直流無刷電機驅動電路

硬件筆記本

點擊上方名片關注了解更多
. s: O, f% X6 w1 B# M0 u
! `  E6 f: l2 p# p


前言
: ?* s6 m) r7 W% p$ p. G
0 M: F  @2 e  B  D( G2 _0 A
9 t7 O# J8 E" L! ~- K8 F) Q6 |, f) e由于無刷電機具有高扭矩、長壽命、低噪聲等優(yōu)點，已經在各領域中得到了廣泛應用。其內部電子繞組可看作一個電感線圈。如圖1所示內部結構及電流波形，通過不斷改變定子繞組中的電流方向，從而改變電磁鐵的磁性，使得電機連續(xù)旋轉。因此需要設計一個驅動電路，改變定子繞組中的電流方向才能使得轉子旋轉，常用驅動電路為三相全橋逆變電路。


& ?6 D8 X: v* k+ t" t圖1 電機內部定子繞組結構及電流波形


8 M! L$ O5 O% W. c9 l2 x& o# Z- S三相全橋逆變電路
無刷電機驅動三相全橋逆變電路以及工作時序如圖2所示，無刷電機中有3個繞組，分別為U、V、W相繞組。每個繞組中電流有2個方向，所以三相電機中電流的方向有3*2=6個，通過控制三相橋電路中3個繞組中的電流方向，使其按照一定的規(guī)律改變方向，來實現(xiàn)三相電機的連續(xù)運轉。通過控制PWM信號的不同占空比，實現(xiàn)輸出電壓的變化來控制電機的轉速。

$ r  N- a2 m) x" H- m
/ q9 o+ S2 E( \; U8 @, G圖2 三相全橋逆變電路及工作時序

如圖3所示，在Q1、Q2導通時序內， Q1保持恒通，Q2使用PWM斬波（也可以讓Q2保持恒通，Q1使用PWM斬波，但該方式高邊PWM驅動較難實現(xiàn)），如PWM的占空比為50%，則加在電機繞組兩端的平均電壓就是Vcc*50%。
9 r+ t* e( j. M2 ~4 p  @
9 W+ p4 I3 t+ L, u* T
圖3 Q1 Q2導通時序電路流
+ e' S$ U; l- [! s
當Q1導通，Q2截止的時候，由于繞組電感特性，電流要保持方向和大小不變，此時繞組相當于電流源，電流從源的正端W端出發(fā)，經過Q5體二極管D5續(xù)流，回到源的負端U端，如圖4所示。AB兩點間的電壓被D5鉗位在0.7V。此時MOS管的功耗稱為續(xù)流損耗，續(xù)流損耗計算式為P=0.7V*Id。
+ K. G# U1 O% L5 K2 P0 j

" n- q" l* L; `9 Y) o/ N圖4 Q1 Q2導通時序電路流

熱損耗分析
以第一步導通相序Q1 Q2為例，總時間從t1到t4這段時間（單個時序工作60°），如圖5所示。t1到t4時間內，Q1只有導通損耗（忽略一次開通損耗和一次關斷損耗） ，Q2有開關斷損耗、導通損耗。Q5寄生二極管D5有續(xù)流損耗。
0 `4 i6 L4 k; C* b, [: G2 J7 c

& Q  G0 W! N: s. u* ?. c圖5 第一步導通時序損耗組成

以某電動自行車為例，Vcc供電電壓48V， 回路中的電流Id是10A，占空比為50%，開關頻率為20kHz。假設MOS管的導通電阻Rdson=10mΩ，t1到t4相序內，Q1只有導通損耗：

6 N2 E$ s6 c% w, l
Q2的損耗包括開通損耗、導通損耗、關斷損耗，先看一個PWM周期內的損耗，當PWM為高電平時，Q1和Q2同時導通，假設PWM的占空比是50%， PWM的周期為T，  那么在t1到t2時間段內，Q2的導通損耗：
! P! s; m+ }5 l) t
- q4 A- Z) s6 P% q. Q" {1 h
假設
( x3 y, y  W7 P9 A9 e- G% Z+ K
100ns ，Q2的開關損耗：


二極管的壓降0.7V，D5的續(xù)流損耗：

7 L; e4 s! \- g) t1 x" O
& D7 N. ^" S. c" F# X; l, s' Z2 d在第一步導通相序內，續(xù)流損耗大于開關損耗， Q5最熱，Q2次之，Q1溫度最低。如在其他小功率應用中，回路中的電流流過1A時，則寄生二極管續(xù)流損耗0.35W，Q2最熱，D5次之，Q1溫度最低。

) S. L: z/ C6 y/ x1 E3 w基于以上小功率與中等功率對比，存在一個規(guī)律：小電流時，誰斬波誰熱；大電流時，誰續(xù)流誰熱。
- O9 |2 o+ @* H4 r, i

5 ]; V, K4 l; T3 z3 f續(xù)流方式對比
5 O6 m% |! {+ M6 O慢續(xù)流：
在t2到t3時間段內，Q1導通，Q2關斷，Q5關斷。此時電流從Q5的體二極管流過，電感兩端的電壓被鉗位在0.7V，所以，0.7V=L*di/dt，di/dt=0.7V/L。此時di/dt很小，也就是電流的變化速度很小。這說明在t2到t3時間段內，電感的續(xù)流電流下降很緩慢，稱為慢續(xù)流，也叫高端續(xù)流。對于電機來說，電機繞組上有電流，電機才能輸出力矩，因為慢續(xù)流時Id電流下降的速度很慢，所以電流下降到0的時間也很長，這就保證了在續(xù)流期間，電機繞組上仍然是有電流的，也就是電機在續(xù)流期間仍然可以輸出力矩。但是，有的時候并不希望電機繞組在續(xù)流器件仍然有很大的電流，如主流新能源汽車都帶有能量回收功能，也就是在剎車的時候，需要電機繞組上的電流在很短的時間內降為0，這個時候就需要快續(xù)流了，讓電流的變化速度快，電流能夠在短時間內變成0，能量回饋至輸入電源端。
快續(xù)流
電感續(xù)流如圖6所示，將Q1與Q2都截止，此時電流會通過Q5和Q4的體二極管續(xù)流，并且電流是通過輸入電源形成回路的，此時對輸入電源進行充電，因為W端出來，經過Q5的體二極管D5，有一個0.7V的壓降，然后連接輸入電源，所以W端是E+0.7V。GND經過的Q4的體二極管D4有一個0.7V的壓降，之后連接到了電感的負端(U端)，那電感的U端就是-0.7V，電感的感應電動勢E+0.7V。根據(jù)公式：U/L=di/dt，慢續(xù)流時0.7V，快續(xù)流時E+0.7V。di/dt的結果比慢續(xù)流時大很多，此時電流變化的速度很快。

圖6 快續(xù)流電路圖

5 o  Y7 Y+ O% c4 S; \9 F
4 f' X) t) w2 E# |; y7 ~聲明：
' a% X, W, O4 x. D聲明：文章整理于網絡。本號對所有原創(chuàng)、轉載文章的陳述與觀點均保持中立，推送文章僅供讀者學習和交流。文章、圖片等版權歸原作者享有，如有侵權，聯(lián)系刪除。投稿/招聘/推廣/宣傳 請加微信：woniu26a推薦閱讀▼
電路設計-電路分析
( P4 G, u+ }) u! t$ z% Demc相關文章
電子元器件
后臺回復“加群”，管理員拉你加入同行技術交流群。