无刷直流电机驱动器原理

图1第2章无刷直流电机的驱动原理2.1驱动方式的理论分析一、主要器件MOSFETMOSFET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，从而使其没有了反向电压阻断的能力。一般使用时在栅源极间施加一个-5V的反向偏执电压，目的是为了保证是器件导通，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如图3所示是单相半波逆变器的原理图。对其工作状态分析如下：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，采用一定的方法通过控制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，同时图2图3图2图4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，以免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可以控制每相上的电流和电压。以此设计驱动器的目的就是为了更好的控制导通的时间，也可以用导通的占空比来表示。2.2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测到电机转子的位置，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。然后根据检测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，继续使通电线圈与定磁场成90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，但是绝对不能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，但是都需要实现以下几点：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。