摘 要：設(shè)計(jì)了一種用于直流無刷電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)電路，該電路完全采用分立元件構(gòu)成，具有成本低、易實(shí)現(xiàn)、可靠性高等特點(diǎn)。在簡(jiǎn)單闡述直流無刷電機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上，分析了其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。結(jié)合設(shè)計(jì)的控制驅(qū)動(dòng)電路，討論了功率MOS管柵極浮置驅(qū)動(dòng)、互補(bǔ)脈寬調(diào)制死區(qū)時(shí)間設(shè)置的問題，分析了驅(qū)動(dòng)電路中振蕩產(chǎn)生的原因，并給出優(yōu)化方法。在最后的實(shí)際測(cè)試中，驗(yàn)證了該電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的各種功能及優(yōu)化改進(jìn)后的效果。

關(guān)鍵詞：直流無刷電機(jī)；驅(qū)動(dòng)電路；功率MOS管；脈寬調(diào)制

中圖分類號(hào)：TM36+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0312203

Design and Optimization for a Brushless DC Motor Drive Circuit

SONG Huibin，XU Shen，DUAN Deshan

(National ASIC System Engineering Research Center，Southeast University，Nanjing，210096，China)

Abstract：In this paper，a drive circuit for brushless DC motor is proposed.It is designed with discrete elements，has the features of low price，easy way to realize and high reliability.Based on the presentation of motor′s working principle，the paper analyses the important points of the drive circuit design.Some problems are discussed with the proposed circuit，such as the floating gate drive for the power MOSFET，the dead time setup of the complementary PWM outputs，the reasons to form the oscillation and the way to optimize the drive circuitry.In the end of this paper，a test is performed to verify the functions of the circuit and observe the effect after the optimization.

Keywords：brushless DC motor;drive circuitry;power MOSFET;PWM

直流無刷電動(dòng)機(jī)既具有運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好，同時(shí)又具有交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，是電機(jī)主要發(fā)展方向之一[1]，現(xiàn)已成功應(yīng)用于軍事、航空、計(jì)算機(jī)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人和電動(dòng)自行車等多個(gè)領(lǐng)域。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的性能直接決定了電動(dòng)機(jī)能否正確可靠地運(yùn)行，本文將結(jié)合三相無刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，介紹一種驅(qū)動(dòng)電路，并針對(duì)驅(qū)動(dòng)過程中的幾個(gè)要點(diǎn)進(jìn)行論述與優(yōu)化，如振蕩吸收、死區(qū)時(shí)間設(shè)置等，最后給出實(shí)際測(cè)試波形與結(jié)論。

1 直流無刷電機(jī)工作原理

為了便于理解本驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法，首先簡(jiǎn)單描述一下直流無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制原理。

1.1 三相橋式逆變電路

目前，對(duì)于普及的三相直流無刷電機(jī)，大多采用三相橋式逆變電路驅(qū)動(dòng)[2]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中底部的3個(gè)電感為電機(jī)線圈的簡(jiǎn)單等效模型，6只功率MOSFET作為開關(guān)器件使用，組成三相橋式結(jié)構(gòu)。如果將他們按照一定的組合方式和頻率進(jìn)行開關(guān)，即能驅(qū)動(dòng)三相無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 三相直流無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)

功率MOSFET的導(dǎo)通順序如圖1所示，由圖可知，系統(tǒng)采用三相六拍制單極控制，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一周都要經(jīng)過六次換相，每一相都有一個(gè)上管和一個(gè)下管為導(dǎo)通狀態(tài)，但同一對(duì)上下管不能同時(shí)導(dǎo)通，否則相當(dāng)于電源短路。這六相分別為：Q1+Q6，Q3+Q6，Q3+Q2，Q5+Q2，Q5+Q4，Q1+Q4。在每相中，電流根據(jù)導(dǎo)通的功率MOSFET不同，按不同方向流經(jīng)電機(jī)的不同線圈，由此產(chǎn)生持續(xù)的旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)，推動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.2 直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

驅(qū)動(dòng)直流無刷電機(jī)就是合理驅(qū)動(dòng)各橋臂的功率MOSFET開關(guān)，使其按次序?qū)?，設(shè)計(jì)過程中要注意如下幾點(diǎn)：

(1) 功率MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)

一般功率MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)電壓VGS為10～15 V，且在開關(guān)態(tài)中，需要較大的電流驅(qū)動(dòng)，否則上升下降時(shí)間會(huì)變得很慢，影響驅(qū)動(dòng)效率。從MCU出來的數(shù)字信號(hào)是不能達(dá)到要求的，需要設(shè)計(jì)外圍電路加大驅(qū)動(dòng)能力。

