电子产业一站式赋能平台

PCB联盟网

搜索
查看: 247|回复: 0
收起左侧

直流无刷电机驱动电路

[复制链接]

829

主题

829

帖子

7549

积分

高级会员

Rank: 5Rank: 5

积分
7549
发表于 2024-8-30 07:41:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

nvoweqd1gu06409351559.gif

nvoweqd1gu06409351559.gif

; \0 H* r9 ^8 T( f4 k0 A点击上方名片关注了解更多% n+ q( w5 Q# J- B- [
, R; X, A  B% h+ g* p

+ 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/ A" b$ ?8 x! R/ V" o; H3 G

+ 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' U" F$ f( M( E1 J! B

ino1x5g1liz6409351659.png

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' w3 [, _9 V: Z9 Y; U
& ?4 Z( [5 B/ C1 R- `

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

cstaxvi3bz16409351759.png
3 Q9 y! i0 @- o
图2 三相全桥逆变电路及工作时序) l) j5 O4 f2 i; e7 h

& 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' h0 X6 L# ]) _4 R: V! h# Q" z

4wjztrdthhv6409351859.png

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! R) f9 H* F9 {$ m2 k

ps2ondg3jbt6409351959.png

ps2ondg3jbt6409351959.png
7 g. c3 b5 k' _# _4 M
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。1 K6 m& Q0 _' A( T- H
4 B8 i  a5 k- q% a- {

1pcsi43ma0b6409352059.png

1pcsi43ma0b6409352059.png
" Q3 D7 `5 X* k
图5 第一步导通时序损耗组成3 w# q  o2 H6 p! E, I

. 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

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:' x. p7 @8 }5 h( p

oykal2hqc5m6409352259.png

oykal2hqc5m6409352259.png

0 [# L  S% ]3 X
% K8 J1 Q& W  h3 h) U3 P) b假设2 ]& Z6 g5 z+ |

3oy02np2byl6409352359.png

3oy02np2byl6409352359.png

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

f2ypdho2b446409352400.png

f2ypdho2b446409352400.png

9 {0 s, n* `4 G& R5 X  s7 R& F) R) N! s3 M: k& j
二极管的压降0.7V,D5的续流损耗:
2 Q( o; Q7 E5 ?

jqkd4jfmk1b6409352500.png

jqkd4jfmk1b6409352500.png
& ~3 S* `7 D. [% k) m
: S8 L" P6 \% L) k  `8 n
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* f* w! k# y" b) I# u8 D
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。" A/ n/ y+ L1 E) |: ]9 F) {' T

  T! s0 y: f# x8 A' k7 g) E+ z! y. U+ C( F
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。: y  X& s/ _- B6 g) w" U- _: c, A) i1 d
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

e4cig3igeer6409352600.png

3 }7 s- f! q# D) ?图6 快续流电路图8 \; s8 R2 q3 M; o* x. F3 O

dhco0d0ul2i6409352700.jpg

dhco0d0ul2i6409352700.jpg

) [4 c' x6 \  a1 V) w* V

govhsyqrd226409352800.jpg

govhsyqrd226409352800.jpg
4 F+ @& x: x* N) _- P
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4 {  {0 p, r' M6 R" u/ g: g2 t
emc相关文章) _$ a- H9 I  J, l; e$ O
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。
回复

使用道具 举报

发表回复

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则


联系客服 关注微信 下载APP 返回顶部 返回列表