「電路分析」PWM速度控制1

這一頁應(yīng)該給你一個很好的想法所涉及的原則，做什么-以及不做什么！

一個商用電機控制器不僅僅是一個改變電機速度的電路，我們有一個“導(dǎo)游”控制器功能這就簡單地解釋了現(xiàn)代控制器中的大多數(shù)功能以及為什么需要它們。

為了控制直流電動機的速度，我們需要一個可變電壓的直流電源。然而，如果你用一臺12伏的電動機，接通電源，電動機就會開始加速：電動機不會立即作出反應(yīng)，因此需要很短的時間才能達到全速。如果我們在馬達達到全速之前關(guān)閉電源，馬達就會開始減速。如果我們足夠快地打開和關(guān)閉電源，電動機將以零和全速之間的某個速度運轉(zhuǎn)。這正是p.w.m.控制器所做的：它以一系列脈沖打開電機。為了控制電機速度，它改變（調(diào)制）脈沖寬度-因此脈沖寬度調(diào)制。

考慮上面的波形。如果電機的一端通過開關(guān)（MOSFET、功率晶體管或類似器件）連接到蓄電池正極，另一端連接到蓄電池負極，那么如果MOSFET短時間接通而長時間斷開，如上文a所述，電機只會緩慢旋轉(zhuǎn)。在B，開關(guān)開50%，關(guān)50%。在C時，電機大部分時間是開著的，只有很短一段時間是關(guān)閉的，所以速度接近最大值。在一個實用的低壓控制器中，開關(guān)以20kHz（每秒20000次）的頻率打開和關(guān)閉。這個速度太快了，這臺可憐的舊電機甚至沒有意識到它正在開關(guān)：它認為它是由純直流電壓供電的。它也是一個高于可聽見范圍的頻率，因此電機發(fā)出的任何噪音都是聽不見的。它也足夠慢，以至于mosfet可以很容易地在這個頻率下開關(guān)。但是電動機有電感。電感不喜歡電流的變化。如果電機正在吸收任何電流，那么當(dāng)它打開時，這個電流會流過開關(guān)MOSFET，但是當(dāng)MOSFET關(guān)閉時，它會流向哪里呢？繼續(xù)讀下去，找出答案！

考慮上面的電路：這顯示了驅(qū)動MOSFET和電機。當(dāng)驅(qū)動MOSFET導(dǎo)通時，電流從電池正極流過電機和MOSFET（箭頭A），然后流回電池負極。當(dāng)MOSFET關(guān)閉時，由于電機的電感，電機電流保持流動。還有一個第二個MOSFET連接在電機上：MOSFET就像二極管一樣產(chǎn)生反向電流，這是通過MOSFET的反向電流，所以它傳導(dǎo)。你可以使用這樣的MOSFET（短接它的柵極到它的源）或者你可以使用一個功率二極管。然而，關(guān)于mosfet的一個不太為人所理解的事實是，當(dāng)它們被打開時，它們會將電流傳導(dǎo)到任何一個方向。導(dǎo)電MOSFET對任何方向的電流都是電阻的，而導(dǎo)電功率MOSFET實際上比正向偏置二極管下降的電壓要少，因此MOSFET需要更少的散熱和更少的電池電量。

從上面可以看出，如果驅(qū)動MOSFET在50%的占空比下工作，電機電壓是電池電壓的50%，因為電池電流只在MOSFET開啟時流動，所以電池電流只有50%的時間流動，所以平均電池電流只有電機電流的50%！

但是有一個問題：當(dāng)MOSFET關(guān)閉時，它不僅會中斷電機電流，而且還會中斷從電池流出的電流。來自電池的電線有電感（電池也是），所以當(dāng)電流中斷時，這個電感會產(chǎn)生電壓尖峰：在電路中，主電容器吸收（大部分）這個尖峰。當(dāng)驅(qū)動MOSFET再次開啟時，電池電流被要求快速流動，而這是不能的。主電容器在電池電流重新建立期間提供電流。在一個能夠提供120安培電流的控制器中，這個電容器工作非常辛苦，如果長時間吸入高電流（取決于電池引線長度），主電容器可能會爆炸！我們在開發(fā)電容器的過程中使用了早期的電線和電容器！電容器鍍銅鋼在電機控制應(yīng)用中，這些引線會變得非常熱！

