直流無刷電機驅(qū)動電路

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前言

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由于無刷電機具有高扭矩、長壽命、低噪聲等優(yōu)點，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，使得電機連續(xù)旋轉(zhuǎn)。因此需要設(shè)計一個驅(qū)動電路，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)動電路為三相全橋逆變電路。

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( P7 k8 P& h* P/ t0 O圖1 電機內(nèi)部定子繞組結(jié)構(gòu)及電流波形


三相全橋逆變電路
無刷電機驅(qū)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(zhuǎn)。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(zhuǎn)速。
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) V( N' M1 Q9 g$ Q+ m: k! W( o. f圖2 三相全橋逆變電路及工作時序

如圖3所示，在Q1、Q2導(dǎo)通時序內(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%。
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0 ]4 P/ A! }0 w# ]1 S( V圖3 Q1 Q2導(dǎo)通時序電路流
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8 S* f# R1 S% V8 }) N當(dāng)Q1導(dǎo)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(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。

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, _4 z8 v4 @5 k$ s( P" X) {4 j. s# \. q圖4 Q1 Q2導(dǎo)通時序電路流
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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(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。


圖5 第一步導(dǎo)通時序損耗組成

- `7 h. e/ b. T" n3 ^8 p' M& c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(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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Q2的損耗包括開通損耗、導(dǎo)通損耗、關(guān)斷損耗，先看一個PWM周期內(nèi)的損耗，當(dāng)PWM為高電平時，Q1和Q2同時導(dǎo)通，假設(shè)PWM的占空比是50%， PWM的周期為T，  那么在t1到t2時間段內(nèi)，Q2的導(dǎo)通損耗：

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假設(shè)

9 i* }/ @" z' N+ x1 v100ns ，Q2的開關(guān)損耗：
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# a; C3 X8 ?$ C7 m9 m& j' j+ n, Q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，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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' a; f. R5 [: S+ c: @, O8 U4 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。
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續(xù)流方式對比
1 w9 A; K$ @, w. f$ ?+ ]慢續(xù)流：
在t2到t3時間段內(nèi)，Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷，Q5關(guān)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(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(nèi)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(nèi)變成0，能量回饋至輸入電源端。
快續(xù)流
' k3 i: v/ p# ~% ~$ Z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(jīng)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(jīng)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(fù)端(U端)，那電感的U端就是-0.7V，電感的感應(yīng)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(jié)果比慢續(xù)流時大很多，此時電流變化的速度很快。
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& Q; W4 j# x. k/ x! L0 e圖6 快續(xù)流電路圖
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