1、自動化技術宋慧濱等:一種直流無刷電機驅動電路的設計與優化一種直流無刷電機驅動電路的設計與優化宋慧濱 ,徐申 ,段德山(東南大學國家 ASIC 系統工程技術研究中心江蘇南京 210096)摘要 :設計了一種用于直流無刷電機的控制驅動電路 ,該電路完全采用分立元件構成 ,具有成本低、易實現、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上 ,分析了其驅動電路的設計要點。結合設計的控制驅動電路 ,討論了功率 MOS 管柵極浮置驅動、互補脈寬調制死區時間設置的問題 ,分析了驅動電路中振蕩產生的原因 ,并給出優化方法。在最后的實際測試中 ,驗證了該電機驅動電路的各種功能及優化改進后的效果。關鍵詞

2、:直流無刷電機 ;驅動電路 ;功率 MOS 管 ;脈寬調制中圖分類號: 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、調速性能好 ,同能驅動三相無刷直流電機轉動。時又具有交流電動機結構簡單、運行可靠、維護方便的優點 ,是電機主要發展方向之一 1 ,現已成功應用于軍事、航空、計算機、數控機床、機器人和電動自行車等

6、多個領域。電機驅動電路的性能直接決定了電動機能否正確可靠地運行 ,本文將結合三相無刷直流電動機的應用 ,介紹一種驅動電路 ,并針對驅動過程中的幾個要點進行論述與優化 ,如振蕩吸收、死區時間設置等 ,最后給出實際測試波形與結論。圖 1 三相直流無刷電機結構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動電路的設計及優化方法 ,首先簡統采用三相六拍制單極控制 ,電動機每轉一周都要經過六次換相 ,每一相都有一個上管和一個下管為導通狀態 ,但單描述一下直流無刷電機的驅動控制原理。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 ,電流根據導通的功率 MOSFET 不同 ,按橋式逆變電路驅動 2 ,其結構如圖 1 所示。不同方向流經電機的不同線圈 , 由此產生持續的旋轉磁圖 1 中底部的 3 個電感為電機線圈的簡單等效模型 ,勢 ,推動電機的轉子轉動。6 只功率 MOSFET 作為開關器件使用 , 組成三相橋式結1 . 2直流無刷電機驅動電路的設計要點構。如果將他們按照一定的組合方式和頻率進行開關 ,即驅動直流無刷電機就是合

8、理驅動各橋臂的功率MOSF ET 開關 ,使其按次序導通 ,設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.現代電子技術2008 年第 3 期總第 266 期測試 測量 自動化幾點:2驅動電路的設計與優化(1) 功率 MOSFET 的柵極驅動一般功率 MOSFET 的柵極驅動電壓 V GS 為 10 2 . 1控制驅動電路原理15 V ,且在開關態中 ,需要較大的電流驅動 ,否則上升下降本文

9、設計的直流無刷電機驅動電路 ,采用自舉法驅動時間會變得很慢 ,影響驅動效率。從 MCU 出來的數字信高壓側開關管 , 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 ,需要設計外圍電路加大驅動能力。MOSF ET 的驅動電路如圖 2 所示 , 其余兩對開關管的驅在電機驅動電路中 ,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、載波驅動法等 3 。(2) 脈寬調制控制直流

10、無刷電機的速度控制一般是由脈寬調制( PWM)來實現。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 ,調節流過電機的電流 , 改變其轉動速度 , 這個 PWM 信號的頻率一般為數十 k Hz 。常用的 PWM 模式如表 1 所示。表 1 常用的 PWM 模式名稱方式優點缺點2 相變頻僅上橋臂 PWM開關損耗低 ,無法快速改開關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 , 開關開關式相位 PWM轉速管發熱大4 相同步同對上下管互補優越的過零電路設計和變頻互補PWM ,導通相下橋點控制 , 降低器件選配比開關式臂常開或

11、PWM開關管溫度較嚴格(3) 上下開關管互補導通時的死區時間從圖 1 可以看出 ,假設某一相為 Q1 Q4 導通, 則當 Q1 進行 PWM 調制關斷時 , 電機線圈為了保證電流方向不變 ,會產生感生電勢 ,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 , 應采用互補開關模式。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時間 ,以確保在換流時上下管不會同時導通。這個死區時間太長會造成輸出電壓諧波成分增加 ,太短則不能發揮

12、應有的作用 4 。其長短可根據電路性能及功率 MOSFET 的開通關斷時間來確定。(4) 振蕩現象由于電機經常工作在惡劣的環境下 ,且流過的電流較大 ,容易在驅動電路中產生振蕩 ,嚴重時會損壞控制板 ,故需要在電路設計和布板上進行優化 ,消除或減弱這些振蕩現象 ,在下面一節中將會根據實際電路進行此方面的討論。圖 2驅動電路結構在圖 2 所示的電路中 , H PWM 和 L PWM 分別為驅動上下開關管的 5 V 數字邏輯 PWM 信號。對于 Q2 管, 不需要浮置柵, 驅動方法比較簡單。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 電源直接驅動 , Q2 導通。當 L PWM 為高電平時 , N 2 導通, N 1 , P1 關斷, Q2 柵極電位被拉到地, Q2 關斷。對于 Q1 管, 需要柵極浮置驅動, 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 是關斷的, 而 Q2 互補導通。15 V 電源電壓經 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 必須是互補關斷的 ,否則將造成橋臂導通 ,使電源短路。當 H PWM 信號再次轉為低電平時 , P3 導通, 使 Q1 的柵極電容迅速放電, 及時關斷 Q1 。2 . 2上下開關功率 MO SF E T 互補 PWM 的實現提供互補 PWM 信號可利用具有兩路 PWM 輸出的MCU ,死區時間由軟件給定 ,但這樣成本會比較高。本文設計一種硬件電路實現此功能 ,并且死區時間可調 ,其電路結構如圖 3 所示。圖 3 中的輸入信號為 MCU 給出的一路 PWM 調制信號 ,L PWM 和 H PWM 為具有死區時間的一對互補P

