电动汽车驱动电机实训报告

1、.驱动电机实训报告汽工 1302黄祥吉1 / 10.图给出三相BLDCM控制系统的六开关逆变器拓扑图。根据无刷直流电机的特点，为了减小转矩脉动， 提高电机控制性能，要求加在电机定子上的电流为方波，并与电机的梯形反电动势严格同步，每相电流导通120。表给出图所示的六开关逆变器的开关器件导通顺序。由表可见， 六开关逆变器中，根据开关器件的状态，可组成 6 个状态组合或电压矢量，即：(0 ，一 1，1) 、 (1 ，一 1， 0) 、 (1 ， 0，一 1) 、 (0 ， 1，一 1) 、 ( 一 1， 1， 0) 、 ( 一 1，0，2 / 10.1) ，其中， 1 表示上桥臂导通，一1 表示下桥

2、臂导通，0 表示没有管子导通。如(0 ，一 1，1) 表示 B 相的下桥臂和C 相的上桥臂导通，即VS5，Vs6 导通， A 相处于不导通状态。这样在任何时刻总是只有两相处于导通状态，即任何时刻总有一相的两个开关器件不参与工作。开关磁阻电机的控制系统。开关磁阻电机作为一种新型调速电机，兼有直流和交流调速的优点，适用的领域很广。它是由磁阻电机与电子开关驱动控制电路组成一体的能量换转机构。如图所示为四相的开关磁阻电机。图表示导通顺序A、 B、C、D 时定转子工作情况。图4a表示 V1 导通， A相绕组通电， 而其余的三相绕组断电， 因此转子磁 1.1 受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力而产生转矩，

3、使转子沿逆时针旋转， 转子磁极 1.1 向定子磁极 AA趋近，直到两者重合。此时，控制器据位置传感器的关断信号，去控制驱动器，关断V1，切断A相绕组电流，紧接着控制器根据位置传感器的开、断信号，依次使V2、V3、 V4 通、断，使B、 C、 D相绕组顺序的通与断，使转子受同一方向转矩作用，沿逆时针的运行。若改变相电流大小，则可改变电机转矩和转速。总之， 国内已经开发出了以上四种电机驱动系统，取得了很大的技术进步，已经在车辆上获得了应用。但是，还存在着需要改进之处。就交流感应电机电控系统而言，国内的绝大多数电动效率在70以上区域范围占整个工作的区域还在80以下；电机在低速运行过程中，输出转矩脉动

4、性过大；在高速运转时可输出的转矩偏小，加载能力差， 且转矩降落略大；甚至在一定转速范围内存在较大电磁振动（噪音），有待于进一步解决。四种电机电控系统的可靠性都有待进一步提高以适应产业化要求。3 / 10.直流电机因其良好的线性特性、优异的控制性能等特点成为大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择。随着计算机在控制领域的发展，直流电机的应用也更加广泛。本文主要介绍了采用N 沟道增强型场效应管，基于H 桥的直流电机驱动控制电路中H 桥功率驱动电路设计、电荷泵电路设计、电机驱动逻辑与放大电路设计，以及直流电机的 PWM 调速控制。关键字：H 桥直流电机驱动控制电路N 沟道增强型场效应管PW

5、M1直流电机驱动控制电路总体结构直流电机驱动控制电路分为电机驱动逻辑电路、 电荷泵电路、驱动信号放大电路、 H 桥功率驱动电路等四部分部分，其电路框图如图 1 所示。如图所示，电机驱动控制电路的外围接口简单，主要控制信号有 Dir( 电机运转方向信号 )， PWM( 电机调速信号 )及 Brake( 电机制动信号 )，Vcc 为驱动逻辑电路部分提供电源， Vm 为电机电源电压， M+、M-为直流电机接口。图 1 直流电机驱动控制电路框图2H 桥功率驱动电路原理H 型全桥式电路是使用的最为广泛的直流电机驱动电路，实践证明， H 型全桥式电路便于实现直流电机的四象限运行，即分别对应正转、正转制动、

6、反转、反转制动。4 / 10.H 桥功率驱动原理图如图2 所示。H 型全桥式驱动电路的4 只开关管都工作在斩波状态。其中， S1、S2 为一组， S3、S4为一组，这两组状态互补，当一组导通时，另一组必须关断。 当 S1 、S2 导通时， S3 、S4 关断，电机两端加正向电压实现电机的正转或反转制动； 当 S3 、S4 导通时， S1 、S2 关断，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。图 2H 桥功率驱动原理图实际控制中，需要不断地使电机在正转和反转之间切换。 这种情况理论上要求两组控制信号完全互补， 但是由于实际的开关器件都存在导通和关断时间， 绝对的互补控制逻辑会导致上下桥臂直通短路

