一种直流无刷电机驱动电路的设计与优化

1、自动化技术宋慧滨等:一种直流无刷电机驱动电路的设计与优化一种直流无刷电机驱动电路的设计与优化宋慧滨 ,徐申 ,段德山(东南大学国家 ASIC 系统工程技术研究中心江苏南京 210096)摘要 :设计了一种用于直流无刷电机的控制驱动电路 ,该电路完全采用分立元件构成 ,具有成本低、易实现、可靠性高等特点。在简单阐述直流无刷电机工作原理的基础上 ,分析了其驱动电路的设计要点。结合设计的控制驱动电路 ,讨论了功率 MOS 管栅极浮置驱动、互补脉宽调制死区时间设置的问题 ,分析了驱动电路中振荡产生的原因 ,并给出优化方法。在最后的实际测试中 ,验证了该电机驱动电路的各种功能及优化改进后的效果。关键词

2、:直流无刷电机 ;驱动电路 ;功率 MOS 管 ;脉宽调制中图分类号: TM36 + 1文献标识码 :B文章编号: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直流无刷电动机既具有运行效率高、调速性能好 ,同能驱动三相无刷直流电机转动。时又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便的优点 ,是电机主要发展方向之一 1 ,现已成功应用于军事、航空、计算机、数控机床、机器人和电动自行车等

6、多个领域。电机驱动电路的性能直接决定了电动机能否正确可靠地运行 ,本文将结合三相无刷直流电动机的应用 ,介绍一种驱动电路 ,并针对驱动过程中的几个要点进行论述与优化 ,如振荡吸收、死区时间设置等 ,最后给出实际测试波形与结论。图 1 三相直流无刷电机结构1 直流无刷电机工作原理功率 MOSFET 的导通顺序如图 1 所示 ,由图可知 ,系为了便于理解本驱动电路的设计及优化方法 ,首先简统采用三相六拍制单极控制 ,电动机每转一周都要经过六次换相 ,每一相都有一个上管和一个下管为导通状态 ,但单描述一下直流无刷电机的驱动控制原理。同一对上下管不能同时导通 ,否则相当于电源短路。这六1 . 1三相桥

7、式逆变电路相分别为: Q1 + Q6 , Q3 + Q6 , Q3 + Q2 , Q5 + Q2 , Q5 + Q4 , Q1目前 ,对于普及的三相直流无刷电机 ,大多采用三相+ Q4 。在每相中 ,电流根据导通的功率 MOSFET 不同 ,按桥式逆变电路驱动 2 ,其结构如图 1 所示。不同方向流经电机的不同线圈 , 由此产生持续的旋转磁图 1 中底部的 3 个电感为电机线圈的简单等效模型 ,势 ,推动电机的转子转动。6 只功率 MOSFET 作为开关器件使用 , 组成三相桥式结1 . 2直流无刷电机驱动电路的设计要点构。如果将他们按照一定的组合方式和频率进行开关 ,即驱动直流无刷电机就是合

8、理驱动各桥臂的功率MOSF ET 开关 ,使其按次序导通 ,设计过程中要注意如下收稿日期:20070910122 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.现代电子技术2008 年第 3 期总第 266 期测试 测量 自动化几点:2驱动电路的设计与优化(1) 功率 MOSFET 的栅极驱动一般功率 MOSFET 的栅极驱动电压 V GS 为 10 2 . 1控制驱动电路原理15 V ,且在开关态中 ,需要较大的电流驱动 ,否则上升下降本文

9、设计的直流无刷电机驱动电路 ,采用自举法驱动时间会变得很慢 ,影响驱动效率。从 MCU 出来的数字信高压侧开关管 , 全部采用分立元件 , 其中一对上下功率号是不能达到要求的 ,需要设计外围电路加大驱动能力。MOSF ET 的驱动电路如图 2 所示 , 其余两对开关管的驱在电机驱动电路中 ,由于电流较大 ,上管都采用 N 型动电路与之完全相同。MOSFET 。从图 1 可看出 , 每个上管源极的电压是浮动的 ,因此 ,上管的栅极驱动电压也必须浮置在源极的电压之上才能有效地开启上管。实现这样的方法有多种 ,如自举法、隔离电源法、脉冲变压器法、充电泵法、载波驱动法等 3 。(2) 脉宽调制控制直流

