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1、实用标准文档实用标准文档实用标准文档汽工1302丰帕fr图给出三相BLDCM控制系统的六开关逆变器拓扑图。根据无刷直流电机的特点，为了减小转矩脉动，提高电机控制性能，要求加在电机定子上的电流为方波，并与电机的梯形反电动势严格同步，每相电流导通120。表给出图所示的六开关逆变器的开关器件导通顺序。实用标准文档转于位遁工作相，、导通器件-30F 八30rG= -B业小一一几VSs，Y&口. irft=1.) = 0150 11产*:J.+ A) nVSt, V%15021Q”b(人丰vsJvs八210火27Q-if4= - (/1* /J =Qvsj.vs.2 了 (T0辑- 崖踊JI 业电机卵动
2、电路 _图i直流电机驱动控制电路框图2 . H桥功率驱动电路原理实用标准文档H型全桥式电路是使用的最为广泛的直流电机驱动电路，实践证明，H型全桥式电路便于实现直流电机的四象限运行，即分别对应正转、正转制动、反转、反转制 动。S1、S2关断，电机两端为反向电压,H桥功率驱动原理图如图2所示。H型全桥式驱动电路的4只开关管都工作在 斩波状态。其中，S1、S2为一组，S3、S4为一组，这两组状态互补，当一组导通时，另一组必须关断。当S1、S2导通时，S3、S4关断，电机两端加正向电压实现电机的正转或反 转制动；当S3、S4导通时，电机反转或正转制动。图2H桥功率驱动原理实际控制中，需要不断地使电机在
3、正转和反转之间切换。这种情况理论上要求两组控制信号完全互补，但是由于实际的开关器件都存在导通和关断时间，绝对的互补控制逻辑会导致上下桥臂直通短路。为了避免直通短路且保证各个开关管动作的 协同性和同步性，两组控制信号理论上要求互为倒相，而实际必须相差一个足够长的死区 时间，这个校正过程既可通过硬件实现，即在上下桥臂的两组控制信号之间增加延时， 也可通过软件实现，即在状态之前加入适当的延时时间，一般US级单位的延时即可达到 效果。图2中4只续流二极管，可为线圈绕组提供续流回路。当电机正常运行时，驱动电流 通过主开关管流过电机。当电机处于制动状态时，电机工作在发电状态，转子电流必须通 过续流二极管流
4、通，否则电机就会发热，严重时甚至烧毁。3 .直流电机驱动控制电路设计3.1 H桥驱动电路设计在直流电机控制中常用H桥电路作为驱动器的功率驱动电路。由于功率MOSFET是压控元件，具有输入阻抗大、开关速度快、无二次击穿现象等特点,满足高速开关动作需求，因此常用功率MOSFET构成H桥电路的桥臂。H桥电路中的4个功率MOSFET分别采用N沟道型和P沟道型，而P沟道功率MOSFET般不用于下桥臂驱动电机，因此，用功率MOSFET构成H桥电路的桥臂有两种可行的方案：一种是上下桥臂分别用2个P沟道功率MOSFET和2个N沟 道功率MOSFET ;另一种是上下桥臂均用N沟道功率MOSFET。测试可知，利用
5、2个N沟道功率MOSFET和2个P沟道功率MOSFET驱动电机的方案，控制电路简单、成本低。但由于P沟道功率MOSFET的性能要比N沟道功率MOSFET的差，且驱动电流小,多用于功率较小的驱动电路中。f综合考虑系统功率、可靠性要求，以及N道功率MOSFET的优点，采用4个相同的N沟道功率MOSFET的H桥电路，具备较好的性能和较高的可靠性，并具有较大的驱动电流，因此本系统采用此设计模式。其电路图如图3。图中 8V为电机电源电压，4个二极管均为续流二极管,实用标准文档输出端并联的小电容C1 (104 )，用于降低感性元件电机产生的尖峰电压。图3 H桥驱动 电路3.2电荷泵电路设计电荷泵的基本原理
6、是通过电容对电荷的积累效应而产生高压，使电流由低电势流向高电势。图4电荷泵电路电路中A部分是方波发生电路，由RC与反相施密特触发器构成，产生振幅为Vin=5 V的方波。B部分是电荷泵电路，由三阶电荷泵构成。当a点为低电平时，二极管D1导通电容C1充电，使b点电压Vb=Vm-Vtn ；当a点为高电平时，由于电容C1电压不能突变，故b点电压Vb=Vm+Vin-Vtn，此时二极管D2导通，电容C3充电，使c点电压Vx=Vm+Vin-2Vtn ;当a点为低电平时，二极管D1、D3导通，分别对电容C1、C2充电，使得d点电压Vd=Vm+Vin-3Vtn ；当a点再为高电平时，由于电容C2电压不能突变，故
