一種直流無刷電機驅(qū)動電路的設(shè)計與優(yōu)化

1、自動化技術(shù)宋慧濱等:一種直流無刷電機驅(qū)動電路的設(shè)計與優(yōu)化一種直流無刷電機驅(qū)動電路的設(shè)計與優(yōu)化宋慧濱 ,徐申 ,段德山(東南大學國家 ASIC 系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心江蘇南京 210096)摘要 :設(shè)計了一種用于直流無刷電機的控制驅(qū)動電路 ,該電路完全采用分立元件構(gòu)成 ,具有成本低、易實現(xiàn)、可靠性高等特點。在簡單闡述直流無刷電機工作原理的基礎(chǔ)上 ,分析了其驅(qū)動電路的設(shè)計要點。結(jié)合設(shè)計的控制驅(qū)動電路 ,討論了功率 MOS 管柵極浮置驅(qū)動、互補脈寬調(diào)制死區(qū)時間設(shè)置的問題 ,分析了驅(qū)動電路中振蕩產(chǎn)生的原因 ,并給出優(yōu)化方法。在最后的實際測試中 ,驗證了該電機驅(qū)動電路的各種功能及優(yōu)化改進后的效果。關(guān)鍵詞

2、:直流無刷電機 ;驅(qū)動電路 ;功率 MOS 管 ;脈寬調(diào)制中圖分類號: TM36 + 1文獻標識碼 :B文章編號:1004 373X(2008) 03 122 03Design and Optimization f or a Brushless DC Motor Drive CircuitSON G Huibin ,XU Shen ,DUAN Deshan(National A SIC System Engineering Research Center ,Sout heast U niversity ,Nanjing ,210096 ,China)Abstract : In t his pa

3、per ,a drive circuit fo r brushless DC motor is p ropo sed. It is designed wit h discrete element s , has t he feat ures of low p rice ,easy way to realize and high reliability. Based o n t he p resentatio n of moto rs working p rinciple ,t he paper analyses t he impo rtant point s of t he drive cir

4、cuit design. So me p ro blems are discussed wit h t he p ropo sed circuit , such as t he floating gate drive for t he power MOSFET ,t he dead time set up of t he complementary PWM outp ut s ,t he reasons to form t he o scillation and t he way to optimize t he drive circuit ry. In t he end of t his p

5、aper ,a test is perfo rmed to verif y t he f unctions of t he circuit and o bserve t he effect after t he optimizatio n.Keywords :brushless DC motor ;drive circuit ry ;power MOSFE T ; PWM直流無刷電動機既具有運行效率高、調(diào)速性能好 ,同能驅(qū)動三相無刷直流電機轉(zhuǎn)動。時又具有交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便的優(yōu)點 ,是電機主要發(fā)展方向之一 1 ,現(xiàn)已成功應(yīng)用于軍事、航空、計算機、數(shù)控機床、機器人和電動自行車等

6、多個領(lǐng)域。電機驅(qū)動電路的性能直接決定了電動機能否正確可靠地運行 ,本文將結(jié)合三相無刷直流電動機的應(yīng)用 ,介紹一種驅(qū)動電路 ,并針對驅(qū)動過程中的幾個要點進行論述與優(yōu)化 ,如振蕩吸收、死區(qū)時間設(shè)置等 ,最后給出實際測試波形與結(jié)論。圖 1 三相直流無刷電機結(jié)構(gòu)1 直流無刷電機工作原理功率 MOSFET 的導通順序如圖 1 所示 ,由圖可知 ,系為了便于理解本驅(qū)動電路的設(shè)計及優(yōu)化方法 ,首先簡統(tǒng)采用三相六拍制單極控制 ,電動機每轉(zhuǎn)一周都要經(jīng)過六次換相 ,每一相都有一個上管和一個下管為導通狀態(tài) ,但單描述一下直流無刷電機的驅(qū)動控制原理。同一對上下管不能同時導通 ,否則相當于電源短路。這六1 . 1三相橋

7、式逆變電路相分別為: Q1 + Q6 , Q3 + Q6 , Q3 + Q2 , Q5 + Q2 , Q5 + Q4 , Q1目前 ,對于普及的三相直流無刷電機 ,大多采用三相+ Q4 。在每相中 ,電流根據(jù)導通的功率 MOSFET 不同 ,按橋式逆變電路驅(qū)動 2 ,其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。不同方向流經(jīng)電機的不同線圈 , 由此產(chǎn)生持續(xù)的旋轉(zhuǎn)磁圖 1 中底部的 3 個電感為電機線圈的簡單等效模型 ,勢 ,推動電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。6 只功率 MOSFET 作為開關(guān)器件使用 , 組成三相橋式結(jié)1 . 2直流無刷電機驅(qū)動電路的設(shè)計要點構(gòu)。如果將他們按照一定的組合方式和頻率進行開關(guān) ,即驅(qū)動直流無刷電機就是合