10、无刷电机的速度控制一般是由脉宽调制( PWM)来实现。在每一相中 ,采用恒定频率 ,不同占空比的脉宽信号控制功率 MOSFET 的导通时间 ,调节流过电机的电流 , 改变其转动速度 , 这个 PWM 信号的频率一般为数十 k Hz 。常用的 PWM 模式如表 1 所示。表 1 常用的 PWM 模式名称方式优点缺点2 相变频仅上桥臂 PWM开关损耗低 ,无法快速改开关式直流总线容变电机速度量小4 相同步变频上下桥臂同步同可快速改变总线容量需求大 , 开关开关式相位 PWM转速管发热大4 相同步同对上下管互补优越的过零电路设计和变频互补PWM ,导通相下桥点控制 , 降低器件选配比开关式臂常开或

11、PWM开关管温度较严格(3) 上下开关管互补导通时的死区时间从图 1 可以看出 ,假设某一相为 Q1 Q4 导通, 则当 Q1 进行 PWM 调制关断时 , 电机线圈为了保证电流方向不变 ,会产生感生电势 ,A 端为负 ,B 端为正。由于 A 端电势比地电位低 ,电流会通过 Q2 的寄生二极管放电, 如果此时使 Q2 反相导通辅助放电 ,则可以大大减小功率 MOSFET的温升。所以 ,当电流较大时 , 应采用互补开关模式。采用此模式时 ,为了避免桥臂直通 ,一般要求上下管栅极控制信号有一个死区时间 ,以确保在换流时上下管不会同时导通。这个死区时间太长会造成输出电压谐波成分增加 ,太短则不能发挥

12、应有的作用 4 。其长短可根据电路性能及功率 MOSFET 的开通关断时间来确定。(4) 振荡现象由于电机经常工作在恶劣的环境下 ,且流过的电流较大 ,容易在驱动电路中产生振荡 ,严重时会损坏控制板 ,故需要在电路设计和布板上进行优化 ,消除或减弱这些振荡现象 ,在下面一节中将会根据实际电路进行此方面的讨论。图 2驱动电路结构在图 2 所示的电路中 , H PWM 和 L PWM 分别为驱动上下开关管的 5 V 数字逻辑 PWM 信号。对于 Q2 管, 不需要浮置栅, 驱动方法比较简单。当 N 2 基极的 L PWM 为低电平时 , N 2 不导通, N 1 和 P1 导通 , 使得 Q2 的

13、栅极被 15 V 电源直接驱动 , Q2 导通。当 L PWM 为高电平时 , N 2 导通, N 1 , P1 关断, Q2 栅极电位被拉到地, Q2 关断。对于 Q1 管, 需要栅极浮置驱动, 原理如下。当 N 3 基极的 H PWM 信号为低电平时 , N 3 和 P2 都不导通, 此时 Q1 是关断的, 而 Q2 互补导通。15 V 电源电压经 D1 向自举电容 C1 充电, 使得 C1 两端电压为 15 V 减去 D1 的管压降 ,大概为14 V 。当 H PWM 信号为高电平时 , N 3 和 P2 相继导通, 自举电容 C1 两端的电压通过 P2 加到 Q1 的栅极上 ,浮置于源

14、极之上 ,电压差为 14 V 左右 ,保证 Q1 饱和导通, 此时 Q2 必须是互补关断的 ,否则将造成桥臂导通 ,使电源短路。当 H PWM 信号再次转为低电平时 , P3 导通, 使 Q1 的栅极电容迅速放电, 及时关断 Q1 。2 . 2上下开关功率 MO SF E T 互补 PWM 的实现提供互补 PWM 信号可利用具有两路 PWM 输出的MCU ,死区时间由软件给定 ,但这样成本会比较高。本文设计一种硬件电路实现此功能 ,并且死区时间可调 ,其电路结构如图 3 所示。图 3 中的输入信号为 MCU 给出的一路 PWM 调制信号 ,L PWM 和 H PWM 为具有死区时间的一对互补P

15、WM 控制信号 ,与图 2 中相对应。当 PWM 信号从低到高时 ,通过 R11 对 C11 充电, C11 上端电压逐渐升高, 当大于后级反门的门限电压时, 信号得以传输过去, 其间有个时间差 T1 。同时 , PWM 信号也通123 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.自动化技术宋慧滨等:一种直流无刷电机驱动电路的设计与优化过 R13 对 C12 充电, 当 C12 上端电压大于与门的门限时, 信号得以传输过去, 其时间差为 T

