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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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" D; V( M0 s- y. G9 W点击上方名片关注了解更多: ^: _8 l6 a9 {9 U8 o; Z. \+ w

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6 p1 E9 i6 \, S: m. N0 T& {4 r  k
( e1 |) b4 J' y# s: H0 |! M
8 r; [3 F) w) a前言
* Z4 \8 w( c! Z" q8 y3 S; b) I$ H( @, W6 G/ S

! d4 c3 |0 x2 n5 t: w- D( }% r. d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。# i3 j( r' }7 D4 G. e
9 d& T& n% {7 P. U* _

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4 s7 Q% h/ t: m图1 电机内部定子绕组结构及电流波形
9 |7 ^7 X+ V8 Q% B1 c
, _! P2 z( |: I$ d2 T! N, y+ I# ]% T
$ A5 L( \$ H! C9 G三相全桥逆变电路# {5 z3 \2 v3 ~. i4 L" g
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。/ v; ^4 q; g. f; f& l) ]

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: Y+ q7 z( Y( |  {4 P2 A图2 三相全桥逆变电路及工作时序$ [0 c' ]& x" a
2 D5 x) e7 N. Q/ {3 s- U
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%。) S. I  k+ F& c$ x4 r6 u4 c

  h% ?+ @+ W( j8 X( H

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6 O* U0 t3 e. O% u! H  @. m7 I图3 Q1 Q2导通时序电路流
: Q" Y& E3 `5 Z. h$ h
; r5 a3 X( B7 D% G0 W+ e) s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。6 `+ L$ w+ {* M+ I
+ V( D. q/ o* \" G

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1 x8 d7 I" D( k/ b* @$ S5 P图4 Q1 Q2导通时序电路流* e# A; E" J9 w1 o1 V) Y  b
; z* |" C( ^* e* \: |
热损耗分析
# T7 S# C7 ~+ y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 m) }" L- Z& h% f/ G
* |; v5 s4 k6 O$ D3 b: E

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1 v* g! P) I, x' j+ W/ f# s; z
图5 第一步导通时序损耗组成
$ u* d" f7 [7 h& @, r1 f
4 [+ E! a- G" d% p8 P; i: s8 Z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:
7 r, z: `4 s# L2 N& H8 D! U- A

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0 I/ N$ I* G' P* m4 |5 |
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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:# o* T4 ~" V" o  F( J

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假设
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100ns ,Q2的开关损耗:# B$ W3 h- c6 S3 Z" F1 }

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* q( x1 o  j0 C  G. |% g( b
二极管的压降0.7V,D5的续流损耗:
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, K9 r8 O% y. n/ g3 Y) J! f7 d
" W' d# c4 C$ L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。& X0 R7 _3 H- d1 |$ \2 L6 X
6 u5 U1 A8 J* A' ?( m
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。0 w4 L! c1 `! M  O7 V

& F  z4 K9 R! J8 Q3 d
: [& H4 L4 I1 i8 _+ B续流方式对比$ ~! K0 M: Y3 W* e
慢续流:! z; Y1 m" ]- ]
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。' O7 B7 p6 L1 B6 t8 q
快续流
7 Z% j' |# H, u8 U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 F& J. ^# w' ^+ O  t* x5 j5 I* M

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7 ^  l& g2 I# i: R7 V
图6 快续流电路图
7 V' C9 Z8 d" |

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