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直流无刷电机驱动电路

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发表于 2024-8-30 07:41:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

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前言
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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。* y- ?, N# T9 U% C& W

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图1 电机内部定子绕组结构及电流波形$ c/ ^% q( T; Z- o
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三相全桥逆变电路
$ E5 a' K. `" i4 p2 c- p% {" l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
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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
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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
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, D, g. \8 U$ l( z3 A3 |; M热损耗分析
6 o  `; L3 ^- P( W, q7 S# w. d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。- s$ b$ a- l. Q' g! d
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图5 第一步导通时序损耗组成
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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:3 V% s% C' A* a

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- f9 x, L, o9 V/ D0 s

9 Z9 M# w$ w6 HQ2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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8 S( r8 E9 T0 O! ?6 a100ns ,Q2的开关损耗:
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二极管的压降0.7V,D5的续流损耗:4 [+ P9 N( A4 t$ ?7 ?4 y

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3 B6 e# j9 g( T2 w$ ~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。
* |/ g/ d+ X# T$ O! t8 r
( N4 Y' x1 N* 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。
5 P( ^- P# Y' `$ Q% P# ?. p; |; ~" b& D' v  S. ~

$ z% m( T& Z8 I- C; a" x续流方式对比
0 @( L& D9 g$ r慢续流:
, j4 v4 ?% d1 `8 U; Y: L7 R# K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。( _: w1 h+ [* Z& O, f8 Y  t5 }
快续流
# U" k9 R1 `, ^7 g# F" l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; O( |& {" @+ W: v. Y

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4 g. n0 R" O# r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▼! }" `+ P$ `/ R6 v; |
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