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，由于電流較大，上管都采用N型MOSFET。從圖1可看出，每個(gè)上管源極的電壓是浮動(dòng)的，因此，上管的柵極驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)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(qū)動(dòng)法等[3]。

(2) 脈寬調(diào)制控制

直流無刷電機(jī)的速度控制一般是由脈寬調(diào)制(PWM)來實(shí)現(xiàn)。在每一相中，采用恒定頻率，不同占空比的脈寬信號(hào)控制功率MOSFET的導(dǎo)通時(shí)間，調(diào)節(jié)流過電機(jī)的電流，改變其轉(zhuǎn)動(dòng)速度，這個(gè)PWM信號(hào)的頻率一般為數(shù)十kHz。常用的PWM模式如表1所示。

表1 常用的PWM模式

稱方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)

2相變頻開關(guān)式僅上橋臂PWM開關(guān)損耗低，直流總線容量小無法快速改變電機(jī)速度

4相同步變頻開關(guān)式上下橋臂同步同相位PWM可快速改變轉(zhuǎn)速總線容量需求大，開關(guān)管發(fā)熱大

4相同步變頻互補(bǔ)開關(guān)式同對(duì)上下管互補(bǔ)PWM，導(dǎo)通相下橋臂常開或PWM優(yōu)越的過零點(diǎn)控制，降低開關(guān)管溫度電路設(shè)計(jì)和器件選配比較嚴(yán)格

(3) 上下開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通時(shí)的死區(qū)時(shí)間

從圖1可以看出，假設(shè)某一相為Q1Q4導(dǎo)通，則當(dāng)Q1進(jìn)行PWM調(diào)制關(guān)斷時(shí)，電機(jī)線圈為了保證電流方向不變，會(huì)產(chǎn)生感生電勢(shì)，A端為負(fù)，B端為正。由于A端電勢(shì)比地電位低，電流會(huì)通過Q2的寄生二極管放電，如果此時(shí)使Q2反相導(dǎo)通輔助放電，則可以大大減小功率MOSFET的溫升。所以，當(dāng)電流較大時(shí)，應(yīng)采用互補(bǔ)開關(guān)模式。采用此模式時(shí)，為了避免橋臂直通，一般要求上下管柵極控制信號(hào)有一個(gè)死區(qū)時(shí)間，以確保在換流時(shí)上下管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。這個(gè)死區(qū)時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)造成輸出電壓諧波成分增加，太短則不能發(fā)揮應(yīng)有的作用[4]。其長(zhǎng)短可根據(jù)電路性能及功率MOSFET的開通關(guān)斷時(shí)間來確定。

(4) 振蕩現(xiàn)象

由于電機(jī)經(jīng)常工作在惡劣的環(huán)境下，且流過的電流較大，容易在驅(qū)動(dòng)電路中產(chǎn)生振蕩，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞控制板，故需要在電路設(shè)計(jì)和布板上進(jìn)行優(yōu)化，消除或減弱這些振蕩現(xiàn)象，在下面一節(jié)中將會(huì)根據(jù)實(shí)際電路進(jìn)行此方面的討論。

2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1 控制驅(qū)動(dòng)電路原理

本文設(shè)計(jì)的直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，采用自舉法驅(qū)動(dòng)高壓側(cè)開關(guān)管，全部采用分立元件，其中一對(duì)上下功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示，其余兩對(duì)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路與之完全相同。

圖2 驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)

在圖2所示的電路中，H_PWM和L_PWM分別為驅(qū)動(dòng)上下開關(guān)管的5 V數(shù)字邏輯PWM信號(hào)。

對(duì)于Q2管，不需要浮置柵，驅(qū)動(dòng)方法比較簡(jiǎn)單。當(dāng)N2基極的L_PWM為低電平時(shí)，N2不導(dǎo)通，N1和P1導(dǎo)通，使得Q2的柵極被15 V電源直接驅(qū)動(dòng)，Q2導(dǎo)通。當(dāng)L_PWM為高電平時(shí)，N2導(dǎo)通，N1，P1關(guān)斷，Q2柵極電位被拉到地，Q2關(guān)斷。

