「电路分析」PWM速度控制1

这一页应该给你一个很好的想法所涉及的原则，做什么-以及不做什么！

一个商用电机控制器不仅仅是一个改变电机速度的电路，我们有一个“导游”控制器功能这就简单地解释了现代控制器中的大多数功能以及为什么需要它们。

为了控制直流电动机的速度，我们需要一个可变电压的直流电源。然而，如果你用一台12伏的电动机，接通电源，电动机就会开始加速：电动机不会立即作出反应，因此需要很短的时间才能达到全速。如果我们在马达达到全速之前关闭电源，马达就会开始减速。如果我们足够快地打开和关闭电源，电动机将以零和全速之间的某个速度运转。这正是p.w.m.控制器所做的：它以一系列脉冲打开电机。为了控制电机速度，它改变（调制）脉冲宽度-因此脉冲宽度调制。

考虑上面的波形。如果电机的一端通过开关（MOSFET、功率晶体管或类似器件）连接到蓄电池正极，另一端连接到蓄电池负极，那么如果MOSFET短时间接通而长时间断开，如上文a所述，电机只会缓慢旋转。在B，开关开50%，关50%。在C时，电机大部分时间是开着的，只有很短一段时间是关闭的，所以速度接近最大值。在一个实用的低压控制器中，开关以20kHz（每秒20000次）的频率打开和关闭。这个速度太快了，这台可怜的旧电机甚至没有意识到它正在开关：它认为它是由纯直流电压供电的。它也是一个高于可听见范围的频率，因此电机发出的任何噪音都是听不见的。它也足够慢，以至于mosfet可以很容易地在这个频率下开关。但是电动机有电感。电感不喜欢电流的变化。如果电机正在吸收任何电流，那么当它打开时，这个电流会流过开关MOSFET，但是当MOSFET关闭时，它会流向哪里呢？继续读下去，找出答案！

考虑上面的电路：这显示了驱动MOSFET和电机。当驱动MOSFET导通时，电流从电池正极流过电机和MOSFET（箭头A），然后流回电池负极。当MOSFET关闭时，由于电机的电感，电机电流保持流动。还有一个第二个MOSFET连接在电机上：MOSFET就像二极管一样产生反向电流，这是通过MOSFET的反向电流，所以它传导。你可以使用这样的MOSFET（短接它的栅极到它的源）或者你可以使用一个功率二极管。然而，关于mosfet的一个不太为人所理解的事实是，当它们被打开时，它们会将电流传导到任何一个方向。导电MOSFET对任何方向的电流都是电阻的，而导电功率MOSFET实际上比正向偏置二极管下降的电压要少，因此MOSFET需要更少的散热和更少的电池电量。

从上面可以看出，如果驱动MOSFET在50%的占空比下工作，电机电压是电池电压的50%，因为电池电流只在MOSFET开启时流动，所以电池电流只有50%的时间流动，所以平均电池电流只有电机电流的50%！

但是有一个问题：当MOSFET关闭时，它不仅会中断电机电流，而且还会中断从电池流出的电流。来自电池的电线有电感（电池也是），所以当电流中断时，这个电感会产生电压尖峰：在电路中，主电容器吸收（大部分）这个尖峰。当驱动MOSFET再次开启时，电池电流被要求快速流动，而这是不能的。主电容器在电池电流重新建立期间提供电流。在一个能够提供120安培电流的控制器中，这个电容器工作非常辛苦，如果长时间吸入高电流（取决于电池引线长度），主电容器可能会爆炸！我们在开发电容器的过程中使用了早期的电线和电容器！电容器镀铜钢在电机控制应用中，这些引线会变得非常热！

从上面可以明显看出，这个电容器所做的功很大程度上取决于电池线的回路电感。长导线的电感很高。扭动电池线会降低它们的电感。

不用说，电池引线中的电阻会产生类似电感的效果，所以这些电线应该很粗。

还有，有些人想在电池引线上放一个电流表。诱惑应该被抵制：简单的汽车式电流表尤其是高感应！

简单的控制器（例如用于电动高尔夫球袋的控制器）通常忽略了昂贵的主电容器，而依赖于电池的电容。老鹰和白鹭这样的控制者你可以离开。不过，对其影响作一个简短的解释是合理的。为了说明这一点，可以用一个示波器直接连接到蓄电池电源上看到的蓄电池电压图在控制器终端示波器接地在负轨上