從上面可以明顯看出，這個電容器所做的功很大程度上取決于電池線的回路電感。長導(dǎo)線的電感很高。扭動電池線會降低它們的電感。

不用說，電池引線中的電阻會產(chǎn)生類似電感的效果，所以這些電線應(yīng)該很粗。

還有，有些人想在電池引線上放一個電流表。誘惑應(yīng)該被抵制：簡單的汽車式電流表尤其是高感應(yīng)！

簡單的控制器（例如用于電動高爾夫球袋的控制器）通常忽略了昂貴的主電容器，而依賴于電池的電容。老鷹和白鷺這樣的控制者你可以離開。不過，對其影響作一個簡短的解釋是合理的。為了說明這一點，可以用一個示波器直接連接到蓄電池電源上看到的蓄電池電壓圖在控制器終端示波器接地在負軌上

頂部是“示波器”的電池正極視圖，底部是電機負極端子（由控制器切換）。波形已經(jīng)被清理了很多以說明：實際上波形上有很多“臟”的響聲。所示電源為12v。

我們在沒有電池電流的地方加入波形：電機輸出很高，電流在飛輪中循環(huán)。在A，控制器驅(qū)動MOSFET打開，將電機電流從電池中分流。但是電池引線有電感！電池電流不能立即啟動，因此電池引線下降12伏，控制器電壓熄滅，直到引線電感可以充電，這是在B點完成的。時間a-B取決于電流和電池回路電感，可以是很大比例的周期時間！

然后，在C點，底部MOSFET急劇關(guān)閉，中斷電流。電機電流沒有問題，它一直在流動，飛輪裝置在那里，以確保它！但是你不能突然停止電池電流-所以它以一個大的電壓尖峰的形式存在。這個尖峰上升直到某個東西給出：在這個例子中，它達到了MOSFET雪崩擊穿電壓，MOSFET將其鉗制。用示波器可以很容易地看到平頂箝位電壓。mosfet的額定重復(fù)雪崩能量，你必須確保儲存在電池回路電感中的1/2Li2遠低于安全的可重復(fù)雪崩能量。

這是一個問題：計算出電池回路電感幾乎是不可能的-即使對于一個工程師。對一個****徒來說，做這件事很難。因此，制造商只需向已知的一組客戶提供控制器，這些客戶以標準方式使用控制器，并根據(jù)經(jīng)驗對出現(xiàn)的問題進行分類。這總是一個非技術(shù)客戶試圖得到一些免費的東西：主電容器是需要的。對于某些應(yīng)用程序，你確實可以不需要！但這絕對是“逍遙法外”！

在帶有主電容器的控制器中，大部分（但不是全部）電源不規(guī)則都由電容器平滑。不過，當(dāng)電池電流中斷時，您會看到正的過沖和響鈴。

在你研究了下面的兩個電路之后，你可能更愿意回到這一點?！胺浅：唵蔚目刂破鳌辈话ㄔ偕苿樱案鼜?fù)雜的控制器”有。這個說明需要結(jié)合第二個電路來閱讀，而且還參考了上面的圖表，所以在這里插入是為了節(jié)省您重新加載的圖表。

電機控制的秘密之一似乎是再生制動。然而，這并不是什么秘密：提供再生制動的電路并不少見，但似乎很少有人意識到會發(fā)生什么。這樣就可以了。

在第一個電路（上圖）中，顯示了由電機驅(qū)動的mosfet的輸出對。還指出，對于電動機來說，控制器的輸出是純直流電壓（因為電動機的電感在開關(guān)周期內(nèi)保持電流基本恒定）?，F(xiàn)在，電動機將產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)速成正比的反電動勢。f.m.m將從零上升到控制器的輸出。

我們已經(jīng)看到，MOSFET是一個雙向開關(guān)，它對電流的兩個方向都進行電阻（當(dāng)它打開時）。所以考慮電流為零，控制器的輸出現(xiàn)在減少的情況。電機的背電動勢現(xiàn)在高于控制器的輸出電壓，所以電機會嘗試將電流反饋給控制器。如果它成功這樣做的馬達將被制動-我們將有再生制動。