7、。 为了避免直通短路且保证各个开关管动作的协同性和同步性， 两组控制信号理论上要求互为倒相， 而实际必须相差一个足够长的死区时间， 这个校正过程既可通过硬件实现， 即在上下桥臂的两组控制信号之间增加延时， 也可通过软件实现，即在状态之前加入适当的延时时间，一般 us 级单位的延时即可达到效果。图 2 中 4 只续流二极管，可为线圈绕组提供续流回路。当电机正常运行时，驱动电流通过主开关管流过电机。 当电机处于制动状态时， 电机工作在发电状态，转子电流必须通过续流二极管流通，否则电机就会发热，严重时甚至烧毁。3直流电机驱动控制电路设计3.1 H 桥驱动电路设计在直流电机控制中常用H 桥电路作为驱动

8、器的功率驱动电路。由于功率MOSFET 是压控元件，具有输入阻抗大、开关速度快、无二次击穿现象等特点，满足高速开关动作需求， 因此常用功率 MOSFET 构成 H 桥电路的桥臂。 H 桥电路中的 4 个功率 MOSFET 分别采用 N 沟道型和 P 沟道型，而 P 沟道功率 MOSFET 一般不用于下桥臂驱动电机，因此，用功率 MOSFET 构成 H 桥电路的桥臂有两种可行的方案： 一种是上下桥臂分别用2 个 P 沟道功率 MOSFET 和2 个 N 沟道功率 MOSFET ；另一种是上下桥臂均用N 沟道功率 MOSFET 。5 / 10.测试可知，利用 2 个 N 沟道功率 MOSFET 和

9、 2 个 P 沟道功率 MOSFET 驱动电机的方案，控制电路简单、成本低。但由于P 沟道功率 MOSFET 的性能要比 N 沟道功率 MOSFET 的差，且驱动电流小，多用于功率较小的驱动电路中。综合考虑系统功率、可靠性要求，以及 N 沟道功率 MOSFET 的优点，采用 4 个相同的 N 沟道功率 MOSFET 的 H 桥电路，具备较好的性能和较高的可靠性，并具有较大的驱动电流，因此本系统采用此设计模式。其电路图如图3。图中8V 为电机电源电压， 4 个二极管均为续流二极管，输出端并联的小电容C1（ 104 ），用于降低感性元件电机产生的尖峰电压。图 3 H 桥驱动电路3.2 电荷泵电路设

10、计电荷泵的基本原理是通过电容对电荷的积累效应而产生高压， 使电流由低电势流向高电势。图 4电荷泵电路电路中 A 部分是方波发生电路，由 RC 与反相施密特触发器构成，产生振幅为 Vin=5 V 的方波。 B 部分是电荷泵电路， 由三阶电荷泵构成。当 a 点为低电平时，二极管 D1 导通电容 C1 充电，使 b 点电压 Vb=Vm-Vtn ；当 a 点为高电平时，由于电容 C1 电压不能突变，故 b 点电压 Vb=Vm+Vin-Vtn ，此时二极管 D2 导通，电容 C3 充电，使 c 点电压 Vx=Vm+Vin-2Vtn ；当 a 点为低电平时，二极管 D1 、D3 导通，分别对电容 C1、

11、C2 充电，使得 d 点电压 Vd=Vm+Vin-3Vtn ；当 a 点再为高电平时，由于电容 C2 电压不能突变，故 d 点电压变为Vd=Vm+2Vin-3Vtn ，此时二极管 D2 、D4 导通，分别对电容C3 、c4 充电，使 e6 / 10.点电压 Ve=Vm+2Vin-4Vtn 。这样如此循环，便在 g 点得到比 Vm 高的电压 Vh=Vm+3Vin-6tn=Vm+11.4 V 。其中 Vm 为二极管压降，一般取 0.6 V ，从而保证 H 桥的上臂完全导通。图 5 驱动信号放大电路在驱动控制电路中， H 桥由 4 个 N 沟道功率 MOSFET 组成。若要控制各个 MOSFET ，

12、各 MOSFET 的门极电压必须足够高于栅极电压。 通常要使 MOSFET完全可靠导通，其门极电压一般在10 V 以上，即 VCS 10 V 。对于 H 桥下桥臂，直接施加 10 V 以上的电压即可使其导通；而对于上桥臂的2 个 MOSFET ，要使 VGS10 V ，就必须满足 VGVm+10 V ，即驱动电路必须能提供高于电源电压的电压，这就要求驱动电路中增设升压电路，提供高于栅极10 V 的电压。考虑到 VGS 有上限要求，一般 MOSFET 导通时 VGS 为 10 V 15 V ，也就是控制门极电压随栅极电压的变化而变化， 即为浮动栅驱动。 因此在驱动控制电路中设计电荷泵电路，用于提

