无刷直流电机驱动器原理

图 1 第 2 章 无刷直流电机的驱动原理 2 1 驱动方式的理论分析 一 主要器件 MOSFET MOSFET 又称金属 氧化物半导体场效应晶体管 可分为 N 型和 P 型两种 又被称为 NMOSFET 与 PMOSFET 如图 1 所示 一块 P 型硅 半导体材料作衬底 在其面上扩散了两个 N 型区 再在上面覆盖一层二 氧化硅 SiO2 绝缘层 最后在 N 区上方用腐蚀的方 法做成两个孔 用金属化的方法分别在绝缘层上及 两个孔内做成三个电极 G 栅极 S 源极 及 D 漏极 如图所示 在驱动器上用到的 MOSFET 是 在其上反并联一个二极管 该二极管通常被称为寄 生二极管 由于添加了二极管的缘故 从而使其没 有了反向电压阻断的能力 一般使用时在栅源极间 施加一个 5V 的反向偏执电压 目的是为了保证是器 件导通 噪声电压必须阈值门控 栅极 电压和负偏置电压之和 MOSFET 的使用方法和三极管的使用方法几乎类似 都是采用小电 流的方式来控制大电流 这在模拟电路中经常用到 如图 2 所示 在 无刷电机驱动器中使用 MOSFET 主要是在 MOSFET 的栅源极施加一个寄 生二极管 二 单相半波逆变器原理 如图 3 所示是单相半波逆变器的原理图 对其 工作状态分析如下 第一个工作状态 v1 导通 负载电压等于 Ud 2 从 而使负载电流与电压同向 第二个工作状态 v2 关短后 负载电流流向 vd2 使得负载上的电压变为 Ud 2 但随着时间的推移会 使负载的电流最终变为 0 第三个工作状态 v2 导通 使得负载中出现了负电 压和负电流 第四个工作状态 v2 关断造成 vd2 正向偏置 得负 载电压变为 Ud 2 如果电压为横坐标 u 电流为竖坐标 i 的话 那么通过上面四个状态就可以是电流和电压在四个象限内轮流工作 因此 采用一定的方 图 2 图 3 图 2 图 4 法通过控制 v1 和 v2 的导通时间就可以达到控制负载上电流和电压按照一定的频率来轮换 着工作 但是上面的变换有一些缺点 例如 在任何时刻加载在负载上的电压都是全部电压的 一半 假如咋某个时刻对于功率额定的器件 电压减半后会使电流变为原来的两倍 同时 又欧姆定律可知这时的发热会变为原来的次方倍 这对于器件来说会造成更大的风险 另 外电压只能在最大电压的一半 没办法为 0V 那就会是器件造成更大的波纹度 三 三相逆变电路 原理如图所示 由单项桥的原理来分析三相桥电路 每个负载由两个上下桥臂共同连接 中间是连接 在一起的没有中心线的星型连接方式 中点电压有桥臂上下开关器件的开关状态所决定 假定每一相的桥臂在任意 给定时刻均有一个开关器 件的导通 当开关的一个 关断时 该相电流就会流 到另一的反向二极管上 但是开通每相桥臂开关和 关断桥臂开关的时候需要 预留足够的时间 以免造 成直流供电电源的短路 通过原理可以看出来 只要控制每一相的上下桥 臂的导通时间就可以控制每相上的电流和电压 以此设计驱动器的目的就是为了更好的控 制导通的时间 也可以用 导通的占空比来表示 2 2 电机控制原理 一 旋转运动的过程 直流无刷电机首先是通过位置传感器检测到电机转子的位置 这里用到的传感器主要 有旋转变压器 霍尔元件 正交编码器 光电开关等 然后根据检测到转子的位置开启或 者关闭相应的 mos 管电路已达到控制电机的目的 如图 4 所示 上面三个 mos 管分别为 Q1 Q2 Q3 统称为上桥臂 而下面三个 Q4 Q5 Q6 统称为下桥臂 当 mos 管导通时 电 流流经无刷直流电机的电枢 使流经的电流方向与磁场方向成 90 度 从而通过电机线圈 产生的磁场与无刷直流电动机内部原有的磁场相作用 推动电动机转动 但这并不能一直 转动下去 因此 当电机旋转过一定的角度有就需要改变 mos 管的导通顺序 继续使通电 线圈与定磁场成 90 度 通常情况下导通的 mos 管是一组桥臂的上桥臂和另外一组的下桥 臂 但是绝对不能同时导通一组桥臂的上下两个桥臂 因为这样会使电源出现短路 烧坏 元器件 二 导通时间和频率的确定 改变 mos 管导通的时间和导通频率来实现对电机参数的控制 通常情况下这种技术成 为脉冲宽度调