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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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: x# }3 e! b! [6 V1 \* M
: J; x, R' N" P; s7 z; ^
前言
9 e7 q4 x& n7 H
$ i$ O/ W% d5 G5 ~) O* W2 h
" t( t$ K/ J! ^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。; T- {* t( P& T$ T0 L$ m- Z

& N* V/ A( k* F2 n

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3 z$ h" D5 X% b  |. n( c" ~1 ^3 D
图1 电机内部定子绕组结构及电流波形
! A8 ]5 V, n& M1 i5 }1 M2 m$ H1 J2 U4 g) X0 e' H

7 N3 V0 N! j- Q; ?5 h三相全桥逆变电路# U2 O7 ]+ B9 B) I
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 }6 h. E- o9 H
9 j9 I: Q* x% B

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$ M& y0 l! I4 w- d  Q' J1 N9 N: Y图2 三相全桥逆变电路及工作时序
" W. F6 U4 ^- Y2 W7 n! P1 {
1 f( j+ P$ a6 `; S0 U3 q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%。6 N9 ]  f4 S  R9 d; I  D9 j6 P
9 ?# |. J1 z( l. I4 W

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; h5 w" w7 e& s: V! C$ n) y/ i4 T图3 Q1 Q2导通时序电路流( r; I/ C0 V& R" u1 X* N. X( a

3 e9 _9 @& l% S, X7 ^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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1 }, e/ N$ u( L图4 Q1 Q2导通时序电路流' G) `7 z8 |" H4 b# e

# Y% D% [1 S. D/ ]0 N2 p& u热损耗分析
' i$ T  M$ f* S! n6 S( y' 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。
5 B: P4 A2 N' S  {9 [% D, Q& ^7 a' M, d& s

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8 s4 E% g$ g7 L1 I% [/ v图5 第一步导通时序损耗组成8 G1 M: S. j" ]

) v" E: i3 M, k- B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: G  H0 v5 L0 R% i

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" O* j8 l# \5 l0 N0 m% x1 z9 z  C8 ?& ]9 \) T* W3 p/ I
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:; J) P; ~- ]! |2 ]/ G( H" x

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0 C/ i% Z9 w$ N0 R; {1 X假设
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100ns ,Q2的开关损耗:
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4 \! Z2 L4 h$ n) g二极管的压降0.7V,D5的续流损耗:
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) S$ Y# Y( B1 R3 B/ D: J. _6 p4 s$ W* t
5 s, t" P$ u3 W/ D. h( N3 S4 B( R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。
" f1 A+ y3 v+ h+ I- B& c& t) V# E
- Y# \+ k4 R; e: Y4 @* T' ?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。. _% O& S1 S4 p7 \0 t" M, L
8 e5 B% G* r8 t4 f" @( I
- b9 t$ V  T, J  Y: P2 P; p
续流方式对比
; u' j" v; p/ Y+ S慢续流:
! f9 u, Q: v7 c& _, n$ R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。, w- }/ g$ E5 S' [; a7 B
快续流+ E, T0 k5 _7 G4 n6 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。
3 M  m- Y4 S, `9 l9 Q0 U4 c% z

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/ n* ^: {# L  k7 H- b图6 快续流电路图
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: O; I0 m* p7 m3 I8 D# w* t* Y声明:
, y% g. l' R1 u  L# z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▼4 H% K& I/ D: B7 o$ E5 H& D
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