顶部是“示波器”的电池正极视图，底部是电机负极端子（由控制器切换）。波形已经被清理了很多以说明：实际上波形上有很多“脏”的响声。所示电源为12v。

我们在没有电池电流的地方加入波形：电机输出很高，电流在飞轮中循环。在A，控制器驱动MOSFET打开，将电机电流从电池中分流。但是电池引线有电感！电池电流不能立即启动，因此电池引线下降12伏，控制器电压熄灭，直到引线电感可以充电，这是在B点完成的。时间a-B取决于电流和电池回路电感，可以是很大比例的周期时间！

然后，在C点，底部MOSFET急剧关闭，中断电流。电机电流没有问题，它一直在流动，飞轮装置在那里，以确保它！但是你不能突然停止电池电流-所以它以一个大的电压尖峰的形式存在。这个尖峰上升直到某个东西给出：在这个例子中，它达到了MOSFET雪崩击穿电压，MOSFET将其钳制。用示波器可以很容易地看到平顶箝位电压。mosfet的额定重复雪崩能量，你必须确保储存在电池回路电感中的1/2Li²远低于安全的可重复雪崩能量。

这是一个问题：计算出电池回路电感几乎是不可能的-即使对于一个工程师。对一个****徒来说，做这件事很难。因此，制造商只需向已知的一组客户提供控制器，这些客户以标准方式使用控制器，并根据经验对出现的问题进行分类。这总是一个非技术客户试图得到一些免费的东西：主电容器是需要的。对于某些应用程序，你确实可以不需要！但这绝对是“逍遥法外”！

在带有主电容器的控制器中，大部分（但不是全部）电源不规则都由电容器平滑。不过，当电池电流中断时，您会看到正的过冲和响铃。

在你研究了下面的两个电路之后，你可能更愿意回到这一点。“非常简单的控制器”不包括再生制动，“更复杂的控制器”有。这个说明需要结合第二个电路来阅读，而且还参考了上面的图表，所以在这里插入是为了节省您重新加载的图表。

电机控制的秘密之一似乎是再生制动。然而，这并不是什么秘密：提供再生制动的电路并不少见，但似乎很少有人意识到会发生什么。这样就可以了。

在第一个电路（上图）中，显示了由电机驱动的mosfet的输出对。还指出，对于电动机来说，控制器的输出是纯直流电压（因为电动机的电感在开关周期内保持电流基本恒定）。现在，电动机将产生一个与转速成正比的反电动势。f.m.m将从零上升到控制器的输出。

我们已经看到，MOSFET是一个双向开关，它对电流的两个方向都进行电阻（当它打开时）。所以考虑电流为零，控制器的输出现在减少的情况。电机的背电动势现在高于控制器的输出电压，所以电机会尝试将电流反馈给控制器。如果它成功这样做的马达将被制动-我们将有再生制动。

这种类型的电路（当损耗侧关闭时hi侧打开）能够产生电流或者把它沉下去. 其工作原理是反向电机电流现在是飞轮MOSFET的正向电流，因此当这一电流接通时，它会使电机短路-在此期间制动电流上升（箭头B，反向）。飞轮MOSFET现在关闭了，但是由于电机的电感，电流必须保持流动。因此，它以反向电流流过驱动MOSFET，为电池充电。额外的电压来自于储存在电动机电感中的能量。从驱动切换到制动的过程是完全自动的。此外，这完全是由电机的速度超过驱动电压，而没有任何状态变化或在控制器内切换。如果你愿意的话，再生制动是控制器设计的副产品，几乎是一个完全的事故。

下面的电路是关于最简单的电机控制器。为了任何对电机控制器有任何了解的人的利益-4QD并没有设计这个电路，我们完全不承认它，所以请随意地笑或哭，不相信。如果你决定做它-是的，它是有效的，但因为我们没有设计它，不喜欢它-对不起，但你自己！