8、理驅(qū)動各橋臂的功率MOSF ET 開關(guān) ,使其按次序?qū)?,設(shè)計過程中要注意如下收稿日期:20070910122 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.現(xiàn)代電子技術(shù)2008 年第 3 期總第 266 期測試 測量 自動化幾點:2驅(qū)動電路的設(shè)計與優(yōu)化(1) 功率 MOSFET 的柵極驅(qū)動一般功率 MOSFET 的柵極驅(qū)動電壓 V GS 為 10 2 . 1控制驅(qū)動電路原理15 V ,且在開關(guān)態(tài)中 ,需要較大的電流驅(qū)動 ,否則上升下降本文

9、設(shè)計的直流無刷電機驅(qū)動電路 ,采用自舉法驅(qū)動時間會變得很慢 ,影響驅(qū)動效率。從 MCU 出來的數(shù)字信高壓側(cè)開關(guān)管 , 全部采用分立元件 , 其中一對上下功率號是不能達到要求的 ,需要設(shè)計外圍電路加大驅(qū)動能力。MOSF ET 的驅(qū)動電路如圖 2 所示 , 其余兩對開關(guān)管的驅(qū)在電機驅(qū)動電路中 ,由于電流較大 ,上管都采用 N 型動電路與之完全相同。MOSFET 。從圖 1 可看出 , 每個上管源極的電壓是浮動的 ,因此 ,上管的柵極驅(qū)動電壓也必須浮置在源極的電壓之上才能有效地開啟上管。實現(xiàn)這樣的方法有多種 ,如自舉法、隔離電源法、脈沖變壓器法、充電泵法、載波驅(qū)動法等 3 。(2) 脈寬調(diào)制控制直流

10、無刷電機的速度控制一般是由脈寬調(diào)制( PWM)來實現(xiàn)。在每一相中 ,采用恒定頻率 ,不同占空比的脈寬信號控制功率 MOSFET 的導通時間 ,調(diào)節(jié)流過電機的電流 , 改變其轉(zhuǎn)動速度 , 這個 PWM 信號的頻率一般為數(shù)十 k Hz 。常用的 PWM 模式如表 1 所示。表 1 常用的 PWM 模式名稱方式優(yōu)點缺點2 相變頻僅上橋臂 PWM開關(guān)損耗低 ,無法快速改開關(guān)式直流總線容變電機速度量小4 相同步變頻上下橋臂同步同可快速改變總線容量需求大 , 開關(guān)開關(guān)式相位 PWM轉(zhuǎn)速管發(fā)熱大4 相同步同對上下管互補優(yōu)越的過零電路設(shè)計和變頻互補PWM ,導通相下橋點控制 , 降低器件選配比開關(guān)式臂常開或

11、PWM開關(guān)管溫度較嚴格(3) 上下開關(guān)管互補導通時的死區(qū)時間從圖 1 可以看出 ,假設(shè)某一相為 Q1 Q4 導通, 則當 Q1 進行 PWM 調(diào)制關(guān)斷時 , 電機線圈為了保證電流方向不變 ,會產(chǎn)生感生電勢 ,A 端為負 ,B 端為正。由于 A 端電勢比地電位低 ,電流會通過 Q2 的寄生二極管放電, 如果此時使 Q2 反相導通輔助放電 ,則可以大大減小功率 MOSFET的溫升。所以 ,當電流較大時 , 應(yīng)采用互補開關(guān)模式。采用此模式時 ,為了避免橋臂直通 ,一般要求上下管柵極控制信號有一個死區(qū)時間 ,以確保在換流時上下管不會同時導通。這個死區(qū)時間太長會造成輸出電壓諧波成分增加 ,太短則不能發(fā)揮