這種類型的電路（當(dāng)損耗側(cè)關(guān)閉時hi側(cè)打開）能夠產(chǎn)生電流或者把它沉下去. 其工作原理是反向電機電流現(xiàn)在是飛輪MOSFET的正向電流，因此當(dāng)這一電流接通時，它會使電機短路-在此期間制動電流上升（箭頭B，反向）。飛輪MOSFET現(xiàn)在關(guān)閉了，但是由于電機的電感，電流必須保持流動。因此，它以反向電流流過驅(qū)動MOSFET，為電池充電。額外的電壓來自于儲存在電動機電感中的能量。從驅(qū)動切換到制動的過程是完全自動的。此外，這完全是由電機的速度超過驅(qū)動電壓，而沒有任何狀態(tài)變化或在控制器內(nèi)切換。如果你愿意的話，再生制動是控制器設(shè)計的副產(chǎn)品，幾乎是一個完全的事故。

下面的電路是關(guān)于最簡單的電機控制器。為了任何對電機控制器有任何了解的人的利益-4QD并沒有設(shè)計這個電路，我們完全不承認它，所以請隨意地笑或哭，不相信。如果你決定做它-是的，它是有效的，但因為我們沒有設(shè)計它，不喜歡它-對不起，但你自己！

不過，這是一個電路，我們組裝了一個客戶，我們做了幾千！有很多人還在英國的高爾夫球場里閑逛，所以這確實管用！這也說明了一些不該做的事情！

4049的前三個部分被布置，通過220K電阻器和22n電容器在輸入端進行整體反饋，以產(chǎn)生相移，作為振蕩器。輸出是一個矩形波形，由4049的其他三級緩沖，以驅(qū)動MOSFET柵極。振蕩器上的平均占空比（占空比）隨著輸入電壓的變化而改變。當(dāng)電位計處于最小值時，振蕩器以其低輸出停止（即，MOSFET沒有柵極驅(qū)動并且完全關(guān)閉），當(dāng)電位計處于最大值時，振蕩器以其高輸出停止-MOSFET始終處于開啟狀態(tài)。有幾個問題：首先，像這樣“拉動”振蕩器改變其頻率。這不會對工作產(chǎn)生太大的影響，只是如果頻率太高，mosfet開關(guān)會過快，溫度過高。如果太低，振蕩器的頻率會變?yōu)榭陕犚?，并且電機會發(fā)出嗚嗚聲。另一個問題是，它幾乎不可能拉一個振蕩器，使它在一個非常高和非常低的標記空間比之間變化！82K和2n2通過引入負反饋來降低正反饋回路中的增益，從而使振蕩器只是在振蕩：這是對電路的額外4QD，在此之前，控制器從80%到100%全速急劇躍遷。請注意，IC是4049UB（無緩沖），緩沖版本將無法工作。另外，某些型號的4049UB不能正常工作（有人用過東芝4049UB的一些剩余產(chǎn)品嗎？）因為他們太好了！

另一個令人討厭的事情是壺只改變了振蕩器的1/3的可用范圍：這在這個應(yīng)用中是可以的，因為壺是在一個只有90度的行程的扭握中使用的！但有必要調(diào)整手柄以獲得正確的射程。

對于振蕩器，就這么多。但如果有人注意到我上面提到的主電容器的缺失，請舉手。這些都是昂貴的部件：高爾夫球童出于這個原因往往不使用它們。當(dāng)MOSFET關(guān)閉電池回路電感時，會在驅(qū)動MOSFET上產(chǎn)生一個大的電壓尖峰（關(guān)閉時，請記住電機電流現(xiàn)在（主要）流過二極管）。但是在電池正極和MOSFET柵極之間有一個36v的齊納二極管。電壓尖峰出現(xiàn)在這上面，所以它傳導(dǎo)，可憐的舊MOSFET又重新打開了。事實上，齊納限制了MOSFET的關(guān)斷速率，以維持40v脈沖。MOSFET是非常堅固的設(shè)備，它們可以承受這種濫用（但有更優(yōu)雅的方法來做到這一點）。當(dāng)MOSFET再次接通時，電池試圖將電流通過電池回路電感，但不能，因此控制器上的電壓在嘗試中崩潰。但是MOSFET柵極有電壓存在，如果沒有與齊納串聯(lián)的二極管，則齊納會正向偏壓，使柵極與正軌短路（由于電源崩潰，現(xiàn)在處于零電壓）。

