「電路分析」PWM速度控制4：現代2QD系列

這是有關(guān)設計PWM控制器的系列文章中的第四篇。

電流源現在感覺(jué)9v1齊納。這是為了提供一條在12伏電壓下仍能保持穩定的供電線(xiàn)路。以前，12伏供電時(shí)的電流限制會(huì )降低，因為參考電壓是從這個(gè)電壓中得出的。主動(dòng)上拉拉動(dòng)IC1b引腳14的4mA電流源已被移除。沒(méi)必要。而是安裝了1K電阻器。這在零速度下需要9毫安，這是一個(gè)小缺點(diǎn)。主電容器有兩個(gè)x 470μ。這些是軸向型，平放在木板上。正如在www網(wǎng)站頁(yè)面上所解釋的，電容器類(lèi)型的選擇對于最佳性能至關(guān)重要，現在使用的是一種插入式，帶有短而短的引線(xiàn)。再生制動(dòng)失效過(guò)去有一個(gè)開(kāi)關(guān)短路Tr5，以挫敗再生制動(dòng)?，F在hiside驅動(dòng)器已經(jīng)改變，電路上有三個(gè)元件被標記。Tr6中的1K集電器通常是安裝好的，為了防止再生制動(dòng)而將其拆下。同時(shí)10公里進(jìn)入Tr8基地改變位置。hiside驅動(dòng)程序的操作在下面是更多細節還有一個(gè)關(guān)于抑制再生制動(dòng) .捕捉二極管Tr4上有一個(gè)二極管。這是為了鉗制9v1電源的柵極電壓尖峰。要求這樣做的原因是有原因的，并將及時(shí)予以說(shuō)明。再生電流限制有一個(gè)新的電路增加感測頂部（飛輪）MOSFET。這是hiside電流限制。它的操作是稍后討論 .過(guò)電壓箝位增加了一個(gè)36v齊納。這是過(guò)電壓鉗位，包括以下內容 .

橫向驅動(dòng)是電機控制器的重要組成部分。我們使用的電路非常簡(jiǎn)單，工作良好，但有低電流要求。它是一個(gè)雙作用電路，自舉泵加主動(dòng)泵。讓我們先考慮一下“引導”操作。忽略一個(gè)事實(shí)，有一個(gè)電容器從Tr10的****極饋電-那就是主動(dòng)泵。

當電路處于零速時(shí)，不切換，Tr5斷開(kāi)，下部MOSFET斷開(kāi)，沒(méi)有電機電流，因此頂部MOSFET通過(guò)電機有效短路。它的柵極和所有柵極驅動(dòng)電路有效地位于正電源軌上。

一旦控制器開(kāi)始工作，最初的電機速度（平均電壓）將非常低。這是通過(guò)低側MOSFET在很短的時(shí)間內打開(kāi)來(lái)完成的。在低MOSFET開(kāi)啟期間，M線(xiàn)變低。因此，電流從B+線(xiàn)路流過(guò)兩個(gè)二極管和1K電阻器，為1μ電容器充電。從24v通過(guò)1K電阻充電的1μ電容器在24v/mS（CV=IT或V/T=I/C）下開(kāi)始充電，振蕩器的標稱(chēng)值為20kHz，整個(gè)周期為50μs，因此短脈沖的長(cháng)度只有幾微秒：1μcap需要幾個(gè)周期才能達到任何有用的電壓。事實(shí)上，這并不重要：如果帽沒(méi)有充分充電，那么頂部的MOSFET將無(wú)法正常開(kāi)啟，但這一點(diǎn)也不重要，因為在1μ帽充分充電之前，MOSFET只會(huì )像飛輪二極管一樣工作：它仍將允許飛輪電流循環(huán)，但由于沒(méi)有開(kāi)啟，損耗將更高。這沒(méi)關(guān)系：因為控制器剛剛開(kāi)始切換，平均電機電壓很低，那么電機電流也很低！當然，在沒(méi)有柵極電壓的情況下，你無(wú)法獲得任何再生制動(dòng)-但是電機在這一點(diǎn)上實(shí)際上沒(méi)有移動(dòng)，因為電壓還不足以克服摩擦！事實(shí)上，我們只需要引導泵：主動(dòng)泵是非常不必要的。

