直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

硬件筆記本

點(diǎn)擊上方名片關(guān)注了解更多

+ r4 d. a/ l' A- v, N8 m) z1 w+ X
7 U6 d7 ?/ p! s2 a  F* R

7 P* K% Z/ t! f前言

2 z* O/ F* _  E# J& s
" s3 Z& j$ n5 S6 T( c由于無(wú)刷電機(jī)具有高扭矩、長(zhǎng)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(guò)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。
) a. h1 [* E, D& L
6 O1 [- w3 i1 _
圖1 電機(jī)內(nèi)部定子繞組結(jié)構(gòu)及電流波形
0 l8 C3 X  t0 Z% g6 z' J

5 v. W6 J3 W8 y! j3 T, M三相全橋逆變電路
  k9 @- X  f4 D' ~( B& H5 x1 P5 K無(wú)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(wú)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(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)三相電機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。通過(guò)控制PWM信號(hào)的不同占空比，實(shí)現(xiàn)輸出電壓的變化來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。


6 M; a) {: f2 L  A1 X  p5 u. x圖2 三相全橋逆變電路及工作時(shí)序
9 [2 y& }" I  I4 B  B/ N8 j5 U- \
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%。


! \$ l1 L9 S- N1 J6 t, P' G# `圖3 Q1 Q2導(dǎo)通時(shí)序電路流
" _6 E+ h2 Y# s+ f6 A" v
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(guò)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(chēng)為續(xù)流損耗，續(xù)流損耗計(jì)算式為P=0.7V*Id。

+ o0 [) i- L0 i: X) j9 t. ]8 n
圖4 Q1 Q2導(dǎo)通時(shí)序電路流
% M5 ?4 E& y& G% N. |" ~
8 M. a' k; F. ?1 g熱損耗分析
! `0 y- X6 r- O# @- S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(kāi)通損耗和一次關(guān)斷損耗） ，Q2有開(kāi)關(guān)斷損耗、導(dǎo)通損耗。Q5寄生二極管D5有續(xù)流損耗。
% U& `7 ~8 w) S- k2 h
5 _; N/ `( {, j' R& L/ u
圖5 第一步導(dǎo)通時(shí)序損耗組成
. z% s7 b+ _& Z1 T; @- v! ?
以某電動(dòng)自行車(chē)為例，Vcc供電電壓48V， 回路中的電流Id是10A，占空比為50%，開(kāi)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：


8 G- a" N8 ~" |% v" t0 LQ2的損耗包括開(kāi)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(mén)，  那么在t1到t2時(shí)間段內(nèi)，Q2的導(dǎo)通損耗：
1 f# X0 k' k4 b: t( E2 n* j2 [
% F/ h0 V4 g& s$ x/ Q) Z0 E  L* m
$ `3 Q% i5 J" q3 y: _! p假設(shè)

100ns ，Q2的開(kāi)關(guān)損耗：
6 W6 e: p$ f- o. B8 [6 e
: t4 |0 m: V5 a* \
二極管的壓降0.7V，D5的續(xù)流損耗：

% K, d4 n6 N; W3 ?& p- ^
在第一步導(dǎo)通相序內(nèi)，續(xù)流損耗大于開(kāi)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(guò)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。

- Q' V9 j% a+ h2 M8 s0 x% a0 f7 C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(shuí)斬波誰(shuí)熱；大電流時(shí)，誰(shuí)續(xù)流誰(shuí)熱。
" ~" v4 b( N! L" \2 f  S$ _

3 g% N+ L7 D+ m續(xù)流方式對(duì)比
慢續(xù)流：
# A. Y8 `: L! G9 S3 Y( q: y9 l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(guò)，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(shuō)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(chēng)為慢續(xù)流，也叫高端續(xù)流。對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)，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(chē)都帶有能量回收功能，也就是在剎車(chē)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。
) \6 }) h: x6 j! X5 x! O快續(xù)流
! k! n+ P- R$ I, b7 J$ Z8 |) N3 K7 A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(guò)Q5和Q4的體二極管續(xù)流，并且電流是通過(guò)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(lái)，經(jīng)過(guò)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(guò)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(shì)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。
/ y# V' y/ I; I$ i0 t3 Q5 d
圖6 快續(xù)流電路圖


聲明：
# R) o; m0 T; w/ |2 p# o3 }聲明：文章整理于網(wǎng)絡(luò)。本號(hào)對(duì)所有原創(chuàng)、轉(zhuǎn)載文章的陳述與觀點(diǎn)均保持中立，推送文章僅供讀者學(xué)習(xí)和交流。文章、圖片等版權(quán)歸原作者享有，如有侵權(quán)，聯(lián)系刪除。投稿/招聘/推廣/宣傳 請(qǐng)加微信：woniu26a推薦閱讀▼
# `& N3 n7 E; ?6 ^  e電路設(shè)計(jì)-電路分析
emc相關(guān)文章
電子元器件
# J9 H6 b! r/ O# O" W5 o0 t后臺(tái)回復(fù)“加群”，管理員拉你加入同行技術(shù)交流群。