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硬件电路设计说明书V1 文档版本 1.0编写人：***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：Kinetis KE02Datasheet：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：AC 85V~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。
直流无刷电机电动自行车控制器的硬件设计摘要：电控系统是电动自行车的核心部件，其控制器的性能是决定电动自行车稳定可靠运行的重要因素。
本文主要对于直流无刷电机电动自行车控制器的硬件设计相关技术进行分析，对于今后电动车控制系统设计具有一定帮助。
关键词：直流无刷电机控制器，电源转换，硬件设计，电路设计电动自行车控制器的硬件部分分成以下部分[1,2]：电源部分是利用控制器的电源VSS经过电压转换产生+5V和+15V，分别供给单片机及其外围部分和IOR2103功率驱动部分，VSS提供MOSFET管的电源输入；欠压检测部分把VSS通过电阻分压送入单片机与设定电压比较来判断电源是否欠压；换相电路通过74HC08与非门产生跟电机相位序列一致的控制序列，经过霍尔传感器利用反电势原理的位置信号，把该信号的状态与电机的固定序列进行比较判断换相的正确性；MOSFET驱动电路由IOR2103把上管和下管控制信号进行放大，从而来驱动大功率管。
1 芯片选型设计硬件前有许多准备工作需要做，他们是硬件设计的基础主要有芯片选型芯片选型。
在电动自行车无刷电机控制器这样一个应用场合来说，根据对控制器的要求有多种数据处理芯片可供选择。
若控制方法复杂、运算量较大，精度性能要求较高，可以选用OSP高性能芯片船1。
若运算量较小，速度要求不特别高，主要运算为逻辑运算，而且输出I／O口较多，则应用单片机设计较好。
单片机的好处是自带I／O接口、PWM模块、捕捉／比较功能、外中断、内部定时器甚至通讯、自编程等功能方便实现用户功能的同时大大减少外围电路、降低成本和可靠性。
目前市场上单片机种类型号非常多，多家公司在生产，各有所长。
这其中，MICROCHIP公司的PIC系列单片机型号尤其丰富，内部功能模块配置多样、齐全，12位、14位、16位及32位(按指令长短区分)一应俱全，以适应市场细分化的趋势而取得销售份额的增长。
所以，此次研究的控制器，采用PIC单片机。
9-10 直流无刷电机的设计9-10-1直流无刷电机的概述直流电机有无可伦比的优点，体积小，重量轻，结构简单，速度变化范围大，供源简单，移动方便，价格低廉，制造简单，工艺性好等等，是我国用量最大的一种电机。
但是直流电机由于换向的需要，因此必需要由电刷和换向器来换向。
由于换向器和电刷的作用，就给电机带来各种不良的影响，如噪声，电刷运行寿命，电机干扰和电机本身体积等问题。
直流电机最大的缺点是电机寿命远远不如交流电机，交流同步电机等等无刷电机。
交流电机，交流同步电机是交流供电的，由于用的是交流电源，在50HZ 的交流电源中，一对极的交流异步电机的同步理论转速是:m in /30001506060r p f n =⨯=⨯=，在交流同步电机中的同步转速也应该为m in /3000r ，如果把电源的频率调高或调低，则电机的工作转速也可以很高或者较低的。
但这个电机的供源是交流电，如果把直流电源通过电路的转换，变成可以交变的波形供给交流电机或交流同步电机，那么交流异步电机或交流同步电机也可以很好的转动起来的，这就是直流无刷电机的最直观的概念。
要把直流电转换成单相或三相交变电源，在上世纪中叶还是一个非常麻烦的事，那时只有电子真空管，体积很大，输出电流很小，那时台式收音机就有12英寸的电视机那么大，无法和现在手指那么大的MP3相比拟。
后来发明了半导体和相应的各种半导体技术使电子控制技术推向了一个新纪元。
各种电源逆变，分配技术，换相技术的相继出现，许多高性能，高功率的半导体器件的研制成功，从而使电机领域出现了机电一体化的步进电机，直流无刷电机，并迅速在各个领域得到了广泛的应用。
当出现了永磁直流无刷电机后，就体现了它强大的生命力，永磁直流无刷电机有许多优点，如干扰小，(电路部分有一定的电磁干扰的)，运行寿命长，调速性能好，控制方法多，输出力矩大，过载能力强，调速范围宽，起动响应快，运行平稳，效率高等。
永磁无刷直流电机有许多交流异步电机，步进电机和直流电机不具备的优点。
系统硬件设计图3.1为该系统硬件总体框图，整个系统由功率驱动电路、调理与保护电路、DSP控制电路及无刷直流电机本体四大部分组成。
本节将分为两部分，即功率驱动硬件部分和数字控制硬件部分，阐述该系统的硬件设计。
图3.1 无刷直流电机系统硬件框图3.1功率与驱动电路本节先根据系统的特点，分析电路的拓扑选择，然后按照电路的三级结构，逐级说明其具体实现过程。
3.1.1 功率电路拓扑选择该电路输入单相交流电（220V/50Hz），输出直接驱动无刷直流电机。
电机前级需有三相逆变桥实现换相，由于电机频率较高，因而受三相逆变桥开关频率的限制，无法采用逆变桥PWM脉宽斩波控制实现调速控制。
本功率系统结构选择“交流-直流-直流-交流”方式，即在逆变桥前级加入buck电路，采用buck调压调速方式控制该高速永磁无刷直流电机。
功率电路结构框图如图3.2所示。
图3.2 功率电路结构框图3.1.2 启动缓冲电路图 3.2中第一级采用二极管不控整流，再用大电容滤波后得稳定直流电压1U 。
电路上电时，由于电容1C 两端电压不能突变，上电产生瞬间的大电流给其充电，该电流太大将造成1C 损坏。
为此，电路中加入了启动缓冲电路。
如下图3.3所示，上电时晶闸管1Q 尚未导通，通过11R C 串联回路给1C 充电，充电电流较小，1U 缓慢上升，电容受到保护。
