直流无刷电机驱动电路

硬件笔记本 · 发表于 2024-8-30 07:41:00

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前言

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。

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图1 电机内部定子绕组结构及电流波形

三相全桥逆变电路
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。

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图2 三相全桥逆变电路及工作时序

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%。

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图3 Q1 Q2导通时序电路流

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。

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图4 Q1 Q2导通时序电路流

热损耗分析
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。

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图5 第一步导通时序损耗组成

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：

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Q2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：

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假设

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100ns ，Q2的开关损耗：

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二极管的压降0.7V，D5的续流损耗：

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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。

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。

续流方式对比
慢续流：
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
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。

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图6 快续流电路图

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