不过，这是一个电路，我们组装了一个客户，我们做了几千！有很多人还在英国的高尔夫球场里闲逛，所以这确实管用！这也说明了一些不该做的事情！

4049的前三个部分被布置，通过220K电阻器和22n电容器在输入端进行整体反馈，以产生相移，作为振荡器。输出是一个矩形波形，由4049的其他三级缓冲，以驱动MOSFET栅极。振荡器上的平均占空比（占空比）随着输入电压的变化而改变。当电位计处于最小值时，振荡器以其低输出停止（即，MOSFET没有栅极驱动并且完全关闭），当电位计处于最大值时，振荡器以其高输出停止-MOSFET始终处于开启状态。有几个问题：首先，像这样“拉动”振荡器改变其频率。这不会对工作产生太大的影响，只是如果频率太高，mosfet开关会过快，温度过高。如果太低，振荡器的频率会变为可听见，并且电机会发出呜呜声。另一个问题是，它几乎不可能拉一个振荡器，使它在一个非常高和非常低的标记空间比之间变化！82K和2n2通过引入负反馈来降低正反馈回路中的增益，从而使振荡器只是在振荡：这是对电路的额外4QD，在此之前，控制器从80%到100%全速急剧跃迁。请注意，IC是4049UB（无缓冲），缓冲版本将无法工作。另外，某些型号的4049UB不能正常工作（有人用过东芝4049UB的一些剩余产品吗？）因为他们太好了！

另一个令人讨厌的事情是壶只改变了振荡器的1/3的可用范围：这在这个应用中是可以的，因为壶是在一个只有90度的行程的扭握中使用的！但有必要调整手柄以获得正确的射程。

对于振荡器，就这么多。但如果有人注意到我上面提到的主电容器的缺失，请举手。这些都是昂贵的部件：高尔夫球童出于这个原因往往不使用它们。当MOSFET关闭电池回路电感时，会在驱动MOSFET上产生一个大的电压尖峰（关闭时，请记住电机电流现在（主要）流过二极管）。但是在电池正极和MOSFET栅极之间有一个36v的齐纳二极管。电压尖峰出现在这上面，所以它传导，可怜的旧MOSFET又重新打开了。事实上，齐纳限制了MOSFET的关断速率，以维持40v脉冲。MOSFET是非常坚固的设备，它们可以承受这种滥用（但有更优雅的方法来做到这一点）。当MOSFET再次接通时，电池试图将电流通过电池回路电感，但不能，因此控制器上的电压在尝试中崩溃。但是MOSFET栅极有电压存在，如果没有与齐纳串联的二极管，则齐纳会正向偏压，使栅极与正轨短路（由于电源崩溃，现在处于零电压）。

还请注意功率二极管作为反激。如果你看一下STP60N06和25JPF40上的规格，你会发现这是有些过火（蛮力和很多无知），但这种组合是由客户通过使用一个更胖的设备，直到他没有更多的失败！一点技巧都没有！更糟糕的是，控制器实际上没有散热，而是装在一个塑料盒子里。从一个电子设计师的角度来看，这个电路几乎没有什么好的地方——除了它能工作，而且顾客对它很满意！我必须承认，这实际上是两个最重要的标准！

也没有任何东西可以限制流过mosfet的电流-除了mosfet是2 x 60安培的器件，并且失速电机的电流大约是60安培。

在某种程度上，第二条电路与第一条电路相连。当我看到第一个电路时，我不喜欢它，我很快就把第二个电路组装起来，告诉客户可以做些什么。它实际上很好用，但我们只做了几个原型。第2期成为我们2QD系列的第一个生产版本。你可以安全地假设当前的控制器已经比这个早期的控制器进步了很多！然而，它是一个简单的电路，能很好地完成工作（在其限制范围内）。它很好地说明了原则。

该电路使用了一个3524，一个“调节脉冲宽度调制器”，所以对该集成电路的简要描述似乎是合理的。该芯片的目标是电源，它有两个交替输出（引脚11和14），每一个都可以在0%到45%的周期时间内打开。但是这些输出可以像我们在这里所做的那样连接在一起。因此，输出是一个常规的pwm输出（如本页顶部所述），具有固定的频率和从0%到90%的接通时间变量。顺便说一句，这也是芯片的主要缺点之一——90%的准时率意味着你只能获得90%的全速，而不是100%。这是4QD停止使用它的主要原因。

振荡器频率由连接到引脚6和7的电阻器和电容器控制。振荡器的输出，以及内部连接，在引脚3上可用。振荡器输出用于驱动高侧MOSFET栅极电源的电压倍增器。稍后再谈。

还有一个车载调节器：电源输入到引脚15（引脚8是0v），引脚16是一个5v的调节参考电压输出。这是用来驱动速度控制锅（3针连接器）。它还用于驱动针脚10的欠电压停机。以后再说吧！

