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直流无刷电机驱动原理

作者:电子发烧友  来源:www.51juicy.cn/  更新时间:2020-04-10 11:40:48  点击次数:

  直流无刷电机驱动原理

  一、功能简介

  随着电力电子技术、微处理器以及现代控制理论的发展,无刷直流电机控制方案也逐渐用电子换相和复杂的控制算法代替机械电刷和换相器控制的方案,先进的控制方案既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点,又具备直流电动机的运行效率高、调速性能好等诸多优点,同时克服了有刷直流电机由机械电刷带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短的弊病。

  二、通电相序图

  无刷直流电机的定子是线圈绕组,转子是永磁体。当只给电机的两端通固定电流时,电机的定子绕组只能产生不变的磁场,转子永磁体在此不变磁场的作用下会转动到相应的位置,但是电机转子不能持续的转动起来。这时就需要对电机的三相端变换通电的顺序,以产生变化的磁场。下图为电机的通电相序图,描述了使无刷直流电机连续转动的三相端通电相序。

  三、常用驱动电路说明

  1、三相六臂全桥驱动电路

  直流无刷电机驱动控制电路如图1所示。该电路采用三相六臂全桥驱动方式,采用此方式可以减少电流波动和转矩脉动,使得电机输出较大的转矩。在电机驱动部分使用6个功率场效应管控制输出电压,四轴飞行器中的直流无刷电机驱动电路电源电压为12V.驱动电路中,Q1~Q3采用IR公司的IRFR5305(P沟道),Q4~Q6为IRFR1205(N沟道)。该场效应管内藏续流二极管,为场效应管关断时提供电流通路,以避免管子的反向击穿,其典型特性参数见表1.T1~T3采用PDTC143ET 为场效应管提供驱动信号。

  由图1 可知,A1~A3 提供三相全桥上桥臂栅极驱动信号,并与ATMEGA16单片机的硬件PWM驱动信号相接,通过改变PWM信号的占空比来实现电机转速控制;B1~B3提供下桥臂栅极驱动信号,由单片机的I/O口直接提供,具有导通与截止两种状态。

  无刷直流电机驱动控制采用三相六状态控制策略,功率管具有六种触发状态,每次只有两个管子导通,每60°电角度换向一次,若某一时刻AB相导通时,C相截至,无电流输出。单片机根据检测到的电机转子位置,利用MOSFET的开关特性,实现电机的通电控制,例如,当Q1、Q5打开时,AB相导通,此时电流流向为电源正极→Q1→绕组A→绕组B→Q5→电源负极。类似的,当MOSFET打开顺序分别为Q1Q5,Q1Q6,Q2Q6,Q2Q4,Q3Q4,Q3Q5时,只要在合适的时机进行准确换向,就可实现无刷直流电机的连续运转。

  2、三相全桥驱动电路

  下图为无刷电机的三相全桥驱动电路,使用六个N沟道的MOSFET管(Q1~Q6)做功率输出元件,工作时输出电流可达数十安。为便于描述,该电路有以下默认约定:Q1/Q2/Q3称做驱动桥的“上臂”,Q4/Q5/Q6称做“下臂”。

  图中R1/R2/R3为Q1/Q2/Q3的上拉电阻,连接到二极管和电容组成的倍压整流电路(原理请自行分析),为上臂驱动管提供两倍于电源电压(2×11V)的上拉电平,使上臂MOSFET在工作时有足够高的VGS压差,降低MOSFET大电流输出时的导通内阻,详细数据可参考MOS管DataSheet。上臂MOS管的G极分别由Q7/Q8/Q9驱动,在工作时只起到导通换相的作用。下臂MOS由MCU的PWM输出口直接驱动,注意所选用的MCU管脚要有推挽输出特性。

  3、单片机控制直流无刷电动机驱动及接口电路图

  图中示出采用8751单片机来控制直流无刷电动机的原理框图。8751的P1口同7406反相器联结控制直流无刷电动机的换相,P2口用于测量来自于位置传感器的信号H1、H2、H3,P0口外接一个数模转换器。

  4、电动车无刷电机控制器驱动电路图

  5、全桥驱动电路

  无刷直流电机一般使用全桥驱动,即6个MOSFET分别构成上臂和下臂,通过MCU具有推挽输出的IO口控制,或者使用电机驱动专用芯片控制。最常用的应该是3个P-MOS+3个N-MOS,电路结构简单。如下图所示。

  这里使用的是MK电调V2.0版本中使用的MOSFET,P-MOS—IRFR5305、N-MOS—IRFR1205N-MOS的Vgs(th)=2V~4V,直接用工作在VCC=5V的MCU即可驱动控制,但注意IO口必须具有推挽输出功能,否则IO口的驱动能力不够。图中R7/R8/R9可视为下拉电阻,使N-MOS的栅极电平有一个参考地,电平稳定不会意外导通MOSFET。R10/R11/R12电阻的作用有三个,一是减少振荡,二是减小栅极充电的峰值电流,三是防止N-MOS的漏-源极击穿。

  四、程序设计思路

  无刷直流电机的程序设计思路请参照前面教程中的四相五线步进电机;

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