降。幸運的是，我們遇到了這種“壞運氣”——它使我們能夠識別出一種機制，這種機制在設計得當?shù)目刂破魃戏浅：币?，以至于很難識別：它只是偶爾出現(xiàn)的隨機和不穩(wěn)定的故障，沒有任何好的理由。問題是，如果你有一個每100000個控制器小時發(fā)生一次的故障機制，你需要足夠的控制器在現(xiàn)場，以回報率足以讓你真正認識到存在一種模式。只有這樣你才能開始研究原因。

D6將柵極直接夾在9v1線路上，9v1線路本身由一個齊納到MOSFET源箝位。在后來的設計中，一個9v1齊納在****門驅動器鉗直接到0v。D6在這里工作，因為軌道路徑非常短。

這涵蓋了2QD電路：控制器本身現(xiàn)在不是4QD的首選產(chǎn)品：它沒有任何問題，它是一個非常簡單可靠的控制器，生產(chǎn)成本低廉，每次都能工作。作為一個DIY控制器，它是理想的。但真正的市場對電路的要求越來越高。代替2QD的控制器是Uni。它是盒裝的，更立體的形狀似乎更受歡迎。