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  • 幾種無刷電機(jī)全橋驅(qū)動(dòng)電路介紹
    • 發(fā)布時(shí)間:2022-12-23 17:11:26
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    幾種無刷電機(jī)全橋驅(qū)動(dòng)電路介紹
    三相六臂全橋驅(qū)動(dòng)電路
    全橋驅(qū)動(dòng)電路
    無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路如圖1 所示。該電路采用三相六臂全橋驅(qū)動(dòng)方式,采用此方式可以減少電流波動(dòng)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng),使得電機(jī)輸出較大的轉(zhuǎn)矩。
    在電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分使用6個(gè)功率場效應(yīng)管控制輸出電壓,四軸飛行器中的直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電源電壓為12 V.驅(qū)動(dòng)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(yīng)管內(nèi)藏續(xù)流二極管,為場效應(yīng)管關(guān)斷時(shí)提供電流通路,以避免管子的反向擊穿,其典型特性參數(shù)見表1.T1~T3 采用PDTC143ET 為場效應(yīng)管提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
    全橋驅(qū)動(dòng)電路
    無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制采用三相六狀態(tài)控制策略,功率管具有六種觸發(fā)狀態(tài),每次只有兩個(gè)管子導(dǎo)通,每60°電角度換向一次,若某一時(shí)刻AB 相導(dǎo)通時(shí),C 相截至,無電流輸出。
    單片機(jī)根據(jù)檢測到的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置,利用MOSFET的開關(guān)特性,實(shí)現(xiàn)電機(jī)的通電控制,例如,當(dāng)Q1、Q5 打開時(shí),AB 相導(dǎo)通,此時(shí)電流流向?yàn)殡娫凑龢O→Q1→繞組A→繞組B→Q5→電源負(fù)極。
    類似的,當(dāng)MOSFET 打開順序分別為Q1Q5,Q1Q6,Q2Q6,Q2Q4,Q3Q4,Q3Q5時(shí),只要在合適的時(shí)機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確換向,就可實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。
    三相全橋驅(qū)動(dòng)電路
    下圖為無刷電機(jī)的三相全橋驅(qū)動(dòng)電路,使用六個(gè)N溝道的MOSFET管(Q1~Q6)做功率輸出元件,工作時(shí)輸出電流可達(dá)數(shù)十安。為便于描述,該電路有以下默認(rèn)約定:Q1/Q2/Q3稱做驅(qū)動(dòng)橋的“上臂”,Q4/Q5/Q6稱做“下臂”。
    全橋驅(qū)動(dòng)電路
    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,為上臂驅(qū)動(dòng)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(shí)有足夠高的VGS壓差,降低MOSFET大電流輸出時(shí)的導(dǎo)通內(nèi)阻,詳細(xì)數(shù)據(jù)可參考MOS管DataSheet。
    上臂MOS管的G極分別由Q7/Q8/Q9驅(qū)動(dòng),在工作時(shí)只起到導(dǎo)通換相的作用。下臂MOS由MCU的PWM輸出口直接驅(qū)動(dòng),注意所選用的MCU管腳要有推挽輸出特性。
    單片機(jī)控制直流無刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)及接口電路圖
    圖1示出采用8751單片機(jī)來控制直流無刷電動(dòng)機(jī)的原理框圖。8751的P1口同7406反相器聯(lián)結(jié)控制直流無刷電動(dòng)機(jī)的換相,P2口用于測量來自于位置傳感器的信號(hào)H1、H2、H3,P0口外接一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
    全橋驅(qū)動(dòng)電路
    電動(dòng)車無刷電機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)電路圖
    全橋驅(qū)動(dòng)電路
    全橋驅(qū)動(dòng)電路
    無刷直流電機(jī)一般使用全橋驅(qū)動(dòng),即6個(gè)MOSFET分別構(gòu)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(jī)驅(qū)動(dòng)專用芯片控制。
    最常用的應(yīng)該是3個(gè)P-MOS+3個(gè)N-MOS,電路結(jié)構(gòu)簡單。如下圖所示。
    全橋驅(qū)動(dòng)電路
    這里使用的是MK電調(diào)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(qū)動(dòng)控制,但注意IO口必須具有推挽輸出功能,否則IO口的驅(qū)動(dòng)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(gè)參考地,電平穩(wěn)定不會(huì)意外導(dǎo)通MOSFET。R10/R11/R12電阻的作用有三個(gè),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。
    由于MCU的IO引腳都存在雜散電感,與柵極電容串聯(lián)形成LC振蕩,加入電阻后會(huì)增大振蕩阻尼而減小振蕩;當(dāng)對柵極加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí),會(huì)對柵源電容Ciss充電,此時(shí)Vgs上升但未到達(dá)閾值電壓Vgs(th)時(shí)Vds基本不變,這段時(shí)間稱為導(dǎo)通延遲時(shí)間td(on)。
    當(dāng)Vgs》Vgs(th)時(shí),Vds下降同時(shí)id上升,這期間柵極和漏極之間的傳輸反向電容Crss開始向漏極放電,而此時(shí)柵極電流會(huì)流向該電容對其充電,但基本沒有對Ciss充電,所以Vgs基本保持不變,這段時(shí)間稱為上升時(shí)間tr,tr之后才會(huì)繼續(xù)對Ciss充電。
    電容充電的尖峰電流可以計(jì)算如下:I=Qg/(td+tr),其中Qg=Qgs+Qgd,即td+tr時(shí)間內(nèi)的充電電量,計(jì)算結(jié)果電流是遠(yuǎn)大于MCu的IO口輸出驅(qū)動(dòng)電流,因此通過串聯(lián)電阻,增加充電時(shí)間,即t=RC。但這會(huì)導(dǎo)致Vgs的上升沿和Vds的下降沿斜率減小,影響MOSFET的開關(guān)性能,所以電阻的選取要準(zhǔn)確。(此處理論知識(shí)分析可能不正確
    防止漏源擊穿的原因也是和電容的時(shí)間常數(shù)有關(guān),當(dāng)柵極驅(qū)動(dòng)電壓快速關(guān)斷,漏源極從導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài),Vds迅速增加,當(dāng)dVds/dt過大就會(huì)擊穿器件,串聯(lián)電阻可以減緩Ciss的放電時(shí)間,使Vgs緩慢變化,因此Vds不會(huì)迅速增加。
    P-MOS的Vgs(th)《0,源極一般加11V電壓,MCU的IO口無法正??刂芇-MOS的開關(guān),我們需要用三級(jí)管驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O,三極管由IO口驅(qū)動(dòng)控制。電阻R1/R2/R3上拉柵極電壓,使P-MOS能關(guān)斷。
    這個(gè)電阻不能太小,否則會(huì)造成三極管導(dǎo)通時(shí)承受過大的電流。同時(shí)電阻也不能太大,否則會(huì)增加三極管BC極間電容的充電時(shí)間,延長三極管的導(dǎo)通時(shí)間,進(jìn)而影響P-MOS柵極電壓Vgs的上升時(shí)間。
    三極管的選擇不能選用我們常用的8050或9013小信號(hào)的三極管,它們的耐壓和導(dǎo)通電流太低,所以這里選擇了SS8050。R4/R5/R6阻值的選擇無特別要求,只要使三極管工作在飽和區(qū)即可。
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