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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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% \' _' V) p3 K3 ~+ a# L. \- _2 r; A5 {$ V
前言% [! Z8 Q5 z: }) a) V- l% _7 ^

  f: i1 m) H' ^( [2 k
6 N3 b# P; w* O) y: N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
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1 }& s; X* T- c! b; {
三相全桥逆变电路
, t3 p9 V) y9 `5 G8 d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。5 G' H- g1 Z& W) V; |& ]

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& k  }5 T2 a5 B$ _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%。9 J- K- ~' q% _- D+ x3 V

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图3 Q1 Q2导通时序电路流
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# l8 ^+ ?% Q2 p; Y! D3 p3 X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。& X0 I3 j2 d1 m9 Y- }
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- K2 F. Y$ l. P3 ]: J3 p图4 Q1 Q2导通时序电路流
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热损耗分析  [$ o% c/ n1 K! c" C) ~6 W
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。
6 V% r3 G1 O6 C! T; w+ y7 b; w5 [5 x& Y, ]% [' C+ Z( q. P; p9 T; l2 |. J

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图5 第一步导通时序损耗组成' }, e1 `4 u* z
* j+ L6 `4 I* u8 _
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:# R. P+ [- q2 G) Z' C9 u

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/ _9 U. n; F) c5 ~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( L: P4 q, _7 m0 e/ i

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, ]7 o$ O( q, }5 z2 ^" Q1 D100ns ,Q2的开关损耗:/ L0 I6 G. `# O+ F: U

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二极管的压降0.7V,D5的续流损耗:
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: O, V5 i0 {: a# K; k. O) f
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。
& M6 B1 F9 {6 e% s
- [4 W& b& u/ P5 Y" ?9 B& r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。
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. L  x( s. e# B/ c  B  I) \3 U
# P3 M9 t3 w% D续流方式对比" e- K# P, ?0 k6 X9 d" I( q* m
慢续流:0 o; m3 e& ]' e: C" 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。
0 {6 ]' H) g% Q& t% w快续流  H. ?  O* l- W/ w
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。 4 i  M# Q4 V7 y6 d1 Z! o

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图6 快续流电路图4 f& Z& ]$ k0 P) X3 b' I0 J

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) G  c; k+ |4 a' q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▼3 e3 j* A2 Z. v5 S( d8 y' q
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