15、WM 控制信號 ,與圖 2 中相對應。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.自動化技術宋慧濱等:一種直流無刷電機驅動電路的設計與優化過 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。開關損耗 ,因此要根據電流容量和電壓的額定值以及開關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。緩沖電路參數通常的選取原則為:RC =1圖 3硬件電路結構電容上電壓為: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。在本應用中 , 設置 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 一變為低 , 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 柵極驅動信號反相 , HPWM 信號與 Q1柵極驅動信號同相 ,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驅動電路中的振蕩現象及優化MOS 管的轉換頻率一般可以到 200 M Hz 以上 ,所以由于封裝和

18、線路上的各種寄生電抗 , 會產生寄生振蕩問題。同一橋臂上的兩個功率 MOSFET 在開通和關斷的轉換過程中 ,由于較高的 d v/ d t ,柵極驅動信號會產生振蕩 ,導致功率 MOSFET 產生很大的開關損耗。當上管開通時 ,會在下管柵極產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 ,此時將造成上下功率管的直通現象 ,損壞功率管。開通時間是影響驅動信號振蕩幅值的主要因素 ,二者成反比關系。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置適當 ,因為過大的電阻會引起更長的開通和關斷時間 ,不但與減小死區時間的要求相違背 ,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 , 驅動電路必須靠近 MOS管 ,如圖 2 中的 N 2 應靠近 Q2 , 當 Q2 關斷, 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 ,容易產生誤

20、開啟。另外 N 2 應選擇電流能力較強的三極管 ,提高放電速度 ,可減小上述振蕩現象。3 測試波形根據本文的設計與優化思路 ,搭建了直流無刷電機控制驅動的實際電路板 ,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 的柵極驅動波形 V G1 ,V G2 顯示為互補導通 ,有明顯的死區時間 ,保證了兩開關管不會同時導通 ,該電路較為優秀地完成了電機驅動任務。圖 5 為對系統中出現的振蕩現象進行優化前后的測試波形。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 優化前后的測試波形圖 5 (a) 為優化前的情況 ,可見當下管 Q2 漏極電壓上升時 ,其柵極由于

22、上文所述的原因產生較大振蕩 ,振幅最(下轉第 130 頁) 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.自動化技術劉建等: PL C 在自動剝線機中的應用本系統 PL C 程序編程采用梯形圖方式實現。主程序部分使用步進指令將各個動作按照特定的執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 高速計數器指令精確控制步進電機的轉動位移。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 程序調試初始調試時采用模擬開關輸入 ,分模塊單獨調試 ,然后整合主程序和所有模塊子程序整體調試 ,最后是軟、硬件一起聯機調試。在調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據初始化程序放置在步進過程內不能初始化的問題 ,經反復調試 ,發現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 語本系統以 Panasonic FP0 -T32 型 PL C 為核心控制系統運行 ,現場調試表明 ,系統完全符合設計要求 ,工作性能穩定 ,可精確地實現線束加工 ,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計方式也可推廣到其他自動控制系統的設計。參 考 文 獻 1 郭純生. 可編程序控制器編程實戰與提高 M . 北京: 電子工業出版社 ,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、電氣自動化控制。羅曉曙男 ,1961 年出生 ,湖北應城人 ,教授。主要研究方向非線性系統的穩定控制與同步、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。(上接第 124 頁)大 15 V 左右 ,這完全能把 Q2 開啟 ,造成上下開關管同時導通。針對該振蕩問題 ,按照優化思路進行調整 , 適當加大緩沖電阻值 ,減小驅動三極管到下管柵極的走線長度 ,增大驅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 , 基本消除了振蕩現象 ,這對增加系統的穩定與可靠性有非常大的作用。4結 語本文介紹了一種應用于三相無刷直流電機的控制驅動電路 ,主要分析了此類電路設計中的注意要點以及優化方法。本電路由分立元件組成 , 簡單可靠、易實現、成本低 ,

26、并且從測試波形可以看出其性能也較為優異 ,可以廣泛應用。在今后的設計中 ,若能將該電路集成化 , 則可更進一步簡化電機控制驅動系統的設計 ,提高穩定性。參 考 文 獻 1 譚建成. 新編電機控制專用集成電路與應用 M . 北京: 機械工業出版社 ,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 柵極驅動技術J . 通訊電源技術 ,2003 (3) :37 - 40 . 4 吳鳳江 ,高晗瓔 ,孫力. 橋式拓撲結構功率 MOSF ET 驅動電路設計J . 電氣傳動 ,2005 ,35 (6) :32 - 34 . 5 田穎 ,陳培紅 ,聶圣芳 ,等. 功率 MOSFE T 驅動保護電路設計 J . 電力電子技術 ,2005 ,39 (1) :73