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无刷电机驱动电路结构解析

作者:音曼顿 浏览: 发表时间:2022-06-14 11:37:58


无刷电机采用3 相线通电。电机本体的定子中,有与3 相对应的线圈(数量为3 的倍数)。各相线圈根据转子的转动位置进行换流(改变电流的方向)。通过改变换流速度与经PWM调节后的电压,控制电机的旋转。逆变器的功能是利用直流电源(电池)生成各相的功率信号(交流生成电路)。


逆变器电路总结


开关器件


逆变器电路是什么样的?


无刷直流电机的驱动电路如图1 所示。在本电路图中,电源设备采用晶体管。晶体管起着高速开关的作用。不工作在放大状态和启动开关的设备称为开关设备。事实上,这里使用的不是普通的晶体管,而是MOSFET 或IGBT。晶体管左侧的端子称为基极(晶体管)或栅极(MOSFET)。当基极/ 栅极施加电压时,电流从晶体管右上角的端子(集电极/ 泄漏极)流向右下角的端子(发射极/ 极),开关变为开启状态。开关开启时,直流电源电压施加到集电极/ 泄漏极,电流流向:上臂晶体管/MOSFET →电机线圈(2 串联)→下臂晶体管/下臂晶体管/MOSFET →地。



线圈中的电流是如何流动的?


分别有U 相、V 相、W 相线圈P W M 信号必须控制电流通过以下方向的2相开关。

U → V

U → W

V → W


箭头左侧对应上臂开关,箭头右侧对应下臂开关。U相、V 相、W 相线圈可以分别视为只有一个 。当然,不是每相只有1个 线圈,而是几个定子线圈(槽)串联或并联。


关于开关设备,上臂和下臂分别设置U 相、V相、W 相。接下来,我们来看看3 相中的各相开关设备。U当相上臂开关器件打开时,U 必须关闭相下臂开关器件;U 相上臂开关器件关闭时,U 必须打开相下臂开关装置。V 相、W 相也是如此。上臂和下臂永远不会同时打开/ 关闭。这种关系被称为互补。

如何决定上臂/ 下臂开关器件的开启/ 关闭?



所示电路中,电流从上臂流到下臂,上臂从3 相中选择1 相开通,下臂亦从3 相中选择1相开通。因此,这里有6 个MOSFET 开关设备。瞬间,微处理器决定电流从哪里流动,从哪个阶段流动。微处理器计算各阶段形成的波形,计时器/ 计数器端子随时输出适当的波形。该电路由晶体管实施PWM 控制。后面提到的矢量控制电路和这里的逆变器电路一样,只是PWM 的使用方法不同。这里使用6 MOSFET 具有相同的特性。考虑到购买的方便性和良好的驱动性,我们使用它N沟道MOSFET。


功率器件MOSFET 与IGBT


低于100V 时选用MOSFET

所示的电路中,用于电机控制的开关设备是图3 所示的晶体管。一般来说,MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOS晶体管的场效应)和I G B T ( I n s u l a t e d G a t e B i p o l a rTransistor,绝缘栅双极晶体管)应用广泛。最近,新一代更高效、更耐高压SiC、GaN 开关设备也开始应用。


MOSFET 的特点是通态电阻(泄漏- 源极间电阻) 小,损耗小。E V 卡丁车的输入电压为2 4 ~ 5 0 V (耐压6 0 ~ 1 0 0 V ),适用MOSFET 有很多种,容易获得。选型的关键是通态电阻、开关速度、温度特性等。

高于100V 时选用IGBT


I G B T 耐高压。找到适合1 0 0 的V 、200V,电压甚至更高MO S F E T 很难选择I G B T 。市售的E V 和最近的火车也用过IGBT。开通时,IGBT 集电极- 发射极的极间电压只有几伏,但消耗的电流很大,需要采取散热对策。


驱动电路


驱动逆变器MOSFET、IGBT 等功率器件的电路部分称为驱动电路,其功能如下:

·避免电机驱动电源损坏微处理器

·提供足够大的基极驱动电流

·产生栅极驱动电压

基极驱动IC


生成栅极驱动电压是指输送MOSFET 基极电能MOSFET 基极不仅要施加电压,还要流入电流。例如,2SK 3479 Ciss 为1100pF,Qg为2 1 0 n C。栅极连接2 2 Ω 的保护电阻,截止频率为1.3MHz,初始栅极电流227mA(驱动电压5V)。也就是说,仅仅依靠微处理器的端子是不能直接驱动的。因此,为了确保驱动电流设置了栅极驱动I C 。上臂的栅极驱动I C例如,输出电流(IO /-)为2A 的IRS2110 栅极驱动IC 。


自举电路的自举电路


在此驱动电路中,MOSFET 电机驱动电压超过+ VGSmin 驱动。当然,栅极电压取决于使用哪种电压。MOSFET。因此,栅极驱动IC 配备电荷泵升压电

路。又称自举电路。


根据微处理器输出的栅极驱动信号,电路由栅极驱动IC 向外部电容器充电,并向栅极施加线圈的相电压。也就是说,只有在向上臂施加驱动脉冲时,自举电路才能工作。然而,如果电压不足,即使微处理器输出,也会发生PWM 信号不能驱动栅极。PWM 在控制电机速度时,必须注意:如果没有上臂的脉冲驱动,电机就不会工作。驱动前,应向上臂施加与电机旋转无关的脉冲。


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