振荡器的斜坡内部连接到比较器，比较器将其与速度控制信号进行比较。比较器的输出就是这个信号。

从电位器滑块输入的所需速度输入到引脚2。这是传统运算放大器的输入，从引脚9输出，负反馈通过预置到引脚1：预置然后调整增益。然而，这种运算放大器是非传统的，因为它的输出也连接到第二个“运算放大器”上，这样第二个“运算放大器”可以超越第一个，并将其输出拉低。第二个用于限流。它的正输入在引脚4上，反向输入是引脚5（与0v相连）。

来自3524的PWM输出信号被馈送到一对****极跟随器，以提供足够的栅极驱动。47R门电阻减慢上升（接通）时间，二极管提供快速关断。150pf也会减慢上升时间。然而，同样的150pf也加快了高压侧（飞轮）驱动的关闭。只有当损耗（驱动）MOSFET关闭时，Hiside才应该被打开，理想情况下，当两个MOSFET都没有栅极电压时，应该有一个小的“欠压”——在开关过程中的一段时间（包括开和关）。如果两个同时开启，一个巨大的冲头，尽管电流会产生，这将导致加热，在极端情况下，可能是破坏性的。

因为这是用mosfet来感应自己的电流，所以它可以接受范围很广的mosfet。然而，它是为标准mosfet设计的。尤其是高端不太可能与逻辑级mosfet正常工作，除非您稍微改变值。

还要注意，MOSFET栅极是由电池线驱动的。这是一个古老的电路，当设计MOSFET时，栅击穿电压约为30v。随着现代MOSFET的电压越来越低，如果使用最大栅电压为20v的MOSFET，用24v电池驱动很可能会产生烟雾！

hi-side MOSFET要求其栅极升高到ve供电轨上方，因为当它导通时，它的栅极和源极实际上相互短路，并且与电源轨短路。要做到这一点，其栅极必须至少比电源高7伏，因此高于电源。

为了实现这一点，3524的振荡器输出被用来驱动泵电路。左边的3个晶体管将振荡器放大为方波，方波被馈送到100n的泵浦电容器和两个二极管中的电压倍增配置。倍频器的输出被馈送到12v齐纳。现在，当损耗MOSFET打开时，这个齐纳器的底部连接到负电源轨，所以会有一个24的直流路径，通过二极管和齐纳。470R电阻器与泵二极管串联，限制通过该路径的电流。

这就引出了高压侧泵的另一点。除了电压倍增器外，还有一个“自举”电路。忽略泵回路。当损耗MOSFET传导时，齐纳（如我们所见）将有电流流过，因此齐纳的电容器将充电。当高压侧接通时，该电容器将保持该电荷，从而为高压侧栅极驱动供电。因此我们不需要泵电路。这个电容器上的hiside电源将在输出停止切换而lo侧关闭时衰减。这是在非常慢的电机速度，因为（或之后）电机停止，所以缺乏驱动不是一个问题。2QD配备hiside泵的唯一原因是可以在桥接配置中使用其中两个。在这种特殊的配置中，当输出停止切换时，hiside驱动器不能崩溃。

如果你把铅酸电池放电过多，会永久缩短它的寿命。因此，该电路测量电源并将其与5v参考电源进行比较。如果蓄电池电压过低，晶体管会通过向针脚10发送信号来抑制pwm电路。

这个特性实际上并不像有些人认为的那么必要：对于每一个这样的“特性”，都有权衡。看看我们的控制器功能指南更多

我已经覆盖了MOSFET镜电流传感其他地方。这是一个应用程序。3524的感应输入是为这种电流感应而设计的：它有一个200毫伏的偏移量，所以当引脚4上的信号超过200毫伏时，3524会降低接通时间，降低电机转速。330R和100R感测到MOSFET电压的¼，因此使用这些值，整个MOSFET的限值大约为800mV。根据不同的MOSFET调整100R。这种电流感应在3524上工作得很好，但芯片本身根据接通脉冲的长度，提供可变电流限制，因此感测电流在某种程度上取决于电机特性。

虽然该电路工作正常，是一种实用的控制器，但也存在一些不足。我们在这里不讨论细节，但几乎所有这些都被解释了，并给予成员补救电子俱乐部但如果你想了解如何操作，你需要订阅4QD-TEC，请参阅本页下方。