還請注意功率二極管作為反激。如果你看一下STP60N06和25JPF40上的規(guī)格，你會發(fā)現(xiàn)這是有些過火（蠻力和很多無知），但這種組合是由客戶通過使用一個更胖的設(shè)備，直到他沒有更多的失敗！一點技巧都沒有！更糟糕的是，控制器實際上沒有散熱，而是裝在一個塑料盒子里。從一個電子設(shè)計師的角度來看，這個電路幾乎沒有什么好的地方——除了它能工作，而且顧客對它很滿意！我必須承認，這實際上是兩個最重要的標準！

也沒有任何東西可以限制流過mosfet的電流-除了mosfet是2 x 60安培的器件，并且失速電機的電流大約是60安培。

在某種程度上，第二條電路與第一條電路相連。當(dāng)我看到第一個電路時，我不喜歡它，我很快就把第二個電路組裝起來，告訴客戶可以做些什么。它實際上很好用，但我們只做了幾個原型。第2期成為我們2QD系列的第一個生產(chǎn)版本。你可以安全地假設(shè)當(dāng)前的控制器已經(jīng)比這個早期的控制器進步了很多！然而，它是一個簡單的電路，能很好地完成工作（在其限制范圍內(nèi)）。它很好地說明了原則。

該電路使用了一個3524，一個“調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)制器”，所以對該集成電路的簡要描述似乎是合理的。該芯片的目標是電源，它有兩個交替輸出（引腳11和14），每一個都可以在0%到45%的周期時間內(nèi)打開。但是這些輸出可以像我們在這里所做的那樣連接在一起。因此，輸出是一個常規(guī)的pwm輸出（如本頁頂部所述），具有固定的頻率和從0%到90%的接通時間變量。順便說一句，這也是芯片的主要缺點之一——90%的準時率意味著你只能獲得90%的全速，而不是100%。這是4QD停止使用它的主要原因。

振蕩器頻率由連接到引腳6和7的電阻器和電容器控制。振蕩器的輸出，以及內(nèi)部連接，在引腳3上可用。振蕩器輸出用于驅(qū)動高側(cè)MOSFET柵極電源的電壓倍增器。稍后再談。

還有一個車載調(diào)節(jié)器：電源輸入到引腳15（引腳8是0v），引腳16是一個5v的調(diào)節(jié)參考電壓輸出。這是用來驅(qū)動速度控制鍋（3針連接器）。它還用于驅(qū)動針腳10的欠電壓停機。以后再說吧！

振蕩器的斜坡內(nèi)部連接到比較器，比較器將其與速度控制信號進行比較。比較器的輸出就是這個信號。

從電位器滑塊輸入的所需速度輸入到引腳2。這是傳統(tǒng)運算放大器的輸入，從引腳9輸出，負反饋通過預(yù)置到引腳1：預(yù)置然后調(diào)整增益。然而，這種運算放大器是非傳統(tǒng)的，因為它的輸出也連接到第二個“運算放大器”上，這樣第二個“運算放大器”可以超越第一個，并將其輸出拉低。第二個用于限流。它的正輸入在引腳4上，反向輸入是引腳5（與0v相連）。

來自3524的PWM輸出信號被饋送到一對****極跟隨器，以提供足夠的柵極驅(qū)動。47R門電阻減慢上升（接通）時間，二極管提供快速關(guān)斷。150pf也會減慢上升時間。然而，同樣的150pf也加快了高壓側(cè)（飛輪）驅(qū)動的關(guān)閉。只有當(dāng)損耗（驅(qū)動）MOSFET關(guān)閉時，Hiside才應(yīng)該被打開，理想情況下，當(dāng)兩個MOSFET都沒有柵極電壓時，應(yīng)該有一個小的“欠壓”——在開關(guān)過程中的一段時間（包括開和關(guān)）。如果兩個同時開啟，一個巨大的沖頭，盡管電流會產(chǎn)生，這將導(dǎo)致加熱，在極端情況下，可能是破壞性的。

因為這是用mosfet來感應(yīng)自己的電流，所以它可以接受范圍很廣的mosfet。然而，它是為標準mosfet設(shè)計的。尤其是高端不太可能與邏輯級mosfet正常工作，除非您稍微改變值。

