徐敬成 凌云

摘要：為避免無刷直流電機(jī)在換相時(shí)因上下橋臂直通而造成電源和開關(guān)器件損壞，設(shè)計(jì)了一種消除換相死區(qū)的方案。先由信號(hào)延時(shí)電路錯(cuò)開兩路互補(bǔ)PWM波，再通過死區(qū)觸發(fā)電路在換相極短的時(shí)間內(nèi)控制全部開關(guān)器件斷開，從而使得流過上下橋臂不會(huì)發(fā)生直通現(xiàn)象，能夠有效解決上述換相死區(qū)問題。

關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī);直通;換相;死區(qū)

0引言

無刷直流電機(jī)在做換相時(shí)，其橋臂上電力電子開關(guān)器件的導(dǎo)通狀況往往不是十分理想。當(dāng)逆變器由于切換不及時(shí)導(dǎo)致同側(cè)上下橋臂直通時(shí)，如果兩端施加電壓，將導(dǎo)致電源短路和橋臂電力電子開關(guān)器件損壞。因此為了避免上下橋臂直通，必須在其開通和關(guān)斷之間加入一定的延時(shí)時(shí)間，也就是死區(qū)時(shí)間。根據(jù)開關(guān)器件特性，周期切換時(shí)開關(guān)器件的導(dǎo)通狀況如圖1所示。對(duì)于同一個(gè)開關(guān)器件，導(dǎo)通時(shí)電流落后電壓時(shí)間為t1，電流上升時(shí)間為t2;關(guān)斷時(shí)電流落后電壓時(shí)間為t3，電流下降時(shí)間為t4。通常情況下，t3與t4之和往往大于t1與t3之和，前者是后者的幾倍。兩者之間的差值就是控制系統(tǒng)所具備的最小死區(qū)時(shí)間。通常情況下，最佳死區(qū)時(shí)間視具體情況要幾倍于最小死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間也不是越大越好，過大會(huì)導(dǎo)致輸出波形失真以及輸出效率降低。

現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的換相死區(qū)調(diào)整方法是通過PwM控制技術(shù)來優(yōu)化換相死區(qū)。文獻(xiàn)[2]通過對(duì)開關(guān)器件管壓降進(jìn)行補(bǔ)償來優(yōu)化調(diào)節(jié)特性的死區(qū)。文獻(xiàn)[3]提出一種自適應(yīng)消除PwM死區(qū)的方法，能夠負(fù)載變化自動(dòng)計(jì)算出最優(yōu)電感電流過零區(qū)域?qū)挾?，從而取得最佳死區(qū)消除效果。本文提出一種先通過信號(hào)延時(shí)使得兩路互補(bǔ)PwM波錯(cuò)開極短時(shí)間，在此前提下再由死區(qū)觸發(fā)電路提供一段在死區(qū)時(shí)段內(nèi)能關(guān)斷所有開關(guān)器件的觸發(fā)控制時(shí)間，從而避免出現(xiàn)上下橋臂直通現(xiàn)象。

1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。單片機(jī)控制模塊發(fā)出兩路互補(bǔ)PwM信號(hào)P1和P2，其中信號(hào)P1分別經(jīng)過信號(hào)延時(shí)電路和死區(qū)觸發(fā)電路得到延時(shí)信號(hào)P6和觸發(fā)控制信號(hào)P5，接著P2和P6兩路信號(hào)控制光耦內(nèi)部的通斷，而信號(hào)P5則決定光耦信號(hào)能否輸出至電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

2電路設(shè)計(jì)

2.1單片機(jī)控制模塊

單片機(jī)控制電路如圖3所示。通過調(diào)整電位器RWl接入電路的阻值可以設(shè)置不同等級(jí)的速度給定電壓，由單片機(jī)引腳P0.1接收后通過內(nèi)部ADC將速度大小的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。另外開關(guān)SW1的通斷可以控制單片機(jī)引腳P0.2的電平高低，從而設(shè)置電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。單片機(jī)通過內(nèi)部定時(shí)器發(fā)出互補(bǔ)PWM波，分別通過引腳P1.0和P1.1輸出?；魻柮}沖信號(hào)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路保護(hù)信號(hào)則分別輸入至單片機(jī)引腳P1.2和P0.0。

