电动汽车驱动电机实训报告材料

驱动电机

实

训

报

告

汽工1302

黄祥吉

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。

由表可见，六开关逆变器中，根据开关器件的状态，可组成6个状态组合或电压矢量，即：(0，一1，1)、(1，一1，0)、(1，0，一1)、(0，1，一1)、(一1，1，0)、(一1，0，

1)，其中，1表示上桥臂导通，一1表示下桥臂导通，0表示没有管子导通。如(0，一1，1)表示B相的下桥臂和C相的上桥臂导通，即VS5，Vs6导通，A相处于不导通状态。这样在任何时刻总是只有两相处于导通状态，即任何时刻总有一相的两个开关器件不参与工作。开关磁阻电机的控制系统。

开关磁阻电机作为一种新型调速电机，兼有直流和交流调速的优点，适用的领域很广。它是由磁阻电机与电子开关驱动控制电路组成一体的能量换转机构。

如图所示为四相的开关磁阻电机。图表示导通顺序A、B、C、D时定转子工作情况。图4a 表示V1导通，A相绕组通电，而其余的三相绕组断电，因此转子磁1.1′受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力而产生转矩，使转子沿逆时针旋转，转子磁极1.1′向定子磁极AA′趋近，直到两者重合。此时，控制器据位置传感器的关断信号，去控制驱动器，关断V1，切断A 相绕组电流，紧接着控制器根据位置传感器的开、断信号，依次使V2、V3、V4通、断，使B、C、D相绕组顺序的通与断，使转子受同一方向转矩作用，沿逆时针的运行。若改变相电流大小，则可改变电机转矩和转速。

总之，国已经开发出了以上四种电机驱动系统，取得了很大的技术进步，已经在车辆上获得了应用。但是，还存在着需要改进之处。就交流感应电机电控系统而言，国的绝大多数电动效率在70％以上区域围占整个工作的区域还在80％以下；电机在低速运行过程中，输出转矩脉动性过大；在高速运转时可输出的转矩偏小，加载能力差，且转矩降落略大；甚至在一定转速围存在较大电磁振动（噪音），有待于进一步解决。四种电机电控系统的可靠性都有待进一步提高以适应产业化要求。

直流电机因其良好的线性特性、优异的控制性能等特点成为大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择。随着计算机在控制领域的发展，直流电机的应用也更加广泛。本文主要介绍了采用N沟道增强型场效应管，基于H桥的直流电机驱动控制电路中H 桥功率驱动电路设计、电荷泵电路设计、电机驱动逻辑与放大电路设计，以及直流电机的PWM调速控制。

关键字：H桥直流电机驱动控制电路 N沟道增强型场效应管 PWM

1．直流电机驱动控制电路总体结构

直流电机驱动控制电路分为电机驱动逻辑电路、电荷泵电路、驱动信号放大电路、H桥功率驱动电路等四部分部分，其电路框图如图1所示。如图所示，电机驱动控制电路的外围接口简单，主要控制信号有Dir(电机运转方向信号)，PWM(电机调速信号)及Brake(电机制动信号)，Vcc为驱动逻辑电路部分提供电源，Vm为电机电源电压，M+、M-为直流电机接口。

图1 直流电机驱动控制电路框图

2．H桥功率驱动电路原理

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。

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，S1、

S2关断，电机两端为反向电压，电机反转

或正转制动。图2 H桥功率驱动原理图实际控制中，需要不断地使电机在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一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。

综合考虑系统功率、可靠性要求，以及N沟道

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，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，