這個(gè)只有主動(dòng)泵的原因是可以將兩個(gè)2QD背靠背連接起來(lái)，形成一個(gè)全橋控制器。在此應用中，一個(gè)或另一個(gè)控制器（取決于方向）必須在電機不工作時(shí)使其與蓄電池正極短路。正如我們剛才看到的，電路并不是只使用自舉泵來(lái)實(shí)現這一點(diǎn)的，所以主動(dòng)泵在這個(gè)應用中是存在的。主動(dòng)泵通過(guò)施加在電容器上的方波來(lái)工作。當方波較低時(shí)，電容通過(guò)二極管從B充電，當方波變高時(shí)，它通過(guò)第二個(gè)二極管和1K電阻放電到1μhiside儲液罐電容器中，因此即使MOSFET沒(méi)有開(kāi)關(guān)，柵極電壓也保持在8.5v左右。

你也會(huì )注意到鉗位齊納的位置已經(jīng)移動(dòng)：在早期的電路中，它穿過(guò)儲液罐電容器?，F在它把車(chē)手的底座夾緊到M-。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是齊納電流很低，受到基極電容的限制，而不是二極管串聯(lián)電阻的限制，因此齊納損耗不是問(wèn)題，電路將在更寬的電壓范圍內工作。這意味著(zhù)二極管串聯(lián)電阻可以小得多，因此電容器充電更快。缺點(diǎn)是NPN晶體管現在受到全電源電壓加上泵浦電壓的影響。

Tr11和Tr12是再生電流限制電路。雖然其他控制器有電流限制，但它們通常不采用mosfetrds（開(kāi)）感應，但有些更復雜或更慢的方法。這種電路是4QD所獨有的，是一種非常簡(jiǎn)單、優(yōu)雅、有效的傳感方法。

考慮電路顛倒電機電流流動(dòng)：電機正在再生，電流從M流過(guò)MOSFET等流向M-。當頂層MOSFET在這些條件下開(kāi)啟時(shí)，驅動(dòng)器試圖減少電機的負電流，而電機的電感使電流與電池電壓相反：這是再生電流，給電池充電。很明顯，頂部的MOSFET將有一個(gè)高電壓通過(guò)它，所以Tr11將導電。只要頂部MOSFET的電壓超過(guò)2xV，Tr11就導通（借助于10K-10K基極電阻）是穿過(guò)它

小于2xV時(shí)是穿過(guò)MOSFET，Tr12可以工作。如果小于1.3倍，則不會(huì )打開(kāi)是通過(guò)由10K和3K3基電阻定義的MOSFET），在這個(gè)電壓下，MOSFET正常導電。但是，如果注入的電流太高，那么這個(gè)電流會(huì )上升到晶體管12的電流電平。由于我們正在監測的電流是由過(guò)度再生引起的MOSFET正向電流，為了減少它，我們需要減少再生，我們只能通過(guò)降低減速來(lái)做到這一點(diǎn)。換句話(huà)說(shuō)，我們必須加速，增加驅動(dòng)力，減少再生電流。這正是這個(gè)電路的作用。

你會(huì )注意到在Tr12上有47v齊納二極管。選擇47v是因為所用的MOSFET的額定電壓是50v。當電源電壓上升到47v以上時(shí)，它導通。假設控制器的再生能力太強，變成了啞彈電池（可能是它掉下來(lái)了，落在了高爾夫球場(chǎng)上）。很明顯，如果沒(méi)有電池，我們就不能重新啟動(dòng)剎車(chē)。所以我們需要增加速度（就像我們用過(guò)量的再生電流一樣）。這個(gè)齊納做到了。很明顯，箝位水平需要在預期的MOSFET安全運行范圍內：47v可能看起來(lái)有點(diǎn)接近允許的50v，但請記住，50v絕對是一個(gè)更糟糕的情況：我們不應該得到一個(gè)MOSFET，它在50v時(shí)會(huì )失效，并且有制造商的安全裕度。還要記住，齊納永遠不應該這樣做。它只限制嚴重故障條件下的過(guò)電壓。如果我們沒(méi)有限制在這個(gè)故障下-那么控制器肯定會(huì )被摧毀。接近極限航行仍能提供很好的保護。

