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1.0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1.1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。1.2产品背景1.3参考资料Datasheet：KinetisKE02Datasheet：MKE02Z16VLC2Datasheet：MKE02Z64M20SF0RMDatasheet：FSB50760SFTDatasheet：TNY266Datasheet：FAN75272.硬件电路概述2.1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。2.1.1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：AC85V~265V（2）输入频率：50Hz（3）工作温度：-20℃~+70℃（4）输出电压/电流：400V/0.25A（5）转换效率：≧85%（6）功率因数：≧90%（7）输出电压精度：±5%系统整体框架如下EMI滤波AD/DC整流前极保护电路控制器FAN7525功率因数校正DC/DC变换TNY266控制器输出400v直流电输出15v直流电机直流母线供电驱动芯片供电控制电路供电输入220~如图所示为电源的整体架构框图，主要目的是在输入的85~265V、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模块。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模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。2.1.2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P22.2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。2.2.1控制系统整体框架如下：220V~PFC电源电路开关电源400vMCUMKE02Z16VLC2DRIVEFSB50760SFT15V6路PWMSWD下载模式串口通信VSP转速调节FG转速输出直流无刷电机UVW霍尔传感器电流检测过流保护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MOSFET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PWM信号，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。2.2.2系统接口电路接口描述对应原理图接口形式UART串口通信J12.54mm间距插针SWD程序下载调试J22.54mm间距插针Power电源接口PIN62.54mm间距插针3．硬件系统详细设计3.1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、BoostPFC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。3.1.1输入保护电路设计设计输入保护模块如图4.1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)%/℃，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。3.1.2EMI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0.33u/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UU10.5-10mHmin-1.0A。3.1.3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。3.1.4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60μA最大不超过100μA。采用8引脚的DIP和SOP封装，其引脚排列如图所示，引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2.5V到此管脚2EA_OUT放大器的输出端，与INV端口连接电容形成补偿网络3MULT乘法器的输入端，与整流输出的分压电压连接4CSPWM比较器输入脚。采样MOS管的电压值，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3.1.5FAN7527B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2.5V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1.8V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1.8V，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关断，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的直接驱动而设计的。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。3.1.6BOOSTPFC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=85Vac~265Vac；电网频率：50Hz；输出电压Vo：Vomax=400V；效率η：90%；功率因数：0.98；输出最小电压：Voutmin=150V；开关频率的最小值：fswmin=34kHz；PFC输出电流有效值为：AVPI25.0400100outoutout输入最大功率WPP1.111%90100outin输入平均电流APFVPI33.198.0851.111acmininin升压电感峰值电流AII77.333.12222inpk电感L最大电流有效值AII66.2253.12pkrmsBOOST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：AVPI85.12859.0100222inmin0pkmax561009.12.085.11066046pN实际取值60匝，辅助绕组计算计算得Naux=4.2，实际取值5匝。3.1.7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：uHVfICo19563414.3225.020maxmin实际取值为220uH3.1.8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2.5V进行比较。计算公式如下：00635.2VVRR计算得R3=1.2M，R6=10K3.1.9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：3758.31355RRR取R5=1.5M，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22K3.1.10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R0.7Ω，设计取为0.39Ω/1W。3.1.11功率开关管和二极管的选择当功率开关管关断时，其源漏极耐压为：Vdss1.2*V0=1.2*390=468v实际取值为耐压值600v流过开