12、應(yīng)有的作用 4 。其長短可根據(jù)電路性能及功率 MOSFET 的開通關(guān)斷時間來確定。(4) 振蕩現(xiàn)象由于電機經(jīng)常工作在惡劣的環(huán)境下 ,且流過的電流較大 ,容易在驅(qū)動電路中產(chǎn)生振蕩 ,嚴重時會損壞控制板 ,故需要在電路設(shè)計和布板上進行優(yōu)化 ,消除或減弱這些振蕩現(xiàn)象 ,在下面一節(jié)中將會根據(jù)實際電路進行此方面的討論。圖 2驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)在圖 2 所示的電路中 , H PWM 和 L PWM 分別為驅(qū)動上下開關(guān)管的 5 V 數(shù)字邏輯 PWM 信號。對于 Q2 管, 不需要浮置柵, 驅(qū)動方法比較簡單。當 N 2 基極的 L PWM 為低電平時 , N 2 不導通, N 1 和 P1 導通 , 使得 Q2 的

13、柵極被 15 V 電源直接驅(qū)動 , Q2 導通。當 L PWM 為高電平時 , N 2 導通, N 1 , P1 關(guān)斷, Q2 柵極電位被拉到地, Q2 關(guān)斷。對于 Q1 管, 需要柵極浮置驅(qū)動, 原理如下。當 N 3 基極的 H PWM 信號為低電平時 , N 3 和 P2 都不導通, 此時 Q1 是關(guān)斷的, 而 Q2 互補導通。15 V 電源電壓經(jīng) D1 向自舉電容 C1 充電, 使得 C1 兩端電壓為 15 V 減去 D1 的管壓降 ,大概為14 V 。當 H PWM 信號為高電平時 , N 3 和 P2 相繼導通, 自舉電容 C1 兩端的電壓通過 P2 加到 Q1 的柵極上 ,浮置于源

14、極之上 ,電壓差為 14 V 左右 ,保證 Q1 飽和導通, 此時 Q2 必須是互補關(guān)斷的 ,否則將造成橋臂導通 ,使電源短路。當 H PWM 信號再次轉(zhuǎn)為低電平時 , P3 導通, 使 Q1 的柵極電容迅速放電, 及時關(guān)斷 Q1 。2 . 2上下開關(guān)功率 MO SF E T 互補 PWM 的實現(xiàn)提供互補 PWM 信號可利用具有兩路 PWM 輸出的MCU ,死區(qū)時間由軟件給定 ,但這樣成本會比較高。本文設(shè)計一種硬件電路實現(xiàn)此功能 ,并且死區(qū)時間可調(diào) ,其電路結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。圖 3 中的輸入信號為 MCU 給出的一路 PWM 調(diào)制信號 ,L PWM 和 H PWM 為具有死區(qū)時間的一對互補P

15、WM 控制信號 ,與圖 2 中相對應(yīng)。當 PWM 信號從低到高時 ,通過 R11 對 C11 充電, C11 上端電壓逐漸升高, 當大于后級反門的門限電壓時, 信號得以傳輸過去, 其間有個時間差 T1 。同時 , PWM 信號也通123 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.自動化技術(shù)宋慧濱等:一種直流無刷電機驅(qū)動電路的設(shè)計與優(yōu)化過 R13 對 C12 充電, 當 C12 上端電壓大于與門的門限時, 信號得以傳輸過去, 其時間差為 T

16、2 。T1 和 T2 可以通過改變各自 R C 的值進行改變。開關(guān)損耗 ,因此要根據(jù)電流容量和電壓的額定值以及開關(guān)頻率選擇合適的緩沖阻值。圖 2 中緩沖電阻為 R3 , R8 ,其阻值一般在 100 左右。緩沖電路參數(shù)通常的選取原則為:RC =1圖 3硬件電路結(jié)構(gòu)電容上電壓為:U c ( t)= U s ( 1 -e- ( t/ RC) )U s 為單片機輸出的 5 V 電壓 , 假設(shè)邏輯門的門限電壓為V th , 則令 U c ( t)= V th 即可算出給定延遲時間 t 的情況下,RC 的取值。在本應(yīng)用中 , 設(shè)置 T2 T1 。當 PWM 信號從高到低時 , C11 要通過 R11 放

17、電, 電壓緩緩下降到反門的門限電壓以下時, 信號才能傳輸過去, 其延時為 T3 。而對于 H PWM ,只要 PWM 一變?yōu)榈?, 與門特點是有低出低 , 所以信號會立刻傳輸過去 ,基本沒有延遲。又從圖 2 可知 ,LPWM 信號與 Q2 柵極驅(qū)動信號反相 , HPWM 信號與 Q1柵極驅(qū)動信號同相 ,這樣變得到了圖 3 中的 Q1 , Q2 柵極波形 V GS1 和 V GS2 。兩個死區(qū)時間分別為 T2 , T1 和 T3 。在以上分析中 ,門級延遲相對于 R C 延遲可以忽略不計。2 . 3驅(qū)動電路中的振蕩現(xiàn)象及優(yōu)化MOS 管的轉(zhuǎn)換頻率一般可以到 200 M Hz 以上 ,所以由于封裝和