再利用电阻2R 、3R 对1U 分压采样，当1U 上升到约输入电压峰值的90%时，采样电压1s U 将超过设定的门限电压TH U ，通过比较器后驱动光耦，从而触发晶闸管导通。
晶闸管导通后，1R 被短路，电路进入正常工作状态。
此后向后级供电的过程中，晶闸管一直导通，2R 、4R 的阻值非常大，不对后级产生影响。
后级关断或电路掉电时，1Q 关断，4R 为1C 提供放电回路。
图中TH U 由CC V +经电阻分压得到，而CC V +是由/AC DC 模块电源获得。
G AU 1s U Q 1图3.3 启动缓冲电路示意图3.1.3 直流-直流变换该环节实现调压调速功能，直接利用Buck 变换器降压，但电机满载时该电路输出电流很大，所需输出滤波电感太大。
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：Kinetis KE02Datasheet：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：AC 85V~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。
无刷直流电动机硬件设计3.1 逆变主电路设计3.1.1 功率开关主电路图3-1 功率开关主电路原理图逆变器将直流电转换成交流电向电机供电。
与一般逆变器不同，它的输出频率不是独立调节的，而是受控于转子位置信号，是一个“自控式逆变器”。
由于采用自控式逆变器，无刷直流电动机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器不会产生振荡和失步，这也是无刷直流电动机的重要优点之一。
3.1.2 逆变开关元件选择和计算MOSFET在1960年由贝尔实验室（Bell Lab.）的D. Kahng和 Martin Atalla 首次实验成功，这种元件的操作原理和1947年萧克莱（William Shockley）等人发明的双载子晶体管（Bipolar Junction Transistor, BJT）截然不同，且因为制造成本低廉与使用面积较小、高整合度的优势，在大型积体电路（Large-Scale Integrated Circuits, LSI）或是超大型积体电路（Very Large-Scale Integrated Circuits, VLSI）的领域里，重要性远超过BJT。
近年来由于MOSFET元件的性能逐渐提升，除了传统上应用于诸如微处理器、微控制器等数位讯号处理的场合上，也有越来越多类比讯号处理的积体电路可以用MOSFET来实现。
表3-1对IGBT、GTR、GTO 和电力MOSFET的优缺点的比较器件优点缺点IGBT 开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小开关速度低于电力MOSFET,电压，电流容量不及GTOGTR 耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低 开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题GTO电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强 电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低电 力 MOSFET 开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW 的电力电子装置通过上述的比较，我选择MOSFET 。
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：Kinetis KE02Datasheet：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：AC 85V~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 2.54mm 间距插针Power 电源接口PIN6 2.54mm 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、Boost PFC 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。
3.1.2 EMI 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UU10.5-10mH min-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500mA8 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。
3.1.6 BOOST PFC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：A V P I 25.0400100out out out === 输入最大功率W P P 1.111%90100outin ===η 输入平均电流A PF V P I 33.198.0851.111acmin in in =⨯=•= 升压电感峰值电流A I I 77.333.12222in pk =•=•=电感L 最大电流有效值A I I 66.2253.12pkrms === 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：A V P I 85.12859.0100222inmin 0pkmax =⨯⨯⨯=⨯⨯•=η 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。
