一种直流无刷电机驱动电路的设计与优化_宋慧滨

一种直流无刷电机驱动电路的设计与优化

宋慧滨,徐　申,段德山

(东南大学国家ASIC 系统工程技术研究中心　江苏南京　210096)

摘　要:设计了一种用于直流无刷电机的控制驱动电路,该电路完全采用分立元件构成,具有成本低、易实现、可靠性高等特点。在简单阐述直流无刷电机工作原理的基础上,分析了其驱动电路的设计要点。结合设计的控制驱动电路,讨论了功率M OS 管栅极浮置驱动、互补脉宽调制死区时间设置的问题,分析了驱动电路中振荡产生的原因,并给出优化方法。在最后的实际测试中,验证了该电机驱动电路的各种功能及优化改进后的效果。

关键词:直流无刷电机;驱动电路;功率M OS 管;脉宽调制

中图分类号:T M 36+1 文献标识码:B 文章编号:1004373X (2008)0312203

Design and Optimization for a Brushless DC Motor Drive Circuit

SO NG Huibin ,XU Shen ,D U A N Deshan

(Na tional ASIC Sy stem Enginee ring Resea rch Cente r ,So uthe ast Unive rsity ,Na njing ,210096,China )

Abstract :In this paper ,a drive circuit for brushless DC mo to r is pro po sed .It is desig ned with discrete elements ,has the features of lo w price ,easy w ay to rea lize a nd hig h reliability .Based on the presentation of moto r ′s wo rking principle ,the paper analyses the impo r tant points of the drive circuit desig n .So me pro blems are discussed w ith the pro po sed circuit ,such as the flo ating g ate drive fo r the powe r M OSF ET ,the dead time setup of the co mplementary PWM o utputs ,the reasons to fo rm the oscillatio n and the way to o ptimize the drive circuitry .In the end o f this pa per ,a test is pe rfor med to verify the functions o f the circuit and o bser ve the effect after the o ptimizatio n .

Keywords :brushless DC mo to r ;drive circuitry ;pow er M O SFET ;PW M

收稿日期:2007

0910

直流无刷电动机既具有运行效率高、调速性能好,同时又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便的优点,是电机主要发展方向之一[1],现已成功应用于军事、航空、计算机、数控机床、机器人和电动自行车等多个领域。电机驱动电路的性能直接决定了电动机能否正确可靠地运行,本文将结合三相无刷直流电动机的应用,介绍一种驱动电路,并针对驱动过程中的几个要点进行论述与优化,如振荡吸收、死区时间设置等,最后给出实际测试波形与结论。

1　直流无刷电机工作原理

为了便于理解本驱动电路的设计及优化方法,首先简单描述一下直流无刷电机的驱动控制原理。

1.1　三相桥式逆变电路

目前,对于普及的三相直流无刷电机,大多采用三相

桥式逆变电路驱动

[2]

,其结构如图1所示。

图1中底部的3个电感为电机线圈的简单等效模型,6只功率M O SFET 作为开关器件使用,组成三相桥式结构。如果将他们按照一定的组合方式和频率进行开关,即

能驱动三相无刷直流电机转动

。

图1　三相直流无刷电机结构

功率M OSFET 的导通顺序如图1所示,由图可知,系统采用三相六拍制单极控制,电动机每转一周都要经过六次换相,每一相都有一个上管和一个下管为导通状态,但同一对上下管不能同时导通,否则相当于电源短路。这六相分别为:Q 1+Q 6,Q 3+Q 6,Q 3+Q 2,Q 5+Q 2,Q 5+Q 4,Q 1+Q 4。在每相中,电流根据导通的功率M OSF ET 不同,按不同方向流经电机的不同线圈,由此产生持续的旋转磁势,推动电机的转子转动。

1.2　直流无刷电机驱动电路的设计要点

驱动直流无刷电机就是合理驱动各桥臂的功率M OSF ET 开关,使其按次序导通,设计过程中要注意如下

自动化技术宋慧滨等:一种直流无刷电机驱动电路的设计与优化

几点:

(1)功率M OSFET的栅极驱动

一般功率M OSFET的栅极驱动电压V GS为10～15V,且在开关态中,需要较大的电流驱动,否则上升下降时间会变得很慢,影响驱动效率。从MCU出来的数字信号是不能达到要求的,需要设计外围电路加大驱动能力。