還要注意，MOSFET柵極是由電池線驅(qū)動的。這是一個古老的電路，當(dāng)設(shè)計MOSFET時，柵擊穿電壓約為30v。隨著現(xiàn)代MOSFET的電壓越來越低，如果使用最大柵電壓為20v的MOSFET，用24v電池驅(qū)動很可能會產(chǎn)生煙霧！

hi-side MOSFET要求其柵極升高到ve供電軌上方，因為當(dāng)它導(dǎo)通時，它的柵極和源極實際上相互短路，并且與電源軌短路。要做到這一點，其柵極必須至少比電源高7伏，因此高于電源。

為了實現(xiàn)這一點，3524的振蕩器輸出被用來驅(qū)動泵電路。左邊的3個晶體管將振蕩器放大為方波，方波被饋送到100n的泵浦電容器和兩個二極管中的電壓倍增配置。倍頻器的輸出被饋送到12v齊納?，F(xiàn)在，當(dāng)損耗MOSFET打開時，這個齊納器的底部連接到負電源軌，所以會有一個24的直流路徑，通過二極管和齊納。470R電阻器與泵二極管串聯(lián)，限制通過該路徑的電流。

這就引出了高壓側(cè)泵的另一點。除了電壓倍增器外，還有一個“自舉”電路。忽略泵回路。當(dāng)損耗MOSFET傳導(dǎo)時，齊納（如我們所見）將有電流流過，因此齊納的電容器將充電。當(dāng)高壓側(cè)接通時，該電容器將保持該電荷，從而為高壓側(cè)柵極驅(qū)動供電。因此我們不需要泵電路。這個電容器上的hiside電源將在輸出停止切換而lo側(cè)關(guān)閉時衰減。這是在非常慢的電機速度，因為（或之后）電機停止，所以缺乏驅(qū)動不是一個問題。2QD配備hiside泵的唯一原因是可以在橋接配置中使用其中兩個。在這種特殊的配置中，當(dāng)輸出停止切換時，hiside驅(qū)動器不能崩潰。

如果你把鉛酸電池放電過多，會永久縮短它的壽命。因此，該電路測量電源并將其與5v參考電源進行比較。如果蓄電池電壓過低，晶體管會通過向針腳10發(fā)送信號來抑制pwm電路。

這個特性實際上并不像有些人認為的那么必要：對于每一個這樣的“特性”，都有權(quán)衡?？纯次覀兊目刂破鞴δ苤改细?/p>電流限制

我已經(jīng)覆蓋了MOSFET鏡電流傳感其他地方。這是一個應(yīng)用程序。3524的感應(yīng)輸入是為這種電流感應(yīng)而設(shè)計的：它有一個200毫伏的偏移量，所以當(dāng)引腳4上的信號超過200毫伏時，3524會降低接通時間，降低電機轉(zhuǎn)速。330R和100R感測到MOSFET電壓的?，因此使用這些值，整個MOSFET的限值大約為800mV。根據(jù)不同的MOSFET調(diào)整100R。這種電流感應(yīng)在3524上工作得很好，但芯片本身根據(jù)接通脈沖的長度，提供可變電流限制，因此感測電流在某種程度上取決于電機特性。

雖然該電路工作正常，是一種實用的控制器，但也存在一些不足。我們在這里不討論細節(jié)，但幾乎所有這些都被解釋了，并給予成員補救電子俱樂部但如果你想了解如何操作，你需要訂閱4QD-TEC，請參閱本頁下方。

• 如前所述，3524電路不會提供超過90%的全速。

• 在驅(qū)動模式下，電路電流受到限制，但如果您要在山頂啟動車輛并進入下坡再生制動，則沒有任何東西可以限制再生電流。這是很有可能增加限制的再生制動和4QD有一個獨特的簡單和有效的方式來做到這一點，我從來沒有見過其他地方。你必須加入4QD-TEC才能了解詳情！

• 再生過電壓。如果在剎車時電池斷開，再生的能量就無法反饋到電池中：相反，再生的能量會提升控制器上的電壓，直到mosfet發(fā)生故障：如果它們不能吸收再生的能量，那么你就有了一個昂貴的煙霧發(fā)生器。治療很容易。