18、線路上的各種寄生電抗 , 會產(chǎn)生寄生振蕩問題。同一橋臂上的兩個功率 MOSFET 在開通和關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過程中 ,由于較高的 d v/ d t ,柵極驅(qū)動信號會產(chǎn)生振蕩 ,導致功率 MOSFET 產(chǎn)生很大的開關(guān)損耗。當上管開通時 ,會在下管柵極產(chǎn)生阻尼衰減振蕩信號。更嚴重的是若振蕩的幅值達到功率 MOSFET 的門限電壓 ,下管將開通 ,而上管正處于開通狀態(tài) ,此時將造成上下功率管的直通現(xiàn)象 ,損壞功率管。開通時間是影響驅(qū)動信號振蕩幅值的主要因素 ,二者成反比關(guān)系。適當延長器件的開通時間 ,即可很大程度上減小振幅。因此需在功率 MOSFET 的柵極前加一個緩沖電阻 5 ,人為增加器件的開通時間 ,

19、在功率 MOSFET 的柵源極間并聯(lián)電容以延長柵極電容的充電時間 ,降低電壓變化率 ,如圖2 中的 C2 , C3 。緩沖電阻的阻值要設(shè)置適當 ,因為過大的電阻會引起更長的開通和關(guān)斷時間 ,不但與減小死區(qū)時間的要求相違背 ,而且還會增加功率 MOSFET 的124( 6 10) f式中 f 為功率 MOSFET 的工作頻率。此外 , 從布板的角度來說 , 驅(qū)動電路必須靠近 MOS管 ,如圖 2 中的 N 2 應(yīng)靠近 Q2 , 當 Q2 關(guān)斷, 其漏極電壓從低到高時, 柵漏電容的放電電流會使柵極驅(qū)動的連接阻抗壓降升高, 若 N 2 離 Q2 較遠 ,即連接阻抗過高 ,則柵極電壓過高 ,容易產(chǎn)生誤

20、開啟。另外 N 2 應(yīng)選擇電流能力較強的三極管 ,提高放電速度 ,可減小上述振蕩現(xiàn)象。3 測試波形根據(jù)本文的設(shè)計與優(yōu)化思路 ,搭建了直流無刷電機控制驅(qū)動的實際電路板 ,并用一臺250 W 的三相直流無刷電機作為負載進行了測試 ,以下是一些測試波形。圖 4 為一對上下功率 MOSFET 進行互補 PWM 時的波形。V G1 為上管 Q1 的柵極電壓 ,V S1 為其源極電壓 ,波形分辨率都為 1312 V/ div ; V G2 為下管 Q2 的柵極電壓 ,3130 V/ div ;三個波形的時間分辨率都為 715 s/ div 。圖 4上下功率 MOSFET 進行互補 PWM 時的波形從圖 4

21、 中可以看出當上管 Q1 導通時 ,柵極電壓是浮置在源極電壓上的 ,壓差為 14 V 左右 ,上升下降沿也較為理想。上下功率 MOSFET 的柵極驅(qū)動波形 V G1 ,V G2 顯示為互補導通 ,有明顯的死區(qū)時間 ,保證了兩開關(guān)管不會同時導通 ,該電路較為優(yōu)秀地完成了電機驅(qū)動任務(wù)。圖 5 為對系統(tǒng)中出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象進行優(yōu)化前后的測試波形。V D2 為下管 Q2 的漏極電壓 ,20 V/ div ;V G2 為 Q2 柵極電壓 ,10 V/ div ;時間分辨率都是 100 ns/ div 。圖 5 優(yōu)化前后的測試波形圖 5 (a) 為優(yōu)化前的情況 ,可見當下管 Q2 漏極電壓上升時 ,其柵極由于

22、上文所述的原因產(chǎn)生較大振蕩 ,振幅最(下轉(zhuǎn)第 130 頁) 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.自動化技術(shù)劉建等: PL C 在自動剝線機中的應(yīng)用本系統(tǒng) PL C 程序編程采用梯形圖方式實現(xiàn)。主程序部分使用步進指令將各個動作按照特定的執(zhí)行順序連接起來進行控制 1 。子程序中對步進電機的控制 ,使用 PL C 高速計數(shù)器指令精確控制步進電機的轉(zhuǎn)動位移。為使剝線精度達到 1 m ,程序中所有運算均采用m為單位。該程序完成了所有剝線機設(shè)計