然而，在這一點(diǎn)上值得補充的是，在使用再生制動(dòng)的車(chē)輛中，是電池而不是控制器來(lái)進(jìn)行制動(dòng)！如果你住在一個(gè)大山頂上，開(kāi)始時(shí)用充滿(mǎn)電的電池是不明智的，因為那樣你就沒(méi)有剎車(chē)了！具體需要什么樣的箝位電壓取決于該事件發(fā)生的可能性。事實(shí)上，有一次，一位客戶(hù)使用了一個(gè)帶有60v MOSFET的48v控制器。這個(gè)控制器現在正是因為這個(gè)原因使用了75v MOSFET，帶一個(gè)72v箝位齊納！這一變化還要求其他一些半導體需要升級到更高電壓的器件。

為什么有人真的想要抑制再生制動(dòng)？我想是因為他們有一個(gè)齒形帶傳動(dòng)裝置，而再生裝置傳送動(dòng)力的方式不對，導致了齒跳。

一些高爾夫球童制造商主要認為，因為他們安裝了機械式自由輪裝置，他們必須抑制再生制動(dòng)。不正確：因為自由輪的再生制動(dòng)什么也做不了，所以是無(wú)害的。

4QD www網(wǎng)站上的公共訪(fǎng)問(wèn)pwm電路解釋了如何實(shí)現再生制動(dòng)。當損耗為關(guān)時(shí)，將hiside打開(kāi)可以獲得更好的效率，因為飛輪裝置是一個(gè)低值電阻（打開(kāi)的MOSFET）而不是二極管。電阻的壓降一般較小，因此效率更高。事實(shí)上，hiside是切換給再生制動(dòng)。

4QD有一個(gè)非常巧妙的方法來(lái)同步切換hiside：實(shí)際上hiside現在是一個(gè)同步整流器：不是新技術(shù)，但據我所知，沒(méi)有其他公司在電機控制器上使用過(guò)這一原理。

為了抑制再生，1K被移除（如電路上所示）。所以Tr5斷開(kāi)了。然后hiside將永久開(kāi)啟。但是Tr8的b-e電阻也被移除，取而代之的是一個(gè)從Tr8底座到電池正極的電阻。這使得Tr8的基極****極直接穿過(guò)MOSFET——通過(guò)一個(gè)10K電阻來(lái)限制任何電流。

當Hiside MOSFET飛來(lái)飛去時(shí)，電流從源極流到漏極。因此Tr8的基是反向偏壓的。它不能打開(kāi)。但當電機電流反向時(shí)，情況就會(huì )改變。

考慮一下在底部MOSFET關(guān)閉之前的情況。頂部的MOSFET將有一個(gè)高電壓通過(guò)它，因此Tr8將被打開(kāi)。Tr7和Tr8形成“PU對”（參見(jiàn)www站點(diǎn)電路)所以?xún)烧叨急淮蜷_(kāi)，頂部MOSFET的柵極被硬地夾在它的源上。當底部MOSFET關(guān)閉時(shí)，電機電流試圖通過(guò)hiside MOSFET飛輪。沒(méi)有問(wèn)題，如果它是正向電機電流，它將首先流經(jīng)頂部MOSFET的體二極管。但是正如我們剛剛看到的，這導致了Tr8的基極上的負電壓，所以這對在這一點(diǎn)上關(guān)閉，Tr6拉起了MOSFET柵極，打開(kāi)了它。

當底部MOSFET開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，首先它的電流必須上升，直到所有的電機電流都流過(guò)它：這是任何控制器的正常狀態(tài)，直到這發(fā)生，通過(guò)飛輪裝置的電流才能降到零。然而，在這個(gè)電路中，底部的MOSFET電流必須再上升一點(diǎn)，直到有足夠的電流通過(guò)頂部MOSFET，從而在正向方向上降低足夠的電壓，使Tr8的基極****極被打開(kāi)。在這一點(diǎn)上，輸入對卡入，短路MOSFET柵極并關(guān)閉它。如果這看起來(lái)有點(diǎn)激烈，看看MOSFET瞬態(tài)電流處理規范，記住這個(gè)過(guò)電流流動(dòng)大約一微秒。

