直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

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前言
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由于無刷電機(jī)具有高扭矩、長壽命、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在各領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。其內(nèi)部電子繞組可看作一個(gè)電感線圈。如圖1所示內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)。因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路，改變定子繞組中的電流方向才能使得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，常用驅(qū)動(dòng)電路為三相全橋逆變電路。

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% \1 C8 l8 N1 \, S0 g$ x' R圖1 電機(jī)內(nèi)部定子繞組結(jié)構(gòu)及電流波形

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三相全橋逆變電路
無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)三相全橋逆變電路以及工作時(shí)序如圖2所示，無刷電機(jī)中有3個(gè)繞組，分別為U、V、W相繞組。每個(gè)繞組中電流有2個(gè)方向，所以三相電機(jī)中電流的方向有3*2=6個(gè)，通過控制三相橋電路中3個(gè)繞組中的電流方向，使其按照一定的規(guī)律改變方向，來實(shí)現(xiàn)三相電機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。通過控制PWM信號(hào)的不同占空比，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的變化來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。


) {3 B, L) |  t3 \! i; Y圖2 三相全橋逆變電路及工作時(shí)序

. M3 F" t9 t* V( R7 b% Z' N" E+ d如圖3所示，在Q1、Q2導(dǎo)通時(shí)序內(nèi)， 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(qū)動(dòng)較難實(shí)現(xiàn)），如PWM的占空比為50%，則加在電機(jī)繞組兩端的平均電壓就是Vcc*50%。
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圖3 Q1 Q2導(dǎo)通時(shí)序電路流
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當(dāng)Q1導(dǎo)通，Q2截止的時(shí)候，由于繞組電感特性，電流要保持方向和大小不變，此時(shí)繞組相當(dāng)于電流源，電流從源的正端W端出發(fā)，經(jīng)過Q5體二極管D5續(xù)流，回到源的負(fù)端U端，如圖4所示。AB兩點(diǎn)間的電壓被D5鉗位在0.7V。此時(shí)MOS管的功耗稱為續(xù)流損耗，續(xù)流損耗計(jì)算式為P=0.7V*Id。


/ _1 ]4 ^8 q1 w5 g7 H2 f圖4 Q1 Q2導(dǎo)通時(shí)序電路流
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熱損耗分析
以第一步導(dǎo)通相序Q1 Q2為例，總時(shí)間從t1到t4這段時(shí)間（單個(gè)時(shí)序工作60°），如圖5所示。t1到t4時(shí)間內(nèi)，Q1只有導(dǎo)通損耗（忽略一次開通損耗和一次關(guān)斷損耗） ，Q2有開關(guān)斷損耗、導(dǎo)通損耗。Q5寄生二極管D5有續(xù)流損耗。
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圖5 第一步導(dǎo)通時(shí)序損耗組成
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以某電動(dòng)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(guān)頻率為20kHz。假設(shè)MOS管的導(dǎo)通電阻Rdson=10mΩ，t1到t4相序內(nèi)，Q1只有導(dǎo)通損耗：
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& M' ?, b4 b$ e# |Q2的損耗包括開通損耗、導(dǎo)通損耗、關(guān)斷損耗，先看一個(gè)PWM周期內(nèi)的損耗，當(dāng)PWM為高電平時(shí)，Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通，假設(shè)PWM的占空比是50%， PWM的周期為T，  那么在t1到t2時(shí)間段內(nèi)，Q2的導(dǎo)通損耗：

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假設(shè)
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100ns ，Q2的開關(guān)損耗：
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二極管的壓降0.7V，D5的續(xù)流損耗：
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在第一步導(dǎo)通相序內(nèi)，續(xù)流損耗大于開關(guān)損耗， Q5最熱，Q2次之，Q1溫度最低。如在其他小功率應(yīng)用中，回路中的電流流過1A時(shí)，則寄生二極管續(xù)流損耗0.35W，Q2最熱，D5次之，Q1溫度最低。
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4 }' N6 b7 {/ \8 Y5 X; V9 U* p6 a( z基于以上小功率與中等功率對(duì)比，存在一個(gè)規(guī)律：小電流時(shí)，誰斬波誰熱；大電流時(shí)，誰續(xù)流誰熱。

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1 D( L7 o! {' j6 r/ g續(xù)流方式對(duì)比
慢續(xù)流：
* g. I) e. Z. o4 ]6 j6 J在t2到t3時(shí)間段內(nèi)，Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷，Q5關(guān)斷。此時(shí)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(shí)di/dt很小，也就是電流的變化速度很小。這說明在t2到t3時(shí)間段內(nèi)，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(duì)于電機(jī)來說，電機(jī)繞組上有電流，電機(jī)才能輸出力矩，因?yàn)槁�續(xù)流時(shí)Id電流下降的速度很慢，所以電流下降到0的時(shí)間也很長，這就保證了在續(xù)流期間，電機(jī)繞組上仍然是有電流的，也就是電機(jī)在續(xù)流期間仍然可以輸出力矩。但是，有的時(shí)候并不希望電機(jī)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(shí)候，需要電機(jī)繞組上的電流在很短的時(shí)間內(nèi)降為0，這個(gè)時(shí)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(shí)間內(nèi)變成0，能量回饋至輸入電源端。
3 u2 C6 u+ z0 q; e* _. g快續(xù)流
電感續(xù)流如圖6所示，將Q1與Q2都截止，此時(shí)電流會(huì)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(shí)對(duì)輸入電源進(jìn)行充電，因?yàn)閃端出來，經(jīng)過Q5的體二極管D5，有一個(gè)0.7V的壓降，然后連接輸入電源，所以W端是E+0.7V。GND經(jīng)過的Q4的體二極管D4有一個(gè)0.7V的壓降，之后連接到了電感的負(fù)端(U端)，那電感的U端就是-0.7V，電感的感應(yīng)電動(dòng)勢E+0.7V。根據(jù)公式：U/L=di/dt，慢續(xù)流時(shí)0.7V，快續(xù)流時(shí)E+0.7V。di/dt的結(jié)果比慢續(xù)流時(shí)大很多，此時(shí)電流變化的速度很快。
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9 p; z5 i5 [6 W/ N圖6 快續(xù)流電路圖

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