13、供高于 Vm 的电压 Vh，驱动功率管的导通。3.3 电机驱动逻辑电路设计与放大电路设计电机驱动逻辑电路输入端主要为如图6 中的 4、3、2 端口。控制信号 Dir 、PWM 、Brake 经光电隔离电路后，由门电路进行译码，产生控制 H 桥的 4 个控制信号 q5 、q6 、q7、 q8。图 6 电机驱动逻辑电路7 / 10.（1）4 端口通过输入PWM 信号实现控速功能，具体实现原理如下：直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。 励磁控制法是控制磁通，其控制功率小， 低速时受到磁饱和限制， 高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制， 而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差， 所以这

14、种控制方法用得很少。大多数应用场合都使用电枢电压控制法。 随着电力电子技术的进步， 改变电枢电压可通过多种途径实现，其中 PWM( 脉宽调制 )便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。PWM 调速控制的基本原理是按一个固定频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内接通和断开的时间比 (占空比 )来改变直流电机电枢上电压的 占空比 ，从而改变平均电压，控制电机的转速。在脉宽调速系统中，当电机通电时其速度增加， 电机断电时其速度减低。 只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可控制电机转速。而且采用PWM 技术构成的无级调速系统启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。设电机始

15、终接通电源时，电机转速最大为Vmax ，且设占空比为D=tT，则电机的平均速度Vd 为： Vd=VmaxD由公式可知，当改变占空比D=t T 时，就可以得到不同的电机平均速度Vd ，从而达到调速的目的。严格地讲，平均速度与占空比D 并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可将其近似地看成线性关系。在直流电机驱动控制电路中， PWM 信号由外部控制电路提供，并经高速光电隔离电路、电机驱动逻辑与放大电路后，驱动 H 桥下臂 MOSFET 的开关来改变直流电机电枢上平均电压，从而控制电机的转速，实现直流电机PWM 调速。图 7 PWMIN 产生电路8 / 10.要保证电荷泵电路的正常工作，必须产生一路

16、方波信号， 并且要考虑到其带负载的能力即驱动能力。图 7 部分是方波发生电路，由RC 与反相施密特触发器构成，产生振幅为Vin=5 V 的方波。通过调节 U2-R1 与 U2-C1 的乘积可调节 PWMIN 的频率和占空比（原理是调节电容充放电的时间）。方波产生后及反相器电路产生两路互补信号 PWM-OUT1 、 PWM-OUT2 。图 8 PWMIN 电流放大电路图 8 可以理解为增强输出的电路，其中三极管Q12 、Q11 构成推挽式电路，降低输出阻抗，使其可用在驱动电机等阻抗低的负载电路上。（2）端口 3 实现电机转向控制。端口2 实现刹车功能。如图 3，当 Q1、 Q3 端输入高电平，

17、Q2 、Q4 端输入低电平时（即 Q1 、Q3导通， Q2Q4 截止时），电机正转；当 Q1 、Q3 端输入低电平， Q2、Q4 端输入高电平时（即 Q1 、 Q3 截止， Q2Q4 导通时），电机反转。又如图 5，Q1 、Q2 、Q3 、Q4 端输入控制信号为分别为 q7 、q8、 q5、q6 。也就是说当 q7 、q5 为高电平， q8 、q6 为低电平时，场效应管 Q1 、Q3 导通， Q2 、Q4 截止，电机正传；当 q7、q5 为低电平， q8、q6 为高电平时，场效应管 Q1 、Q3 截止， Q2 、Q4 导通，电机反传；当 q7、q8、q5 、q6 均为低电平时可实现刹车功能。通

18、过分析图 6 电机驱动逻辑电路，可得以下逻辑表达式：9 / 10.q7=(C)&(B);q8=(C)&(B);q5=(C)&( B&A);q6=(C)&(B&A);具体各端口的逻辑功能：C 可作为刹车（ BRAKE ）端，当其输入为高时，电机停转，输入为低时，电机正常；A 可作为 PWM 波输入端；B 可作为转向控制端（ Dir ），当其输入为高时，电机反转，输入为低时，电机正转。电机工作时， H 桥的上臂处于常开或常闭状态，由Dir 控制，下臂由 PWM逻辑电平控制，产生连续可调的控制电压。该方案中，上臂MOSFET 只有在电机换向时才进行开关切换，而电机的换向频率极低，低端由逻辑电路直接控制，逻辑电路的信号电平切换