對(duì)于Q1管，需要柵極浮置驅(qū)動(dòng)，原理如下。當(dāng)N3基極的H_PWM信號(hào)為低電平時(shí)，N3和P2都不導(dǎo)通，此時(shí)Q1是關(guān)斷的，而Q2互補(bǔ)導(dǎo)通。15 V電源電壓經(jīng)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(dāng)H_PWM信號(hào)為高電平時(shí)，N3和P2相繼導(dǎo)通，自舉電容C1兩端的電壓通過P2加到Q1的柵極上，浮置于源極之上，電壓差為14 V左右，保證Q1飽和導(dǎo)通，此時(shí)Q2必須是互補(bǔ)關(guān)斷的，否則將造成橋臂導(dǎo)通，使電源短路。當(dāng)H_PWM信號(hào)再次轉(zhuǎn)為低電平時(shí)，P3導(dǎo)通，使Q1的柵極電容迅速放電，及時(shí)關(guān)斷Q1。

2.2 上下開關(guān)功率MOSFET互補(bǔ)PWM的實(shí)現(xiàn)

提供互補(bǔ)PWM信號(hào)可利用具有兩路PWM輸出的MCU，死區(qū)時(shí)間由軟件給定，但這樣成本會(huì)比較高。本文設(shè)計(jì)一種硬件電路實(shí)現(xiàn)此功能，并且死區(qū)時(shí)間可調(diào)，其電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3中的輸入信號(hào)為MCU給出的一路PWM調(diào)制信號(hào)，L_PWM和H_PWM為具有死區(qū)時(shí)間的一對(duì)互補(bǔ)PWM控制信號(hào)，與圖2中相對(duì)應(yīng)。

當(dāng)PWM信號(hào)從低到高時(shí)，通過R11對(duì)C11充電，C11上端電壓逐漸升高，當(dāng)大于后級(jí)反門的門限電壓時(shí)，信號(hào)得以傳輸過去，其間有個(gè)時(shí)間差T1。同時(shí)，PWM信號(hào)也通過R13對(duì)C12充電，當(dāng)C12上端電壓大于與門的門限時(shí)，信號(hào)得以傳輸過去，其時(shí)間差為T2。T1和T2可以通過改變各自RC的值進(jìn)行改變。

圖3 硬件電路結(jié)構(gòu)

電容上電壓為：

Uc(t)=Us(1－e－(t/RC))

Us為單片機(jī)輸出的5 V電壓，假設(shè)邏輯門的門限電壓為Vth，則令Uc(t)=Vth即可算出給定延遲時(shí)間t的情況下，RC的取值。

在本應(yīng)用中，設(shè)置T2>T1。當(dāng)PWM信號(hào)從高到低時(shí)，C11要通過R11放電，電壓緩緩下降到反門的門限電壓以下時(shí)，信號(hào)才能傳輸過去，其延時(shí)為T3。而對(duì)于H_PWM，只要PWM一變?yōu)榈?，與門特點(diǎn)是有低出低，所以信號(hào)會(huì)立刻傳輸過去，基本沒有延遲。又從圖2可知，L_PWM信號(hào)與Q2柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)反相，H_PWM信號(hào)與Q1柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)同相，這樣變得到了圖3中的Q1，Q2柵極波形VGS1和VGS2。兩個(gè)死區(qū)時(shí)間分別為T2，T1和T3。在以上分析中，門級(jí)延遲相對(duì)于RC延遲可以忽略不計(jì)。

2.3 驅(qū)動(dòng)電路中的振蕩現(xiàn)象及優(yōu)化

MOS管的轉(zhuǎn)換頻率一般可以到200 MHz以上，所以由于封裝和線路上的各種寄生電抗，會(huì)產(chǎn)生寄生振蕩問題。同一橋臂上的兩個(gè)功率MOSFET在開通和關(guān)斷的轉(zhuǎn)換過程中，由于較高的dv/dt，柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)會(huì)產(chǎn)生振蕩，導(dǎo)致功率MOSFET產(chǎn)生很大的開關(guān)損耗。當(dāng)上管開通時(shí)，會(huì)在下管柵極產(chǎn)生阻尼衰減振蕩信號(hào)。更嚴(yán)重的是若振蕩的幅值達(dá)到功率MOSFET的門限電壓，下管將開通，而上管正處于開通狀態(tài)，此時(shí)將造成上下功率管的直通現(xiàn)象，損壞功率管。

