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直流無刷電機驅動原理

作者:電子發燒友  來源:www.geoffmeyer.com/  更新時間:2020-04-10 11:40:48  點擊次數:

  直流無刷電機驅動原理

  一、功能簡介

  隨著電力電子技術、微處理器以及現代控制理論的發展,無刷直流電機控制方案也逐漸用電子換相和復雜的控制算法代替機械電刷和換相器控制的方案,先進的控制方案既具備交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等一系列優點,又具備直流電動機的運行效率高、調速性能好等諸多優點,同時克服了有刷直流電機由機械電刷帶來的噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短的弊病。

  二、通電相序圖

  無刷直流電機的定子是線圈繞組,轉子是永磁體。當只給電機的兩端通固定電流時,電機的定子繞組只能產生不變的磁場,轉子永磁體在此不變磁場的作用下會轉動到相應的位置,但是電機轉子不能持續的轉動起來。這時就需要對電機的三相端變換通電的順序,以產生變化的磁場。下圖為電機的通電相序圖,描述了使無刷直流電機連續轉動的三相端通電相序。

  三、常用驅動電路說明

  1、三相六臂全橋驅動電路

  直流無刷電機驅動控制電路如圖1所示。該電路采用三相六臂全橋驅動方式,采用此方式可以減少電流波動和轉矩脈動,使得電機輸出較大的轉矩。在電機驅動部分使用6個功率場效應管控制輸出電壓,四軸飛行器中的直流無刷電機驅動電路電源電壓為12V.驅動電路中,Q1~Q3采用IR公司的IRFR5305(P溝道),Q4~Q6為IRFR1205(N溝道)。該場效應管內藏續流二極管,為場效應管關斷時提供電流通路,以避免管子的反向擊穿,其典型特性參數見表1.T1~T3采用PDTC143ET 為場效應管提供驅動信號。

  由圖1 可知,A1~A3 提供三相全橋上橋臂柵極驅動信號,并與ATMEGA16單片機的硬件PWM驅動信號相接,通過改變PWM信號的占空比來實現電機轉速控制;B1~B3提供下橋臂柵極驅動信號,由單片機的I/O口直接提供,具有導通與截止兩種狀態。

  無刷直流電機驅動控制采用三相六狀態控制策略,功率管具有六種觸發狀態,每次只有兩個管子導通,每60°電角度換向一次,若某一時刻AB相導通時,C相截至,無電流輸出。單片機根據檢測到的電機轉子位置,利用MOSFET的開關特性,實現電機的通電控制,例如,當Q1、Q5打開時,AB相導通,此時電流流向為電源正極→Q1→繞組A→繞組B→Q5→電源負極。類似的,當MOSFET打開順序分別為Q1Q5,Q1Q6,Q2Q6,Q2Q4,Q3Q4,Q3Q5時,只要在合適的時機進行準確換向,就可實現無刷直流電機的連續運轉。

  2、三相全橋驅動電路

  下圖為無刷電機的三相全橋驅動電路,使用六個N溝道的MOSFET管(Q1~Q6)做功率輸出元件,工作時輸出電流可達數十安。為便于描述,該電路有以下默認約定:Q1/Q2/Q3稱做驅動橋的“上臂”,Q4/Q5/Q6稱做“下臂”。

  圖中R1/R2/R3為Q1/Q2/Q3的上拉電阻,連接到二極管和電容組成的倍壓整流電路(原理請自行分析),為上臂驅動管提供兩倍于電源電壓(2×11V)的上拉電平,使上臂MOSFET在工作時有足夠高的VGS壓差,降低MOSFET大電流輸出時的導通內阻,詳細數據可參考MOS管DataSheet。上臂MOS管的G極分別由Q7/Q8/Q9驅動,在工作時只起到導通換相的作用。下臂MOS由MCU的PWM輸出口直接驅動,注意所選用的MCU管腳要有推挽輸出特性。

  3、單片機控制直流無刷電動機驅動及接口電路圖

  圖中示出采用8751單片機來控制直流無刷電動機的原理框圖。8751的P1口同7406反相器聯結控制直流無刷電動機的換相,P2口用于測量來自于位置傳感器的信號H1、H2、H3,P0口外接一個數模轉換器。

  4、電動車無刷電機控制器驅動電路圖

  5、全橋驅動電路

  無刷直流電機一般使用全橋驅動,即6個MOSFET分別構成上臂和下臂,通過MCU具有推挽輸出的IO口控制,或者使用電機驅動專用芯片控制。最常用的應該是3個P-MOS+3個N-MOS,電路結構簡單。如下圖所示。

  這里使用的是MK電調V2.0版本中使用的MOSFET,P-MOS—IRFR5305、N-MOS—IRFR1205N-MOS的Vgs(th)=2V~4V,直接用工作在VCC=5V的MCU即可驅動控制,但注意IO口必須具有推挽輸出功能,否則IO口的驅動能力不夠。圖中R7/R8/R9可視為下拉電阻,使N-MOS的柵極電平有一個參考地,電平穩定不會意外導通MOSFET。R10/R11/R12電阻的作用有三個,一是減少振蕩,二是減小柵極充電的峰值電流,三是防止N-MOS的漏-源極擊穿。

  四、程序設計思路

  無刷直流電機的程序設計思路請參照前面教程中的四相五線步進電機;

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