无刷直流电机驱动器原理(1)docx

发布时间：2024-04-27 11:05:57 | 作者: 半岛在线登录官网

  无刷直流电机驱动器原理 The final edition was revised on December 14th, 2020. 第 2 章 无刷直流电机的驱动原理 驱动方式的理论分析 一、主要器件 MOSFET MOSFET 又称金属-氧化物半导体场效应晶体管，可分为 N 型和 P 型两种，又被称为 NMOSFET 与 PMOSFET。 如图 1 所示， 一块 P 型硅 半导体材料作衬 底，在其面上扩散了两个 N 型区，再在上面覆盖一 层二氧化硅(SiO2）绝缘层，最后在 N 区上方用腐蚀 的方法做成两个孔，用金属化的方法分别在绝缘层 图 1 上及两个孔内做成三个电极：G(栅极）、 S （源极）及 D （漏极），如 图所示。在驱动器上用到的 MOSFET 是在其上反并联一个二极管，该 二极管通常被称为寄生二极管。由于添加了二极管的缘故，从而使其 图 2 没有了反向电压阻断的能力。 通常用时在栅源极间施加一个-5V 的反向偏执电压， 目的 是为了能够更好的保证是器件导通， 噪声电压必须阈值门控 （栅极）电压和负偏置电压之和。 MOSFET 的使用方法和三极管的使用方法几乎类似，都是采用小电流的方式来控制大 电流， 这在模拟电路中经常用到。如图 2 所示，在无刷电机驱动器中使用 MOSFET 主要是 在 MOSFET 的栅源极施加一个寄生二极管。 二、 单相半波逆变器原理 图 2如图 3 所示是单相半波逆变器的原理图。 图 2 图 图 3 工作状态分析如下： 第一个工作状态， v1 导通，负载电压等于 Ud/2,从而使负载电流与电压同向。 第二个工作状态， v2 关短后，负载电流流向 vd2，使得负载上的电压变为-Ud/2。但随着 时间的推移会使负载的电流最终变为 0。 第三个工作状态， v2 导通，使得负载中出现了负电压和负电流。 第四个工作状态， v2 关断造成 vd2 正向偏置，得负载电压变为 Ud/2。 如果电压为横坐标 u，电流为竖坐标 i 的话，那么通过上面四个状态就可以是电流和 电压在四个象限内轮流工作。因此，采用一定的方法经过控制 v1 和 v2 的导通时间就可以 达到控制负载上电流和电压按照一定的频率来轮换着工作。 但是上面的变换有一些缺点。例如，在任何时刻加载在负载上的电压都是全部电压的 一半。假如咋某个时刻对于功率额定的器件，电压减半后会使电流变为原来的两倍，同时 又欧姆定律可知这时的发热会变为原来的次方倍。这对于器件来说会造成更大的风险 。 另 外电压只能在最大电压的一半， 没办法为 0V，那就会是器件造成更大的波纹度。 三 、 三相逆变电路 原理如图所示 由单项桥的原理来分析三相桥电路 。每个负载由两个上下桥臂共同连接，中间是连接 在一起的没有中心线的星 型连接方式。中点电压有 桥臂上下开关器件的开关 状态所决定。假定每一相 的桥臂在任意给定时刻均 有一个开关器件的导通。当开关的一个关断时，该相电流就会流到另一的反向二极管上。 但是开通每相桥臂开关和关断桥臂开关的时候需要预留足够的时间，防止造成直流供电电 源的短路。 通过原理可以看出来，只要控制每一相的上下桥臂的导通时间就能控制每相上的电 流和电压。以此设计驱动器的目的是为了更好的控制导通的时间，也可以用导通的占空 图 4 比来表示。 电机控制原理 一、旋转运动的过程 直流无刷电机首先是通过位置传感器检验测试到电机转子的位置，这里用到的传感器主要 有旋转变压器、霍尔元件、正交编码器、光电开关等。然后根据检验测试到转子的位置开启或 者关闭相应的 mos 管电路已达到控制电机的目的。如图 4 所示，上面三个 mos 管分别为 Q1、Q2、Q3 统称为上桥臂， 而下面三个 Q4、Q5、Q6 统称为下桥臂。当 mos 管导通时，电 流流经无刷直流电机的电枢，使流经的电流方向与磁场方向成 90 度，从而通过电机线圈 产生的磁场与无刷直流电动机内部原有的磁场相作用， 推动电动机转动。但这并不能一直 转动下去 。 因此，当电机旋转过一定的角度有就需要改变 mos 管的导通顺序，继续使通电 线 度。通常情况下导通的 mos 管是一组桥臂的上桥臂和另外一组的下桥 臂，但是一定不可以同时导通一组桥臂的上下两个桥臂。 因为这样会使电源出现短路， 烧坏 元器件。 二、导通时间和频率的确定 改变 mos 管导通的时间和导通频率来实现对电机参数的控制，通常情况下这种技术成 为脉冲宽度调制技术，也被成为 pwm 控制方式 。 实现 pwm 的方案有很多，但是都要实现 以下几点：1.通过 pwm 信号和比较信号来产生控制信号。 2.通过指令信号的采样来产生 pwm 的占空比。

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