23、要求 ,程序共有 9 千多步 ,在這里就不詳細列出。如圖 3 所示為部分 PL C 程序梯形圖。4 程序調(diào)試初始調(diào)試時采用模擬開關(guān)輸入 ,分模塊單獨調(diào)試 ,然后整合主程序和所有模塊子程序整體調(diào)試 ,最后是軟、硬件一起聯(lián)機調(diào)試。在調(diào)試過程中遇到許多問題 ,都一一解決了 ,如每個步進過程中的數(shù)據(jù)初始化程序放置在步進過程內(nèi)不能初始化的問題 ,經(jīng)反復調(diào)試 ,發(fā)現(xiàn)需要放置在主程序之前( 即步進過程之外) 才能正常初始化。5結(jié) 語本系統(tǒng)以 Panasonic FP0 -T32 型 PL C 為核心控制系統(tǒng)運行 ,現(xiàn)場調(diào)試表明 ,系統(tǒng)完全符合設(shè)計要求 ,工作性能穩(wěn)定 ,可精確地實現(xiàn)線束加工 ,具有較高的實用

24、價值。本文所述以 PL C 為控制核心的自動剝線機設(shè)計方式也可推廣到其他自動控制系統(tǒng)的設(shè)計。參 考 文 獻 1 郭純生. 可編程序控制器編程實戰(zhàn)與提高 M . 北京: 電子工業(yè)出版社 ,2006. 2 宋伯生. PL C 編程理論、算法及技巧 M . 北京:機械工業(yè)出版社 ,2005.作者簡介劉 建男 ,1979 年出生 ,湖南南縣人 ,碩士研究生。主要研究方向為電路與系統(tǒng)、電氣自動化控制。羅曉曙男 ,1961 年出生 ,湖北應(yīng)城人 ,教授。主要研究方向非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定控制與同步、電氣自動化控制。陳 赤男 ,1957 年出生 ,廣西陸川人 ,高級工程師。主要研究方向為電氣自動化控制。梁俊英男

25、,1981 年出生 ,廣西武鳴人 ,碩士研究生。主要研究方向為電路與系統(tǒng)。(上接第 124 頁)大 15 V 左右 ,這完全能把 Q2 開啟 ,造成上下開關(guān)管同時導通。針對該振蕩問題 ,按照優(yōu)化思路進行調(diào)整 , 適當加大緩沖電阻值 ,減小驅(qū)動三極管到下管柵極的走線長度 ,增大驅(qū)動三極管的拉電流能力等。再次進行測試 , 由圖 5 ( b) 可以看出 , 改進非常明顯 , 基本消除了振蕩現(xiàn)象 ,這對增加系統(tǒng)的穩(wěn)定與可靠性有非常大的作用。4結(jié) 語本文介紹了一種應(yīng)用于三相無刷直流電機的控制驅(qū)動電路 ,主要分析了此類電路設(shè)計中的注意要點以及優(yōu)化方法。本電路由分立元件組成 , 簡單可靠、易實現(xiàn)、成本低 ,

26、并且從測試波形可以看出其性能也較為優(yōu)異 ,可以廣泛應(yīng)用。在今后的設(shè)計中 ,若能將該電路集成化 , 則可更進一步簡化電機控制驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 ,提高穩(wěn)定性。參 考 文 獻 1 譚建成. 新編電機控制專用集成電路與應(yīng)用 M . 北京: 機械工業(yè)出版社 ,2006. 2 Chris Hill . An Int roduction to Low Voltage DC Moto rs M .U nited Kingdom : Philip s Semiconducto rs Application NoteAN102931 ,2004. 3 李正中 ,孫德剛. 高壓浮動 MOSFET 柵極驅(qū)動技術(shù)J . 通訊電源技術(shù) ,2003 (3) :37 - 40 . 4 吳鳳江 ,高晗瓔 ,孫力. 橋式拓撲結(jié)構(gòu)功率 MOSF ET 驅(qū)動電路設(shè)計J . 電氣傳動 ,2005 ,35 (6) :32 - 34 . 5 田穎 ,陳培紅 ,聶圣芳 ,等. 功率 MOSFE T 驅(qū)動保護電路設(shè)計 J . 電力電子技術(shù) ,2005 ,39 (1) :73