• 破壞MOSFET控制器的一件事是電池倒換：兩個MOSFET現(xiàn)在是兩個正向偏置二極管，連接在電池上?？吹搅藛嵛覀兊某Ｒ妴栴}解答表為了治療

• 另一個破壞所有已知的MOSFET控制器的事情是牽引它們安裝在其中的車輛。如果電機的反電動勢超過電池電壓，驅(qū)動MOSFET將成為正向偏置二極管，將電機產(chǎn)生的輸出直接供給電池。沒有辦法限制這種電流，所以MOSFET的目標是閃光和一股煙。幸運的是，這種故障模式非常罕見，但確實沒有簡單的防護措施。

一個流行的“老太太的故事”是PWM導(dǎo)致電機比純直流更熱。就像大多數(shù)老太太的故事一樣，這源于誤解培育的部分真相。“神話”的出現(xiàn)是因為，如果頻率是太低，電流是不連續(xù)的（或者至少在pwm波形上是可變的），因為電機的電感在波形關(guān)閉期間不能正確地保持電流。所以電機電流是脈沖的，不是連續(xù)的。平均電流將決定轉(zhuǎn)矩，但加熱將是電流平方的積分（加熱與I2R成比例）-電流的“形狀系數(shù)”將大于單位。頻率越低，紋波電流越高，加熱越大。

所以考慮一個過于簡單的情況，電流是開還是關(guān)。如果電流在1/3的時間內(nèi)流動，你需要一個相當(dāng)于1安培連續(xù)電流的電機轉(zhuǎn)矩，那么你顯然需要1安培的平均電流。要在占空比為33%的情況下執(zhí)行此操作，您必須有3安培（1/3時間的電流）。

現(xiàn)在一個3安培的電流將產(chǎn)生9倍于1安培連續(xù)加熱效果的平方。

但是如果3安培的電流只占總時間的1/3，那么電機中的加熱是1/3時間的9倍，或者比穩(wěn)定的1安培大3倍！據(jù)說這個波形的“形狀系數(shù)”是3（或者是33%——毫無疑問，有人會糾正我的錯誤！）

然而，如果脈沖重復(fù)頻率足夠高，電機的電感將引起飛輪效應(yīng)，電流將變得穩(wěn)定。例如，林奇電機的電感只有39微亨利（這是我所知道的電感最低的電機之一），電阻為0.016歐姆。L-R電路的“時間常數(shù)”為L/R（對于Lynch電機）為2.4毫秒。對于SEM DPM40P4（1kW），電感為200微歐，電阻為40毫歐姆，時間常數(shù)為5ms。

根據(jù)經(jīng)驗法則，為了避免過多的數(shù)學(xué)運算，脈沖重復(fù)周期必須明顯短于電機的時間常數(shù)。

影響PRF的其他因素有：
如果是在音頻帶內(nèi)，電機會發(fā)出嗚嗚聲（由一種稱為“磁致伸縮”的現(xiàn)象引起），所以請保持在音頻帶上方。
MOSFET電路在從一種狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)時損耗最大，因此頻率不應(yīng)太高-MOSFET可以小心地使用到100kHz，但這有點高。
射頻****：頻率越高，頻率越低越好！

顯然很難在這兩者之間選擇一個“最佳”的折衷方案，但最佳頻率似乎在20kHz左右。

顯然，這個腳本只涵蓋了其中的一小部分技術(shù)：看看我們的Pro-120規(guī)格。它具有線性加速和減速斜坡、過放電限制、高踏板鎖定、雙斜坡?lián)Q向、再生電流限制、反向極性保護以及本文提到的所有點。我們還引用了1分鐘110安培的報價：真正的事實是，我們每分鐘可以得到120安培。我們也知道沒有什么“公平”的方法來摧毀它：即使是把發(fā)動機短路也不會使它爆炸。全速倒車是安全的。倒換電池是安全的。不要指望斷開控制器的電池是安全的。然后我們試圖保護它不受非技術(shù)客戶可能對它做的所有事情。我們認為我們已經(jīng)成功了——當(dāng)然，直到我們找到了比我們更聰明的客戶！即使我已經(jīng)準備好嘗試，我也可以用語言表達設(shè)計這種控制器所需的所有經(jīng)驗，更不用說以我們的價格銷售它來獲利了。如果你不相信這一點，那就試著問問類似控制器的一次性價格。