直流无刷电机驱动电路

硬件笔记本

nvoweqd1gu06409351559.gif

; \0 H* r9 ^8 T( f4 k0 A点击上方名片关注了解更多


+ H6 B7 Y2 x+ {$ ~, M3 {- L0 [
' Z8 o, H& s  ?9 h; }3 N. M8 F: O+ {
" t* |, E/ n5 K8 @' O, C7 {, P前言

+ r6 l0 H' K8 R0 ?
3 `2 T* t* U9 f% h" Y+ A0 s由于无刷电机具有高扭矩、长寿命、低噪声等优点，已经在各领域中得到了广泛应用。其内部电子绕组可看作一个电感线圈。如图1所示内部结构及电流波形，通过不断改变定子绕组中的电流方向，从而改变电磁铁的磁性，使得电机连续旋转。因此需要设计一个驱动电路，改变定子绕组中的电流方向才能使得转子旋转，常用驱动电路为三相全桥逆变电路。
* e* A* L5 U6 @! T4 ^# T4 s

ino1x5g1liz6409351659.png

6 l; T6 L* m  d( o/ h$ `0 Q图1 电机内部定子绕组结构及电流波形


1 G8 l1 l& n& F! G, d  [0 F三相全桥逆变电路
" q! Z8 }9 e# `3 W无刷电机驱动三相全桥逆变电路以及工作时序如图2所示，无刷电机中有3个绕组，分别为U、V、W相绕组。每个绕组中电流有2个方向，所以三相电机中电流的方向有3*2=6个，通过控制三相桥电路中3个绕组中的电流方向，使其按照一定的规律改变方向，来实现三相电机的连续运转。通过控制PWM信号的不同占空比，实现输出电压的变化来控制电机的转速。
6 K7 }2 P$ f( a9 @' }8 M
; I  R1 x5 B, w2 w2 ^* C

cstaxvi3bz16409351759.png

图2 三相全桥逆变电路及工作时序

& O  i% q: ?4 h$ k" d: {, r如图3所示，在Q1、Q2导通时序内， Q1保持恒通，Q2使用PWM斩波（也可以让Q2保持恒通，Q1使用PWM斩波，但该方式高边PWM驱动较难实现），如PWM的占空比为50%，则加在电机绕组两端的平均电压就是Vcc*50%。
/ N: b9 w5 t) L. q, e5 }7 d% q& c

4wjztrdthhv6409351859.png

7 y% Z& c7 w, O" J2 Q图3 Q1 Q2导通时序电路流
( O3 b9 S. Z; t+ g6 E: P# E2 ]
+ L" j# ~& Q: X' _' B当Q1导通，Q2截止的时候，由于绕组电感特性，电流要保持方向和大小不变，此时绕组相当于电流源，电流从源的正端W端出发，经过Q5体二极管D5续流，回到源的负端U端，如图4所示。AB两点间的电压被D5钳位在0.7V。此时MOS管的功耗称为续流损耗，续流损耗计算式为P=0.7V*Id。
8 a& s1 w, ~5 @* K! c* P

ps2ondg3jbt6409351959.png

图4 Q1 Q2导通时序电路流
6 k% w3 C. _& p3 U
. `: _" o  _# W) {) |热损耗分析
9 ?; Y$ ?- R) w4 t以第一步导通相序Q1 Q2为例，总时间从t1到t4这段时间（单个时序工作60°），如图5所示。t1到t4时间内，Q1只有导通损耗（忽略一次开通损耗和一次关断损耗） ，Q2有开关断损耗、导通损耗。Q5寄生二极管D5有续流损耗。

