「电路分析」PWM速度控制4:现代2QD系列
这是有关设计PWM控制器的系列文章中的第四篇。
问题7和8控制器电流源现在感觉9v1齐纳。这是为了提供一条在12伏电压下仍能保持稳定的供电线路。以前,12伏供电时的电流限制会降低,因为参考电压是从这个电压中得出的。主动上拉拉动IC1b引脚14的4mA电流源已被移除。没必要。而是安装了1K电阻器。这在零速度下需要9毫安,这是一个小缺点。主电容器有两个x 470µ。这些是轴向型,平放在木板上。正如在www网站页面上所解释的,电容器类型的选择对于最佳性能至关重要,现在使用的是一种插入式,带有短而短的引线。再生制动失效过去有一个开关短路Tr5,以挫败再生制动。现在hiside驱动器已经改变,电路上有三个元件被标记。Tr6中的1K集电器通常是安装好的,为了防止再生制动而将其拆下。同时10公里进入Tr8基地改变位置。hiside驱动程序的操作在下面是更多细节还有一个关于抑制再生制动 .捕捉二极管Tr4上有一个二极管。这是为了钳制9v1电源的栅极电压尖峰。要求这样做的原因是有原因的,并将及时予以说明。再生电流限制有一个新的电路增加感测顶部(飞轮)MOSFET。这是hiside电流限制。它的操作是稍后讨论 .过电压箝位增加了一个36v齐纳。这是过电压钳位,包括以下内容 .
希思德司机横向驱动是电机控制器的重要组成部分。我们使用的电路非常简单,工作良好,但有低电流要求。它是一个双作用电路,自举泵加主动泵。让我们先考虑一下“引导”操作。忽略一个事实,有一个电容器从Tr10的****极馈电-那就是主动泵。
当电路处于零速时,不切换,Tr5断开,下部MOSFET断开,没有电机电流,因此顶部MOSFET通过电机有效短路。它的栅极和所有栅极驱动电路有效地位于正电源轨上。
一旦控制器开始工作,最初的电机速度(平均电压)将非常低。这是通过低侧MOSFET在很短的时间内打开来完成的。在低MOSFET开启期间,M线变低。因此,电流从B+线路流过两个二极管和1K电阻器,为1µ电容器充电。从24v通过1K电阻充电的1µ电容器在24v/mS(CV=IT或V/T=I/C)下开始充电,振荡器的标称值为20kHz,整个周期为50µs,因此短脉冲的长度只有几微秒:1µcap需要几个周期才能达到任何有用的电压。事实上,这并不重要:如果帽没有充分充电,那么顶部的MOSFET将无法正常开启,但这一点也不重要,因为在1µ帽充分充电之前,MOSFET只会像飞轮二极管一样工作:它仍将允许飞轮电流循环,但由于没有开启,损耗将更高。这没关系:因为控制器刚刚开始切换,平均电机电压很低,那么电机电流也很低!当然,在没有栅极电压的情况下,你无法获得任何再生制动-但是电机在这一点上实际上没有移动,因为电压还不足以克服摩擦!事实上,我们只需要引导泵:主动泵是非常不必要的。
这个只有主动泵的原因是可以将两个2QD背靠背连接起来,形成一个全桥控制器。在此应用中,一个或另一个控制器(取决于方向)必须在电机不工作时使其与蓄电池正极短路。正如我们刚才看到的,电路并不是只使用自举泵来实现这一点的,所以主动泵在这个应用中是存在的。主动泵通过施加在电容器上的方波来工作。当方波较低时,电容通过二极管从B充电,当方波变高时,它通过第二个二极管和1K电阻放电到1µhiside储液罐电容器中,因此即使MOSFET没有开关,栅极电压也保持在8.5v左右。
你也会注意到钳位齐纳的位置已经移动:在早期的电路中,它穿过储液罐电容器。现在它把车手的底座夹紧到M-。这样做的优点是齐纳电流很低,受到基极电容的限制,而不是二极管串联电阻的限制,因此齐纳损耗不是问题,电路将在更宽的电压范围内工作。这意味着二极管串联电阻可以小得多,因此电容器充电更快。缺点是NPN晶体管现在受到全电源电压加上泵浦电压的影响。
