直流无刷电机硬件设计Word文档下载推荐.docx
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MKE02Z64M20SF0RM
FSB50760SFT
TNY266
FAN7527
2.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
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
P2
2.2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：
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
UART
串口通信
J1
2.54mm间距插针
SWD
程序下载调试
J2
Power
电源接口
PIN6
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
1
INV
放大器的反相输入端，电压经过电阻分压2.5V到此管脚
2
EA_OUT
放大器的输出端，与INV端口连接电容形成补偿网络
3
MULT
乘法器的输入端，与整流输出的分压电压连接
4
CS
PWM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
5
IDET
零电流检测端
6
GND
地
7
OUT
驱动输出。
推挽式输出可以驱动开关管的最高电流为500mA
8
VCC
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：
输入最大功率
输入平均电流
升压电感峰值电流
电感L最大电流有效值
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：
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：
实际取值为220uH
3.1.8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：
计算得R3=1.2M，R6=10K
3.1.9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：
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22K
3.1.10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。
计算得R<
0.7Ω，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
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