16、2 。T1 和 T2 可以通过改变各自 R C 的值进行改变。开关损耗 ,因此要根据电流容量和电压的额定值以及开关频率选择合适的缓冲阻值。图 2 中缓冲电阻为 R3 , R8 ,其阻值一般在 100 左右。缓冲电路参数通常的选取原则为:RC =1图 3硬件电路结构电容上电压为:U c ( t)= U s ( 1 -e- ( t/ RC) )U s 为单片机输出的 5 V 电压 , 假设逻辑门的门限电压为V th , 则令 U c ( t)= V th 即可算出给定延迟时间 t 的情况下,RC 的取值。在本应用中 , 设置 T2 T1 。当 PWM 信号从高到低时 , C11 要通过 R11 放

17、电, 电压缓缓下降到反门的门限电压以下时, 信号才能传输过去, 其延时为 T3 。而对于 H PWM ,只要 PWM 一变为低 , 与门特点是有低出低 , 所以信号会立刻传输过去 ,基本没有延迟。又从图 2 可知 ,LPWM 信号与 Q2 栅极驱动信号反相 , HPWM 信号与 Q1栅极驱动信号同相 ,这样变得到了图 3 中的 Q1 , Q2 栅极波形 V GS1 和 V GS2 。两个死区时间分别为 T2 , T1 和 T3 。在以上分析中 ,门级延迟相对于 R C 延迟可以忽略不计。2 . 3驱动电路中的振荡现象及优化MOS 管的转换频率一般可以到 200 M Hz 以上 ,所以由于封装和

18、线路上的各种寄生电抗 , 会产生寄生振荡问题。同一桥臂上的两个功率 MOSFET 在开通和关断的转换过程中 ,由于较高的 d v/ d t ,栅极驱动信号会产生振荡 ,导致功率 MOSFET 产生很大的开关损耗。当上管开通时 ,会在下管栅极产生阻尼衰减振荡信号。更严重的是若振荡的幅值达到功率 MOSFET 的门限电压 ,下管将开通 ,而上管正处于开通状态 ,此时将造成上下功率管的直通现象 ,损坏功率管。开通时间是影响驱动信号振荡幅值的主要因素 ,二者成反比关系。适当延长器件的开通时间 ,即可很大程度上减小振幅。因此需在功率 MOSFET 的栅极前加一个缓冲电阻 5 ,人为增加器件的开通时间 ,

19、在功率 MOSFET 的栅源极间并联电容以延长栅极电容的充电时间 ,降低电压变化率 ,如图2 中的 C2 , C3 。缓冲电阻的阻值要设置适当 ,因为过大的电阻会引起更长的开通和关断时间 ,不但与减小死区时间的要求相违背 ,而且还会增加功率 MOSFET 的124( 6 10) f式中 f 为功率 MOSFET 的工作频率。此外 , 从布板的角度来说 , 驱动电路必须靠近 MOS管 ,如图 2 中的 N 2 应靠近 Q2 , 当 Q2 关断, 其漏极电压从低到高时, 栅漏电容的放电电流会使栅极驱动的连接阻抗压降升高, 若 N 2 离 Q2 较远 ,即连接阻抗过高 ,则栅极电压过高 ,容易产生误

20、开启。另外 N 2 应选择电流能力较强的三极管 ,提高放电速度 ,可减小上述振荡现象。3 测试波形根据本文的设计与优化思路 ,搭建了直流无刷电机控制驱动的实际电路板 ,并用一台250 W 的三相直流无刷电机作为负载进行了测试 ,以下是一些测试波形。图 4 为一对上下功率 MOSFET 进行互补 PWM 时的波形。V G1 为上管 Q1 的栅极电压 ,V S1 为其源极电压 ,波形分辨率都为 1312 V/ div ; V G2 为下管 Q2 的栅极电压 ,3130 V/ div ;三个波形的时间分辨率都为 715 s/ div 。图 4上下功率 MOSFET 进行互补 PWM 时的波形从图 4

