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「干货」详细BLDC驱动程序—五款无刷电机驱动电路

2018-06-01  电机CAD





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五款无刷电机驱动电路


1、三相六臂全桥驱动电路

无刷直流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12 V.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1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。


图1 直流无刷电动机计算机控制原理图


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。


由于MCU的IO引脚都存在杂散电感,与栅极电容串联形成LC振荡,加入电阻后会增大振荡阻尼而减小振荡;当对栅极加驱动电压时,会对栅源电容Ciss充电,此时Vgs上升但未到达阈值电压Vgs(th)时Vds基本不变,这段时间称为导通延迟时间td(on)。


当Vgs》Vgs(th)时,Vds下降同时id上升,这期间栅极和漏极之间的传输反向电容Crss开始向漏极放电,而此时栅极电流会流向该电容对其充电,但基本没有对Ciss充电,所以Vgs基本保持不变,这段时间称为上升时间tr,tr之后才会继续对Ciss充电。电容充电的尖峰电流可以计算如下:I=Qg/(td+tr),其中Qg=Qgs+Qgd,即td+tr时间内的充电电量,计算结果电流是远大于MCu的IO口输出驱动电流,因此通过串联电阻,增加充电时间,即t=RC。


但这会导致Vgs的上升沿和Vds的下降沿斜率减小,影响MOSFET的开关性能,所以电阻的选取要准确。(此处理论知识分析可能不正确,我也在学习MOSFET的驱动应用原理,若有误或需要补充会再做修改)


防止漏源击穿的原因也是和电容的时间常数有关,当栅极驱动电压快速关断,漏源极从导通状态变为截止状态,Vds迅速增加,当dVds/dt过大就会击穿器件,串联电阻可以减缓Ciss的放电时间,使Vgs缓慢变化,因此Vds不会迅速增加。


P-MOS的Vgs(th)《0,源极一般加11V电压,MCU的IO口无法正常控制P-MOS的开关,我们需要用三级管驱动栅极,三极管由IO口驱动控制。电阻R1/R2/R3上拉栅极电压,使P-MOS能关断。这个电阻不能太小,否则会造成三极管导通时承受过大的电流。同时电阻也不能太大,否则会增加三极管BC极间电容的充电时间,延长三极管的导通时间,进而影响P-MOS栅极电压Vgs的上升时间。


三极管的选择不能选用我们常用的8050或9013小信号的三极管,它们的耐压和导通电流太低,所以这里我选择了SS8050(MK中使用的三极管找不到)。


R4/R5/R6阻值的选择无特别要求,只要使三极管工作在饱和区即可。


三相直流无刷电机驱动程序























(来源:网络)

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