人們常說(shuō)在MOSFET的柵極上需要一個(gè)齊納二極管來(lái)防止電壓瞬變。很少有人解釋這些瞬變的來(lái)源。然而，這些控制器設計的永磁電機具有換向器和電刷。當電機旋轉時(shí)，這些電流在適當的繞組之間快速切換。畫(huà)筆呈弧形。你可以清楚地看到這種電弧，如果你看電刷，而電機正在工作：只有非常好的設計和新的電刷不會(huì )顯著(zhù)電弧。

第一批無(wú)線(xiàn)電傳輸是用火花****進(jìn)行的。電弧是產(chǎn)生寬帶噪聲的非常好的發(fā)生器，而且（由于可能有大量電流流動(dòng)），這種噪聲也可能具有非常高的能量。如果電機接線(xiàn)恰好有正確的傳輸路徑，與產(chǎn)生的噪聲瞬態(tài)相吻合，那么一個(gè)巨大的尖峰會(huì )傳回mosfet。這種噪聲尖峰可以通過(guò)MOSFET的內部電容耦合到它自己的柵極上，如果柵極驅動(dòng)電路出錯，就會(huì )產(chǎn)生柵極電壓瞬態(tài)，從而破壞MOSFET。因此，需要考慮這種機制，夾持澆口是其中一種方法。

這種類(lèi)型的噪聲的問(wèn)題是，系統沒(méi)有被抑制的水平：總有可能出現高于保護水平的噪聲峰值。這種情況與防洪、防震、防雷非常相似，“安全”根本不存在！這都取決于統計概率。

我們很難理解這一點(diǎn)：第2期2QD電路有一個(gè)電流源，而不是1K上拉IC1b引腳14。當我們用一個(gè)電阻代替它時(shí)，我們突然發(fā)現了更多看似隨機的故障。這種改變實(shí)際上是首先在NCC控制器上完成的，它使用相同的電路。一位顧客反復吹壞了后面的電路，而不是前一個(gè)。

然后我們注意到，卡在繼電器，在極片和電樞之間，有鐵屑！當被詢(xún)問(wèn)時(shí)，客戶(hù)承認他在系統附近使用過(guò)角磨機。鐵屑進(jìn)入了馬達和控制器。你可以想象當銼屑卡在碳刷裝置里時(shí)，一定會(huì )產(chǎn)生噪音！

電流源實(shí)際上將MOSFET柵極驅動(dòng)電阻器的基極（通過(guò)晶體管集電極基極結二極管）夾在9v1線(xiàn)上，在那里它被齊納鉗位。用1K代替電流源也用1K代替尖峰箝位，導致可靠性下降。幸運的是，我們遇到了這種“壞運氣”——它使我們能夠識別出一種機制，這種機制在設計得當的控制器上非常罕見(jiàn)，以至于很難識別：它只是偶爾出現的隨機和不穩定的故障，沒(méi)有任何好的理由。問(wèn)題是，如果你有一個(gè)每100000個(gè)控制器小時(shí)發(fā)生一次的故障機制，你需要足夠的控制器在現場(chǎng)，以回報率足以讓你真正認識到存在一種模式。只有這樣你才能開(kāi)始研究原因。

D6將柵極直接夾在9v1線(xiàn)路上，9v1線(xiàn)路本身由一個(gè)齊納到MOSFET源箝位。在后來(lái)的設計中，一個(gè)9v1齊納在****門(mén)驅動(dòng)器鉗直接到0v。D6在這里工作，因為軌道路徑非常短。

這涵蓋了2QD電路：控制器本身現在不是4QD的首選產(chǎn)品：它沒(méi)有任何問(wèn)題，它是一個(gè)非常簡(jiǎn)單可靠的控制器，生產(chǎn)成本低廉，每次都能工作。作為一個(gè)DIY控制器，它是理想的。但真正的市場(chǎng)對電路的要求越來(lái)越高。代替2QD的控制器是Uni。它是盒裝的，更立體的形狀似乎更受歡迎。