21、 中可以看出当上管 Q1 导通时 ,栅极电压是浮置在源极电压上的 ,压差为 14 V 左右 ,上升下降沿也较为理想。上下功率 MOSFET 的栅极驱动波形 V G1 ,V G2 显示为互补导通 ,有明显的死区时间 ,保证了两开关管不会同时导通 ,该电路较为优秀地完成了电机驱动任务。图 5 为对系统中出现的振荡现象进行优化前后的测试波形。V D2 为下管 Q2 的漏极电压 ,20 V/ div ;V G2 为 Q2 栅极电压 ,10 V/ div ;时间分辨率都是 100 ns/ div 。图 5 优化前后的测试波形图 5 (a) 为优化前的情况 ,可见当下管 Q2 漏极电压上升时 ,其栅极由于

22、上文所述的原因产生较大振荡 ,振幅最(下转第 130 页) 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.自动化技术刘建等: PL C 在自动剥线机中的应用本系统 PL C 程序编程采用梯形图方式实现。主程序部分使用步进指令将各个动作按照特定的执行顺序连接起来进行控制 1 。子程序中对步进电机的控制 ,使用 PL C 高速计数器指令精确控制步进电机的转动位移。为使剥线精度达到 1 m ,程序中所有运算均采用m为单位。该程序完成了所有剥线机设计

23、要求 ,程序共有 9 千多步 ,在这里就不详细列出。如图 3 所示为部分 PL C 程序梯形图。4 程序调试初始调试时采用模拟开关输入 ,分模块单独调试 ,然后整合主程序和所有模块子程序整体调试 ,最后是软、硬件一起联机调试。在调试过程中遇到许多问题 ,都一一解决了 ,如每个步进过程中的数据初始化程序放置在步进过程内不能初始化的问题 ,经反复调试 ,发现需要放置在主程序之前( 即步进过程之外) 才能正常初始化。5结 语本系统以 Panasonic FP0 -T32 型 PL C 为核心控制系统运行 ,现场调试表明 ,系统完全符合设计要求 ,工作性能稳定 ,可精确地实现线束加工 ,具有较高的实用

24、价值。本文所述以 PL C 为控制核心的自动剥线机设计方式也可推广到其他自动控制系统的设计。参 考 文 献 1 郭纯生. 可编程序控制器编程实战与提高 M . 北京: 电子工业出版社 ,2006. 2 宋伯生. PL C 编程理论、算法及技巧 M . 北京:机械工业出版社 ,2005.作者简介刘 建男 ,1979 年出生 ,湖南南县人 ,硕士研究生。主要研究方向为电路与系统、电气自动化控制。罗晓曙男 ,1961 年出生 ,湖北应城人 ,教授。主要研究方向非线性系统的稳定控制与同步、电气自动化控制。陈 赤男 ,1957 年出生 ,广西陆川人 ,高级工程师。主要研究方向为电气自动化控制。梁俊英男

25、,1981 年出生 ,广西武鸣人 ,硕士研究生。主要研究方向为电路与系统。(上接第 124 页)大 15 V 左右 ,这完全能把 Q2 开启 ,造成上下开关管同时导通。针对该振荡问题 ,按照优化思路进行调整 , 适当加大缓冲电阻值 ,减小驱动三极管到下管栅极的走线长度 ,增大驱动三极管的拉电流能力等。再次进行测试 , 由图 5 ( b) 可以看出 , 改进非常明显 , 基本消除了振荡现象 ,这对增加系统的稳定与可靠性有非常大的作用。4结 语本文介绍了一种应用于三相无刷直流电机的控制驱动电路 ,主要分析了此类电路设计中的注意要点以及优化方法。本电路由分立元件组成 , 简单可靠、易实现、成本低 ,

26、并且从测试波形可以看出其性能也较为优异 ,可以广泛应用。在今后的设计中 ,若能将该电路集成化 , 则可更进一步简化电机控制驱动系统的设计 ,提高稳定性。参 考 文 献 1 谭建成. 新编电机控制专用集成电路与应用 M . 北京: 机械工业出版社 ,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 ,孙德刚. 高压浮动 MOSFET 栅极驱动技术J . 通讯电源技术 ,2003 (3) :37 - 40 . 4 吴凤江 ,高晗璎 ,孙力. 桥式拓扑结构功率 MOSF ET 驱动电路设计J . 电气传动 ,2005 ,35 (6) :32 - 34 . 5 田颖 ,陈培红 ,聂圣芳 ,等. 功率 MOSFE T 驱动保护电路设计 J . 电力电子技术 ,2005 ,39 (1) :73