再生电流限制Tr11和Tr12是再生电流限制电路。虽然其他控制器有电流限制,但它们通常不采用mosfetrds(开)感应,但有些更复杂或更慢的方法。这种电路是4QD所独有的,是一种非常简单、优雅、有效的传感方法。
考虑电路颠倒电机电流流动:电机正在再生,电流从M流过MOSFET等流向M-。当顶层MOSFET在这些条件下开启时,驱动器试图减少电机的负电流,而电机的电感使电流与电池电压相反:这是再生电流,给电池充电。很明显,顶部的MOSFET将有一个高电压通过它,所以Tr11将导电。只要顶部MOSFET的电压超过2xV,Tr11就导通(借助于10K-10K基极电阻)是穿过它
小于2xV时是穿过MOSFET,Tr12可以工作。如果小于1.3倍,则不会打开是通过由10K和3K3基电阻定义的MOSFET),在这个电压下,MOSFET正常导电。但是,如果注入的电流太高,那么这个电流会上升到晶体管12的电流电平。由于我们正在监测的电流是由过度再生引起的MOSFET正向电流,为了减少它,我们需要减少再生,我们只能通过降低减速来做到这一点。换句话说,我们必须加速,增加驱动力,减少再生电流。这正是这个电路的作用。
过电压箝位你会注意到在Tr12上有47v齐纳二极管。选择47v是因为所用的MOSFET的额定电压是50v。当电源电压上升到47v以上时,它导通。假设控制器的再生能力太强,变成了哑弹电池(可能是它掉下来了,落在了高尔夫球场上)。很明显,如果没有电池,我们就不能重新启动刹车。所以我们需要增加速度(就像我们用过量的再生电流一样)。这个齐纳做到了。很明显,箝位水平需要在预期的MOSFET安全运行范围内:47v可能看起来有点接近允许的50v,但请记住,50v绝对是一个更糟糕的情况:我们不应该得到一个MOSFET,它在50v时会失效,并且有制造商的安全裕度。还要记住,齐纳永远不应该这样做。它只限制严重故障条件下的过电压。如果我们没有限制在这个故障下-那么控制器肯定会被摧毁。接近极限航行仍能提供很好的保护。
然而,在这一点上值得补充的是,在使用再生制动的车辆中,是电池而不是控制器来进行制动!如果你住在一个大山顶上,开始时用充满电的电池是不明智的,因为那样你就没有刹车了!具体需要什么样的箝位电压取决于该事件发生的可能性。事实上,有一次,一位客户使用了一个带有60v MOSFET的48v控制器。这个控制器现在正是因为这个原因使用了75v MOSFET,带一个72v箝位齐纳!这一变化还要求其他一些半导体需要升级到更高电压的器件。
抑制再生制动为什么有人真的想要抑制再生制动?我想是因为他们有一个齿形带传动装置,而再生装置传送动力的方式不对,导致了齿跳。
一些高尔夫球童制造商主要认为,因为他们安装了机械式自由轮装置,他们必须抑制再生制动。不正确:因为自由轮的再生制动什么也做不了,所以是无害的。
4QD www网站上的公共访问pwm电路解释了如何实现再生制动。当损耗为关时,将hiside打开可以获得更好的效率,因为飞轮装置是一个低值电阻(打开的MOSFET)而不是二极管。电阻的压降一般较小,因此效率更高。事实上,hiside是切换给再生制动。
4QD有一个非常巧妙的方法来同步切换hiside:实际上hiside现在是一个同步整流器:不是新技术,但据我所知,没有其他公司在电机控制器上使用过这一原理。
为了抑制再生,1K被移除(如电路上所示)。所以Tr5断开了。然后hiside将永久开启。但是Tr8的b-e电阻也被移除,取而代之的是一个从Tr8底座到电池正极的电阻。这使得Tr8的基极****极直接穿过MOSFET——通过一个10K电阻来限制任何电流。
当Hiside MOSFET飞来飞去时,电流从源极流到漏极。因此Tr8的基是反向偏压的。它不能打开。但当电机电流反向时,情况就会改变。
