電子風(fēng)扇專用無(wú)刷直流電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究

摘要：為了解決客車、城市公交車在實(shí)際使用中發(fā)動(dòng)機(jī)不同溫度狀況下的散熱問(wèn)題，有效地保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常使用溫度，車載電子風(fēng)扇是最佳選擇。指出了電子風(fēng)扇專用無(wú)刷直流電機(jī)控制電路的一些注意事項(xiàng)，結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化電路中元器件的參數(shù)，很好地保證電機(jī)穩(wěn)定正常運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：電子風(fēng)扇；無(wú)刷直流電機(jī)；電機(jī)控制；元器件參數(shù)

0 引言
    電子風(fēng)扇是一款針對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)散熱而設(shè)計(jì)的全自動(dòng)分階控制產(chǎn)品，適用于各種型號(hào)的客車、城市公交車的發(fā)動(dòng)機(jī)散熱系統(tǒng)。本產(chǎn)品很好地解決了客車、城市公交車在實(shí)際使用中發(fā)動(dòng)機(jī)不同溫度狀況下的散熱問(wèn)題，有效地保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常使用溫度控制，有效防止車輛在運(yùn)行過(guò)程中由于發(fā)動(dòng)機(jī)溫度過(guò)高而導(dǎo)致的自燃、燒發(fā)動(dòng)機(jī)、高能耗等問(wèn)題，是車載電子風(fēng)扇的最佳選擇。

1 總體控制方案
    本文研究的電子風(fēng)扇采用的是三相異步無(wú)刷直流電機(jī)，其相對(duì)于有刷電機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)：
    (1)可以根據(jù)冷卻水的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，起到節(jié)能效果；
    (2)采用無(wú)刷控制，延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命；
    (3)電子換相代替機(jī)械換相，減少機(jī)械磨損等能量損耗；
    (4)轉(zhuǎn)速高，空載轉(zhuǎn)速達(dá)5 000 r／min，負(fù)載轉(zhuǎn)速達(dá)3 500 r／min。
    車載電子風(fēng)扇產(chǎn)品如圖1所示。

    本產(chǎn)品無(wú)刷直流電機(jī)的控制采用的是Motorota公司的第二代無(wú)刷直流電機(jī)專用集成芯片MC33035，外接功率開(kāi)關(guān)器件后，可用來(lái)控制三相異步無(wú)刷直流電機(jī)。配合MC33039電子測(cè)速做F／V轉(zhuǎn)換，引入測(cè)速反饋后，還可以構(gòu)成閉環(huán)速度調(diào)節(jié)控制器。[!--empirenews.page--]
    圖2為三相異步無(wú)刷直流電機(jī)典型的控制電路圖。

    MC33039通過(guò)MC33035的管腳8的6．25 V基準(zhǔn)電壓供電，用來(lái)產(chǎn)生需要的反饋電壓，而不需要使用昂貴的轉(zhuǎn)速計(jì)。MC33035也用霍爾效應(yīng)傳感器信號(hào)檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置。霍爾效應(yīng)傳感器信號(hào)的每次正極或負(fù)極轉(zhuǎn)換都會(huì)引起MC33039產(chǎn)生一個(gè)輸出脈沖，這個(gè)脈沖的幅度、延遲時(shí)間由外部電阻R1和電容C1確定。MC33039管腳5的輸出脈沖序列通過(guò)MC33035的誤差信號(hào)放大器積分，產(chǎn)生一個(gè)和馬達(dá)速率成正比的直流電壓。這個(gè)和速率成正比的電壓設(shè)定了MC33035馬達(dá)控制器管腳13的PWM基準(zhǔn)電平，并閉合成了反饋回路。MC33035輸出驅(qū)動(dòng)一個(gè)TMOS功率MOSFET三相電橋。
    基于專用集成電路的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，使得控制電路體積減小很多，而且可靠性也提高。但是，在做三相異步無(wú)刷直流電機(jī)的控制器這個(gè)項(xiàng)目時(shí)，調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)比較重要的事項(xiàng)。

2 功率開(kāi)關(guān)器件的選取
    功率開(kāi)關(guān)器件主要由MOSFET，IGBT或者功率模塊(IPM)等全控型電子功率開(kāi)關(guān)組成。
    本文設(shè)計(jì)的電機(jī)控制器，工作電壓為28 V(公交車發(fā)動(dòng)機(jī)電壓)，最高轉(zhuǎn)速為3 000 r／min，工作溫度為70℃左右。在低電壓、低頻率和較高溫度的工作環(huán)境下，選用MOSFET功率管，開(kāi)關(guān)損耗很小，安全工作區(qū)寬，幾乎不存在二次擊穿問(wèn)題，漏極電流為負(fù)溫度特性，輸入阻抗大，是電壓控制型自關(guān)斷首選器件。
    經(jīng)過(guò)調(diào)試設(shè)計(jì)，最終選擇IRF4905和IRF1010，這兩個(gè)器件的開(kāi)關(guān)特性很好，上升下降時(shí)間都在ns級(jí)之內(nèi)，而且導(dǎo)通電阻很小，IRF4905為0．02 Ω，IRF1010為0．01 Ω。