7、d点电压变为Vd=Vm+2Vin-3Vtn，此时二极管D2、D4导通，分别对电容C3、实用标准 文档。这样如此循环，便在g点得到比。其中Vm为二极管压降，一般J-71 Uc4 充电，使 e 点电压 Ve=Vm+2Vin-4Vtn Vm 高的电压 Vh=Vm+3Vin-6tn=Vm+11.4 V 取0.6 V ,从而保证H桥的上臂完全导通。di图5驱动信号放大电路在驱动控制电路中，H桥由4个N沟道功率MOSFET组成。若要控制各个 MOSFET，各MOSFET的门极电压必须足够高于栅极电压。通常要使MOSFET完全 可靠导通，其门极电压一般在10 V以上，即VCS 10 V。对于H桥下桥臂，直接
8、施 加10 V以上的电压即可使其导通；而对于上桥臂的2个MOSFET,要使VGS10 V， 就必须满足VGVm+10 V，即驱动电路必须能提供高于电源电压的电压，这就要求驱 动电路中增设升压电路，提供高于栅极10 V的电压。考虑到VGS有上限要求，一般MOSFET导通时VGS为10 V 15 V，也就是控制门极 电压随栅极电压的变化而变化，即为浮动栅驱动。因此在驱动控制电路中设计电荷泵电 路，用于提供高于Vm的电压Vh，驱动功率管的导通。3.3电机驱动逻辑电路设计与放大电路设计电机驱动逻辑电路输入端主要为如图6中的4、3、2端口。控制信号Dir、PWM、Brake经光电隔离电路后，由门电路进行
9、译码，产 生控制H桥的4个控制信号q5、q6、q7、q8。文档匚:o-t=o-o4匚）-1图6电机驱动逻辑电路（1） 4端口通过输入PWM信号实现控速功能，具体实现原理如下：直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法是控制 磁通， 其控制功率小，低速时受到磁饱和限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限 制，而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。大多数应 用场合都使用电枢电压控制法。随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中PWM （脉宽调制）便是常用的改变电枢电压的 种调速方法。PWM调速控制的基本原理是按一个固定频率来接通和断
10、开电源，并根据需要改变一个周期接通和断开的时间比（占空比）来改变直流电机电枢上电压的占空比 ，从而改变平均电压，控制电机的转速。在脉宽调速系统中，当电机通电时其速度增 加，电机断电时其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可控制电机 转速。而且采用PWM技术构成的无级调速系统.启停时对直流系统无冲击，并且具有启 动功耗小、运行稳定的特点。设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，且设占空比为D=t /T，则电机的 平均速度Vd为：Vd=VmaxD由公式可知，当改变占空比D=t /T时，就可以得到不同的电机平均速度实用标准 文档Vd,从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可将其近似地看成线性关系。在直流电机驱动控制电路中，PWM信号由外部控制电路提供，并经高速光电隔离电路、电机驱动逻辑与放大电 路后，驱动H桥下臂MOSFET的开关来改变直流电机电枢上平均电压，从而控制电机 的转速，实现直流电机PWM调速。要保证电荷泵电路的正常工作，必须产生一路方波信号，并且要考虑到其带负载的能力即驱动能力。图7部分是方波发生电路，由RC与反相