考虑一下在底部MOSFET关闭之前的情况。顶部的MOSFET将有一个高电压通过它,因此Tr8将被打开。Tr7和Tr8形成“PU对”(参见www站点电路)所以两者都被打开,顶部MOSFET的栅极被硬地夹在它的源上。当底部MOSFET关闭时,电机电流试图通过hiside MOSFET飞轮。没有问题,如果它是正向电机电流,它将首先流经顶部MOSFET的体二极管。但是正如我们刚刚看到的,这导致了Tr8的基极上的负电压,所以这对在这一点上关闭,Tr6拉起了MOSFET栅极,打开了它。
当底部MOSFET开始启动时,首先它的电流必须上升,直到所有的电机电流都流过它:这是任何控制器的正常状态,直到这发生,通过飞轮装置的电流才能降到零。然而,在这个电路中,底部的MOSFET电流必须再上升一点,直到有足够的电流通过顶部MOSFET,从而在正向方向上降低足够的电压,使Tr8的基极****极被打开。在这一点上,输入对卡入,短路MOSFET栅极并关闭它。如果这看起来有点激烈,看看MOSFET瞬态电流处理规范,记住这个过电流流动大约一微秒。
闸门夹紧人们常说在MOSFET的栅极上需要一个齐纳二极管来防止电压瞬变。很少有人解释这些瞬变的来源。然而,这些控制器设计的永磁电机具有换向器和电刷。当电机旋转时,这些电流在适当的绕组之间快速切换。画笔呈弧形。你可以清楚地看到这种电弧,如果你看电刷,而电机正在工作:只有非常好的设计和新的电刷不会显着电弧。
第一批无线电传输是用火花****进行的。电弧是产生宽带噪声的非常好的发生器,而且(由于可能有大量电流流动),这种噪声也可能具有非常高的能量。如果电机接线恰好有正确的传输路径,与产生的噪声瞬态相吻合,那么一个巨大的尖峰会传回mosfet。这种噪声尖峰可以通过MOSFET的内部电容耦合到它自己的栅极上,如果栅极驱动电路出错,就会产生栅极电压瞬态,从而破坏MOSFET。因此,需要考虑这种机制,夹持浇口是其中一种方法。
这种类型的噪声的问题是,系统没有被抑制的水平:总有可能出现高于保护水平的噪声峰值。这种情况与防洪、防震、防雷非常相似,“安全”根本不存在!这都取决于统计概率。
我们很难理解这一点:第2期2QD电路有一个电流源,而不是1K上拉IC1b引脚14。当我们用一个电阻代替它时,我们突然发现了更多看似随机的故障。这种改变实际上是首先在NCC控制器上完成的,它使用相同的电路。一位顾客反复吹坏了后面的电路,而不是前一个。
然后我们注意到,卡在继电器,在极片和电枢之间,有铁屑!当被询问时,客户承认他在系统附近使用过角磨机。铁屑进入了马达和控制器。你可以想象当锉屑卡在碳刷装置里时,一定会产生噪音!
电流源实际上将MOSFET栅极驱动电阻器的基极(通过晶体管集电极基极结二极管)夹在9v1线上,在那里它被齐纳钳位。用1K代替电流源也用1K代替尖峰箝位,导致可靠性下降。幸运的是,我们遇到了这种“坏运气”——它使我们能够识别出一种机制,这种机制在设计得当的控制器上非常罕见,以至于很难识别:它只是偶尔出现的随机和不稳定的故障,没有任何好的理由。问题是,如果你有一个每100000个控制器小时发生一次的故障机制,你需要足够的控制器在现场,以回报率足以让你真正认识到存在一种模式。只有这样你才能开始研究原因。
D6将栅极直接夹在9v1线路上,9v1线路本身由一个齐纳到MOSFET源箝位。在后来的设计中,一个9v1齐纳在****门驱动器钳直接到0v。D6在这里工作,因为轨道路径非常短。
后记这涵盖了2QD电路:控制器本身现在不是4QD的首选产品:它没有任何问题,它是一个非常简单可靠的控制器,生产成本低廉,每次都能工作。作为一个DIY控制器,它是理想的。但真正的市场对电路的要求越来越高。代替2QD的控制器是Uni。它是盒装的,更立体的形状似乎更受欢迎。
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