開通時(shí)間是影響驅(qū)動(dòng)信號(hào)振蕩幅值的主要因素，二者成反比關(guān)系。適當(dāng)延長(zhǎng)器件的開通時(shí)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(gè)緩沖電阻[5]，人為增加器件的開通時(shí)間，在功率MOSFET的柵源極間并聯(lián)電容以延長(zhǎng)柵極電容的充電時(shí)間，降低電壓變化率，如圖2中的C2，C3。緩沖電阻的阻值要設(shè)置適當(dāng)，因?yàn)檫^大的電阻會(huì)引起更長(zhǎng)的開通和關(guān)斷時(shí)間，不但與減小死區(qū)時(shí)間的要求相違背，而且還會(huì)增加功率MOSFET的開關(guān)損耗，因此要根據(jù)電流容量和電壓的額定值以及開關(guān)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 Ω左右。

緩沖電路參數(shù)通常的選取原則為：

式中f為功率MOSFET的工作頻率。

此外，從布板的角度來說，驅(qū)動(dòng)電路必須靠近MOS管，如圖2中的N2應(yīng)靠近Q2，當(dāng)Q2關(guān)斷，其漏極電壓從低到高時(shí)，柵漏電容的放電電流會(huì)使柵極驅(qū)動(dòng)的連接阻抗壓降升高，若N2離Q2較遠(yuǎn)，即連接阻抗過高，則柵極電壓過高，容易產(chǎn)生誤開啟。另外N2應(yīng)選擇電流能力較強(qiáng)的三極管，提高放電速度，可減小上述振蕩現(xiàn)象。

3 測(cè)試波形

根據(jù)本文的設(shè)計(jì)與優(yōu)化思路，搭建了直流無刷電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)的實(shí)際電路板，并用一臺(tái)250 W的三相直流無刷電機(jī)作為負(fù)載進(jìn)行了測(cè)試，以下是一些測(cè)試波形。

圖4為一對(duì)上下功率MOSFET進(jìn)行互補(bǔ)PWM時(shí)的波形。VG1為上管Q1的柵極電壓，VS1為其源極電壓，波形分辨率都為13.2 V/div；VG2為下管Q2的柵極電壓，3.30 V/div；三個(gè)波形的時(shí)間分辨率都為7.5 μs/div。

圖4 上下功率MOSFET進(jìn)行互補(bǔ)PWM時(shí)的波形

從圖4中可以看出當(dāng)上管Q1導(dǎo)通時(shí)，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(qū)動(dòng)波形VG1，VG2顯示為互補(bǔ)導(dǎo)通，有明顯的死區(qū)時(shí)間，保證了兩開關(guān)管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，該電路較為優(yōu)秀地完成了電機(jī)驅(qū)動(dòng)任務(wù)。

圖5為對(duì)系統(tǒng)中出現(xiàn)的振蕩現(xiàn)象進(jìn)行優(yōu)化前后的測(cè)試波形。VD2為下管Q2的漏極電壓，20 V/div；VG2為Q2柵極電壓，10 V/div；時(shí)間分辨率都是100 ns/div。

圖5 優(yōu)化前后的測(cè)試波形

圖5(a)為優(yōu)化前的情況，可見當(dāng)下管Q2漏極電壓上[JP+1]升時(shí)，其柵極由于上文所述的原因產(chǎn)生較大振蕩，振幅最大15 V左右，這完全能把Q2開啟，造成上下開關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通。

針對(duì)該振蕩問題，按照優(yōu)化思路進(jìn)行調(diào)整，適當(dāng)加大緩沖電阻值，減小驅(qū)動(dòng)三極管到下管柵極的走線長(zhǎng)度，增大驅(qū)動(dòng)三極管的拉電流能力等。再次進(jìn)行測(cè)試，由圖5(b)可以看出，改進(jìn)非常明顯，基本消除了振蕩現(xiàn)象，這對(duì)增加系統(tǒng)的穩(wěn)定與可靠性有非常大的作用。

4 結(jié) 語

本文介紹了一種應(yīng)用于三相無刷直流電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)電路，主要分析了此類電路設(shè)計(jì)中的注意要點(diǎn)以及優(yōu)化方法。本電路由分立元件組成，簡(jiǎn)單可靠、易實(shí)現(xiàn)、成本低，并且從測(cè)試波形可以看出其性能也較為優(yōu)異，可以廣泛應(yīng)用。在今后的設(shè)計(jì)中，若能將該電路集成化，則可更進(jìn)一步簡(jiǎn)化電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高穩(wěn)定性。

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作者簡(jiǎn)介 宋慧濱 女，1963年出生，黑龍江哈爾濱人，工程師。主要從事數(shù)?；旌想娐?、功率器件與電路等方向研究。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。