3 電源輸入中、大電容濾波
    電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電流約為12 A，電流很大，由于車用蓄電池還用于汽車點(diǎn)火，而且電機(jī)和MOSFET驅(qū)動(dòng)電路中開(kāi)關(guān)次數(shù)較多，可能在開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)引起浪涌電壓，加上線損、電機(jī)不穩(wěn)定等一系列的因素造成的紋波電壓比較大，所以如果運(yùn)用數(shù)據(jù)手冊(cè)中的電容值時(shí)，發(fā)現(xiàn)電容發(fā)熱量比較大，因此有必要加大電容的容量。經(jīng)過(guò)調(diào)試設(shè)計(jì)，最終選取兩個(gè)2 200μF／50 V和兩個(gè)104鉭電容并聯(lián)，如圖3所示。

    另外由于采樣電阻發(fā)熱比較大，布PCB板時(shí)盡量讓電解電容遠(yuǎn)離發(fā)熱元件，遠(yuǎn)離采樣電阻，防止電解電容過(guò)早地干涸，延長(zhǎng)電解電容的使用時(shí)間。

4 霍爾傳感器的選擇
    注意MC33035中文數(shù)據(jù)手冊(cè)中，霍爾傳感器的電源供電是利用MC33035第8腳：典型電壓值為6．25 V來(lái)供電。所以6．25 V必須是所選霍爾傳感器的正常供電電壓。
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5 上、下橋驅(qū)動(dòng)
    如果MOSFET管的開(kāi)關(guān)速度慢，將導(dǎo)致能量利用率低，發(fā)熱量大等不利因素。如何提高M(jìn)OSFET驅(qū)動(dòng)的高速化性能，由下面原理圖和實(shí)驗(yàn)波形圖具體說(shuō)明。

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    如圖4所示，MOSFET上橋高端驅(qū)動(dòng)，由于MOSFET分布電容的存在，對(duì)IRF4905的充放電過(guò)程都要經(jīng)過(guò)一個(gè)2 kΩ電阻。這樣就不能在門(mén)極-源極之間對(duì)電容Ciss進(jìn)行快速的充放電，不能活用MOSFET的高速開(kāi)關(guān)性能。改進(jìn)方案如圖5所示，首先采用自舉電路這樣既可以確保門(mén)極-源極之間的電壓在IRF4905的承受范圍之內(nèi)，又有利于電壓的穩(wěn)定。第二采用了推挽電路，利用NPN／PNP型晶體管的互補(bǔ)推挽電路，提高門(mén)極電流的驅(qū)動(dòng)能力。充放電1，2過(guò)程不用經(jīng)過(guò)比較大的電阻，直接加速電容的充電過(guò)程。
    下橋的驅(qū)動(dòng)如圖5所示，比較圖4可以發(fā)現(xiàn)其中增加了一反向二極管和一個(gè)加速電容。串聯(lián)柵極電阻可以使任何MOSFET輸入電容和所有柵源電路中的串聯(lián)引線電感引起的高頻振蕩得以衰減，如果進(jìn)入底部驅(qū)動(dòng)輸出的負(fù)電流超過(guò)50 mA則需要二極管。使用附加電容，圖騰柱式輸出可以增強(qiáng)晶體管截止提供負(fù)基極電流。

6 MC33035與MC33039中RT／CT參數(shù)的選擇
    MC33035中的RT／CT參數(shù)用于調(diào)整MC33035芯片的工作頻率，每個(gè)振蕩周期由基準(zhǔn)電壓VREF經(jīng)RT向CT充電，然后CT上電荷通過(guò)內(nèi)部一個(gè)晶體管迅速放電而形成鋸齒波振蕩信號(hào)。其工作頻率的設(shè)定由圖6做具體說(shuō)明。

    由圖6可以看出當(dāng)工作頻率過(guò)高，PWM調(diào)節(jié)時(shí)，下橋的開(kāi)關(guān)速度過(guò)高，上升沿和下降沿占整個(gè)波型的比列大，損失的能量多，則發(fā)熱量就大。當(dāng)工作頻率過(guò)低，如圖4，圖5所示，整個(gè)PWM調(diào)節(jié)中關(guān)斷時(shí)間太長(zhǎng)，容易產(chǎn)生電機(jī)波動(dòng)。所以必須調(diào)整RT／CT使得MC33035的工作頻率符合設(shè)計(jì)要求。
    MC33039中的RT／CT參數(shù)決定著F／V轉(zhuǎn)換的對(duì)應(yīng)列表，對(duì)應(yīng)表一旦確定，速度控制就按照一定的比列執(zhí)行，所以要求其中的電阻電容的穩(wěn)定性要好，精度要高，而一般的貼片陶瓷電容熱穩(wěn)定性比較差，容易造成溫漂，所以這里選擇了CBB電容，溫度系數(shù)很小。

7 結(jié)語(yǔ)
    在實(shí)際的電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，要根據(jù)設(shè)計(jì)需要參數(shù)調(diào)整每一個(gè)元器件，使得電路符合設(shè)計(jì)的需要，數(shù)據(jù)手冊(cè)中的各類參數(shù)只是提供一種設(shè)計(jì)參考，不能照搬照抄。因?yàn)樾酒O(shè)計(jì)者只是在一定情況下做的實(shí)驗(yàn)，得到的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，不可能滿足所有應(yīng)用者的要求。