2.2信號(hào)延時(shí)與死區(qū)觸發(fā)模塊

信號(hào)延時(shí)與死區(qū)觸發(fā)電路如圖4所示，相關(guān)信號(hào)波形如圖5所示。輸入端TP1中的信號(hào)P1經(jīng)過電阻R2、電容C1和驅(qū)動(dòng)門u1實(shí)現(xiàn)了信號(hào)延遲，得到延遲后的信號(hào)P6，通過輸出端TP6輸出。信號(hào)延遲時(shí)間T1由電阻R2與電容G的乘積決定。信號(hào)P1經(jīng)信號(hào)延時(shí)電路輸出的信號(hào)P6，其脈沖信號(hào)電平改變的時(shí)刻要稍稍晚于信號(hào)P2，這樣一來就為消除無刷直流電機(jī)換相死區(qū)做了初步處理。電容C2、電阻R3、二極管D1和反相器U2組成針對(duì)輸入信號(hào)P1的上升沿檢測(cè)電路，即反相器U2的輸出信號(hào)P3為檢測(cè)到信號(hào)P1上升沿之后輸出與之相應(yīng)的負(fù)脈沖[4]。同樣的，反相器U3、U4、電容C3、電阻R4和二極管D2組成針對(duì)輸入信號(hào)P1的下降沿檢測(cè)電路。當(dāng)輸入信號(hào)P3、P4中有負(fù)脈沖產(chǎn)生時(shí)，與非門U5輸出一個(gè)正脈沖信號(hào)P5，即死區(qū)觸發(fā)信號(hào)，通過輸出端TP5輸出。驅(qū)動(dòng)門U1可以由2個(gè)帶施密特輸入的反相器組成，反相器U2、U3、u4N以選擇CD40106，與非門u5N以選擇74HCl4。

嚴(yán)格來說，T1包括RC電路遲滯時(shí)間以及門電路U1的延遲時(shí)間。在選擇參數(shù)時(shí)，要使死區(qū)觸發(fā)持續(xù)時(shí)間要適當(dāng)大于信號(hào)延遲時(shí)間，即T2的值和T3的值均大于T1的值，這樣可以保證在死區(qū)觸發(fā)時(shí)段內(nèi)分時(shí)控制信號(hào)能在極短時(shí)間內(nèi)錯(cuò)開。

2.3觸發(fā)控制模塊

觸發(fā)控制電路如圖6所示。光耦芯片U6、U7可以選擇TLP521。通過選擇合適的輸入限流電阻R5、R8和輸出限流電阻R6、R9可以起到保護(hù)電路的作用，死區(qū)觸發(fā)信號(hào)P5控制三極管T1、T2的通斷，結(jié)合光耦芯片共同控制開關(guān)器件控制端GA、GB的電平高低。

2.4無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示。驅(qū)動(dòng)模塊采用H橋控制方式，其中逆變電路上橋臂開關(guān)管VT1和VT3選用P溝道MOS管，下橋臂開關(guān)管VT2和VT4選用N溝道MOS管。Hall電路用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，得到脈沖反饋信號(hào)傳輸至單片機(jī)來進(jìn)行閉環(huán)調(diào)速。If為過流保護(hù)端，通過調(diào)整采樣電阻R9的阻值即可設(shè)定過流值。N溝道和P溝道MOS管可以分別選用IRF540和IRF9540。

3結(jié)論

本文闡述了無刷直流電機(jī)換相死區(qū)問題，并且設(shè)計(jì)了一種消除無刷直流電機(jī)換相死區(qū)的方案。先由信號(hào)延時(shí)電路錯(cuò)開兩路互補(bǔ)PWM波來對(duì)換相死區(qū)做初步處理，再通過上升、下降沿檢測(cè)電路獲得死區(qū)觸發(fā)信號(hào)，在流過上下橋臂開關(guān)器件的電流將要發(fā)生直通時(shí).設(shè)置極短的時(shí)間使得全橋開關(guān)器件關(guān)斷.有效解決了上述換相死區(qū)問題。該方案不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造.而且還可以在此電路基礎(chǔ)上做更為先進(jìn)的設(shè)計(jì)改造。