1pcsi43ma0b6409352059.png

图5 第一步导通时序损耗组成

. v7 j, ~" X# @0 U; J# p7 p) [以某电动自行车为例，Vcc供电电压48V， 回路中的电流Id是10A，占空比为50%，开关频率为20kHz。假设MOS管的导通电阻Rdson=10mΩ，t1到t4相序内，Q1只有导通损耗：
# t! M! c# h; m# m( ?; m  B

wjmdundcwuo6409352159.png

! F* }4 x6 O. J1 x% j6 Z7 R
% w& O. }8 j$ _8 |+ _8 AQ2的损耗包括开通损耗、导通损耗、关断损耗，先看一个PWM周期内的损耗，当PWM为高电平时，Q1和Q2同时导通，假设PWM的占空比是50%， PWM的周期为T，  那么在t1到t2时间段内，Q2的导通损耗：

oykal2hqc5m6409352259.png

0 [# L  S% ]3 X
% K8 J1 Q& W  h3 h) U3 P) b假设

3oy02np2byl6409352359.png

. B, ?; d: P  K$ }: Y, G- S100ns ，Q2的开关损耗：
( U4 U7 V' N% @

f2ypdho2b446409352400.png

9 {0 s, n* `4 G& R
二极管的压降0.7V，D5的续流损耗：
2 Q( o; Q7 E5 ?

jqkd4jfmk1b6409352500.png

在第一步导通相序内，续流损耗大于开关损耗， Q5最热，Q2次之，Q1温度最低。如在其他小功率应用中，回路中的电流流过1A时，则寄生二极管续流损耗0.35W，Q2最热，D5次之，Q1温度最低。
! {3 z6 L, G5 R3 w' L
基于以上小功率与中等功率对比，存在一个规律：小电流时，谁斩波谁热；大电流时，谁续流谁热。

  T! s0 y: f# x8 A' k
续流方式对比
- P9 ?8 G" W. o) N* z" n' ?慢续流：
7 X; M) ]) s$ P( k& J$ K; j$ K& L在t2到t3时间段内，Q1导通，Q2关断，Q5关断。此时电流从Q5的体二极管流过，电感两端的电压被钳位在0.7V，所以，0.7V=L*di/dt，di/dt=0.7V/L。此时di/dt很小，也就是电流的变化速度很小。这说明在t2到t3时间段内，电感的续流电流下降很缓慢，称为慢续流，也叫高端续流。对于电机来说，电机绕组上有电流，电机才能输出力矩，因为慢续流时Id电流下降的速度很慢，所以电流下降到0的时间也很长，这就保证了在续流期间，电机绕组上仍然是有电流的，也就是电机在续流期间仍然可以输出力矩。但是，有的时候并不希望电机绕组在续流器件仍然有很大的电流，如主流新能源汽车都带有能量回收功能，也就是在刹车的时候，需要电机绕组上的电流在很短的时间内降为0，这个时候就需要快续流了，让电流的变化速度快，电流能够在短时间内变成0，能量回馈至输入电源端。
快续流
( D# d4 h8 h/ s+ ?6 D电感续流如图6所示，将Q1与Q2都截止，此时电流会通过Q5和Q4的体二极管续流，并且电流是通过输入电源形成回路的，此时对输入电源进行充电，因为W端出来，经过Q5的体二极管D5，有一个0.7V的压降，然后连接输入电源，所以W端是E+0.7V。GND经过的Q4的体二极管D4有一个0.7V的压降，之后连接到了电感的负端(U端)，那电感的U端就是-0.7V，电感的感应电动势E+0.7V。根据公式：U/L=di/dt，慢续流时0.7V，快续流时E+0.7V。di/dt的结果比慢续流时大很多，此时电流变化的速度很快。
' V. R. Y5 D; d2 S0 u: t3 k

e4cig3igeer6409352600.png

3 }7 s- f! q# D) ?图6 快续流电路图

dhco0d0ul2i6409352700.jpg

) [4 c' x6 \  a1 V) w* V

govhsyqrd226409352800.jpg

声明：
" s( L& r9 H" j, }; U) o) i9 `声明：文章整理于网络。本号对所有原创、转载文章的陈述与观点均保持中立，推送文章仅供读者学习和交流。文章、图片等版权归原作者享有，如有侵权，联系删除。投稿/招聘/推广/宣传 请加微信：woniu26a推荐阅读▼
; z) {; t9 k; F- Y/ O电路设计-电路分析
emc相关文章
电子元器件
6 N6 s2 `" R; \' w0 [% B: b后台回复“加群”，管理员拉你加入同行技术交流群。