• 如前所述，3524电路不会提供超过90%的全速。

• 在驱动模式下，电路电流受到限制，但如果您要在山顶启动车辆并进入下坡再生制动，则没有任何东西可以限制再生电流。这是很有可能增加限制的再生制动和4QD有一个独特的简单和有效的方式来做到这一点，我从来没有见过其他地方。你必须加入4QD-TEC才能了解详情！

• 再生过电压。如果在刹车时电池断开，再生的能量就无法反馈到电池中：相反，再生的能量会提升控制器上的电压，直到mosfet发生故障：如果它们不能吸收再生的能量，那么你就有了一个昂贵的烟雾发生器。治疗很容易。

• 破坏MOSFET控制器的一件事是电池倒换：两个MOSFET现在是两个正向偏置二极管，连接在电池上。看到了吗我们的常见问题解答表为了治疗

• 另一个破坏所有已知的MOSFET控制器的事情是牵引它们安装在其中的车辆。如果电机的反电动势超过电池电压，驱动MOSFET将成为正向偏置二极管，将电机产生的输出直接供给电池。没有办法限制这种电流，所以MOSFET的目标是闪光和一股烟。幸运的是，这种故障模式非常罕见，但确实没有简单的防护措施。

一个流行的“老太太的故事”是PWM导致电机比纯直流更热。就像大多数老太太的故事一样，这源于误解培育的部分真相。“神话”的出现是因为，如果频率是太低，电流是不连续的（或者至少在pwm波形上是可变的），因为电机的电感在波形关闭期间不能正确地保持电流。所以电机电流是脉冲的，不是连续的。平均电流将决定转矩，但加热将是电流平方的积分（加热与I²R成比例）-电流的“形状系数”将大于单位。频率越低，纹波电流越高，加热越大。

所以考虑一个过于简单的情况，电流是开还是关。如果电流在1/3的时间内流动，你需要一个相当于1安培连续电流的电机转矩，那么你显然需要1安培的平均电流。要在占空比为33%的情况下执行此操作，您必须有3安培（1/3时间的电流）。

现在一个3安培的电流将产生9倍于1安培连续加热效果的平方。

但是如果3安培的电流只占总时间的1/3，那么电机中的加热是1/3时间的9倍，或者比稳定的1安培大3倍！据说这个波形的“形状系数”是3（或者是33%——毫无疑问，有人会纠正我的错误！）

然而，如果脉冲重复频率足够高，电机的电感将引起飞轮效应，电流将变得稳定。例如，林奇电机的电感只有39微亨利（这是我所知道的电感最低的电机之一），电阻为0.016欧姆。L-R电路的“时间常数”为L/R（对于Lynch电机）为2.4毫秒。对于SEM DPM40P4（1kW），电感为200微欧，电阻为40毫欧姆，时间常数为5ms。

根据经验法则，为了避免过多的数学运算，脉冲重复周期必须明显短于电机的时间常数。

影响PRF的其他因素有：
如果是在音频带内，电机会发出呜呜声（由一种称为“磁致伸缩”的现象引起），所以请保持在音频带上方。
MOSFET电路在从一种状态切换到另一种状态时损耗最大，因此频率不应太高-MOSFET可以小心地使用到100kHz，但这有点高。
射频****：频率越高，频率越低越好！

显然很难在这两者之间选择一个“最佳”的折衷方案，但最佳频率似乎在20kHz左右。

显然，这个脚本只涵盖了其中的一小部分技术：看看我们的Pro-120规格。它具有线性加速和减速斜坡、过放电限制、高踏板锁定、双斜坡换向、再生电流限制、反向极性保护以及本文提到的所有点。我们还引用了1分钟110安培的报价：真正的事实是，我们每分钟可以得到120安培。我们也知道没有什么“公平”的方法来摧毁它：即使是把发动机短路也不会使它爆炸。全速倒车是安全的。倒换电池是安全的。不要指望断开控制器的电池是安全的。然后我们试图保护它不受非技术客户可能对它做的所有事情。我们认为我们已经成功了——当然，直到我们找到了比我们更聪明的客户！即使我已经准备好尝试，我也可以用语言表达设计这种控制器所需的所有经验，更不用说以我们的价格销售它来获利了。如果你不相信这一点，那就试着问问类似控制器的一次性价格。