在电机驱动电路中,由于电流较大,上管都采用N型M OSFET。从图1可看出,每个上管源极的电压是浮动的,因此,上管的栅极驱动电压也必须浮置在源极的电压之上才能有效地开启上管。实现这样的方法有多种,如自举法、隔离电源法、脉冲变压器法、充电泵法、载波驱动法等[3]。

(2)脉宽调制控制

直流无刷电机的速度控制一般是由脉宽调制(PWM)来实现。在每一相中,采用恒定频率,不同占空比的脉宽信号控制功率MO SFET的导通时间,调节流过电机的电流,改变其转动速度,这个PWM信号的频率一般为数十kHz。常用的PWM模式如表1所示。

表1　常用的PWM模式

名称方式优点缺点

2相变频开关式仅上桥臂PWM

开关损耗低,

直流总线容

量小

无法快速改

变电机速度

4相同步变频开关式上下桥臂同步同

相位PWM

可快速改变

转速

总线容量需

求大,开关

管发热大

4相同步变频互补开关式同对上下管互补

PWM,导通相下桥

臂常开或PWM

优越的过零

点控制,降低

开关管温度

电路设计和

器件选配比

较严格

(3)上下开关管互补导通时的死区时间

从图1可以看出,假设某一相为Q1Q4导通,则当Q1进行PWM调制关断时,电机线圈为了保证电流方向不变,会产生感生电势,A端为负,B端为正。由于A端电势比地电位低,电流会通过Q2的寄生二极管放电,如果此时使Q2反相导通辅助放电,则可以大大减小功率M OSF ET 的温升。所以,当电流较大时,应采用互补开关模式。采用此模式时,为了避免桥臂直通,一般要求上下管栅极控制信号有一个死区时间,以确保在换流时上下管不会同时导通。这个死区时间太长会造成输出电压谐波成分增加,太短则不能发挥应有的作用[4]。其长短可根据电路性能及功率M OSFET的开通关断时间来确定。

(4)振荡现象

由于电机经常工作在恶劣的环境下,且流过的电流较大,容易在驱动电路中产生振荡,严重时会损坏控制板,故需要在电路设计和布板上进行优化,消除或减弱这些振荡现象,在下面一节中将会根据实际电路进行此方面的讨论。2　驱动电路的设计与优化

2.1　控制驱动电路原理

本文设计的直流无刷电机驱动电路,采用自举法驱动高压侧开关管,全部采用分立元件,其中一对上下功率M OSF ET的驱动电路如图2所示,其余两对开关管的驱动电路与之完全相同

。

图2　驱动电路结构

在图2所示的电路中,H PWM和L PWM分别为驱动上下开关管的5V数字逻辑PWM信号。

对于Q2管,不需要浮置栅,驱动方法比较简单。当N2基极的L PWM为低电平时,N2不导通,N1和P1导通,使得Q2的栅极被15V电源直接驱动,Q2导通。当L PWM为高电平时,N2导通,N1,P1关断,Q2栅极电位被拉到地,Q2关断。

对于Q1管,需要栅极浮置驱动,原理如下。当N3基极的H PWM信号为低电平时,N3和P2都不导通,此时Q1是关断的,而Q2互补导通。15V电源电压经D1向自举电容C1充电,使得C1两端电压为15V减去D1的管压降,大概为14V。当H PWM信号为高电平时,N3和P2相继导通,自举电容C1两端的电压通过P2加到Q1的栅极上,浮置于源极之上,电压差为14V左右,保证Q1饱和导通,此时Q2必须是互补关断的,否则将造成桥臂导通,使电源短路。当H PWM信号再次转为低电平时,P3导通,使Q1的栅极电容迅速放电,及时关断Q1。

2.2　上下开关功率MOSFE T互补PWM的实现

提供互补PWM信号可利用具有两路PWM输出的M CU,死区时间由软件给定,但这样成本会比较高。本文设计一种硬件电路实现此功能,并且死区时间可调,其电路结构如图3所示。

图3中的输入信号为M CU给出的一路PWM调制信号,L PWM和H PWM为具有死区时间的一对互补PWM控制信号,与图2中相对应。

当PWM信号从低到高时,通过R11对C11充电,C11上端电压逐渐升高,当大于后级反门的门限电压时,信号得以传输过去,其间有个时间差T1。同时,PWM信号也通

《现代电子技术》2008年第3期总第266期　测试·测量·自动化