一種消除無刷直流電機換相死區的方案設計

2020-12-08 電子產品世界

　　徐敬成1，凌  雲2（1. 江蘇省溧水中等專業學校，江蘇 南京 211200；2. 湖南工業大學，湖南 株洲 412007）
　　摘  要：為避免無刷直流電機在換相時因上下橋臂直通而造成電源和開關器件損壞，設計了一種消除換相死區的方案。先由信號延時電路錯開兩路互補PWM波，再通過死區觸發電路在換相極短的時間內控制全部開關器件斷開，從而使得流過上下橋臂不會發生直通現象，能夠有效解決上述換相死區問題。
　　關鍵詞：無刷直流電機；直通；換相；死區

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/202001/409334.htm

　　0 引言

　　無刷直流電機在做換相時，其橋臂上電力電子開關器件的導通狀況往往不是十分理想。當逆變器由於切換不及時導致同側上下橋臂直通時，如果兩端施加電壓，將導致電源短路和橋臂電力電子開關器件損壞[1]。因此為了避免上下橋臂直通，必須在其開通和關斷之間加入一定的延時時間，也就是死區時間。根據開關器件特性，周期切換時開關器件的導通狀況如圖1所示。對於同一個開關器件，導通時電流落後電壓時間為 t1 ，電流上升時間為 t2 ；關斷時電流落後電壓時間為 t3 ，電流下降時間為 t4 。通常情況下， t3 與 t4 之和往往大於 t1 與 t2之和，前者是後者的幾倍。兩者之間的差值就是控制系統所具備的最小死區時間。通常情況下，最佳死區時間視具體情況要幾倍於最小死區時間。死區時間也不是越大越好，過大會導致輸出波形失真以及輸出效率降低。

　　現在應用最廣泛的換相死區調整方法是通過PWM控制技術來優化換相死區。文獻[2]通過對開關器件管壓降進行補償來優化調節特性的死區。文獻[3]提出一種自適應消除PWM死區的方法，能夠負載變化自動計算出最優電感電流過零區域寬度，從而取得最佳死區消除效果。本文提出一種先通過信號延時使得兩路互補PWM波錯開極短時間，在此前提下再由死區觸發電路提供一段在死區時段內能關斷所有開關器件的觸發控制時間，從而避免出現上下橋臂直通現象。
　　1 系統方案設計

　　無刷直流電機控制系統框圖如圖2所示。單片機控制模塊發出兩路互補PWM信號P1和P2，其中信號P1分別經過信號延時電路和死區觸發電路得到延時信號P6和觸發控制信號P5，接著P2和P6兩路信號控制光耦內部的通斷，而信號P5則決定光耦信號能否輸出至電機驅動模塊。

　　2 電路設計

　　2.1 單片機控制模塊

　　單片機控制電路如圖3所示。通過調整電位器RW1接入電路的阻值可以設置不同等級的速度給定電壓，由單片機引腳P0.1接收後通過內部ADC將速度大小的模擬量轉換為數字量。另外開關 SW1 的通斷可以控制單片機引腳P0.2的電平高低，從而設置電機旋轉方向。單片機通過內部定時器發出互補PWM波，分別通過引腳P1.0和P1.1輸出。霍爾脈衝信號和電機驅動電路保護信號則分別輸入至單片機引腳P1.2和P0.0。

　　2.2 信號延時與死區觸發模塊

　　信號延時與死區觸發電路如圖4所示，相關信號波形如圖5所示。輸入端TP 1中的信號P 1經過電阻 R2 、電容 C1 和驅動門U 1實現了信號延遲，得到延遲後的信號P 6，通過輸出 端 TP6 輸 出 。 信號延遲時間 T1 由電阻 R2 與電容 C1 的乘積決定。信號P 1經信號延時電路輸出的信號P 6，其脈衝信號電平改變的時刻要稍稍晚於信號P2，這樣一來就為消除無刷直流電機換相死區做了初步處理。電容 C2 、電阻 R3 、二極體 D1 和反相器U 2組成針對輸入信號P1的上升沿檢測電路，即反相器U2的輸出信號P3為檢測到信號P1上升沿之後輸出與之相應的負脈衝[4]。同樣的，反相器U3、U4、電容 C3 、電阻 R4 和二極體 D2 組成針對輸入信號P1的下降沿檢測電路。當輸入信號P3、P4中有負脈衝產生時，與非門U5輸出一個正脈衝信號P5，即死區觸發信號，通過輸出端TP5輸出。驅動門U1可以由2個帶施密特輸入的反相器組成，反相器U2、U3、U4可以選擇CD40106，與非門U5可以選擇74HC14。

　　嚴格來說， T1 包括RC電路遲滯時間以及門電路U1的延遲時間。在選擇參數時，要使死區觸發持續時間要適當大於信號延遲時間，即 T2 的值和 T3 的值均大於 T1的值，這樣可以保證在死區觸發時段內分時控制信號能在極短時間內錯開。

　　2.3 觸發控制模塊

　　觸發控制電路如圖6所示。光耦晶片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 可以起到保護電路的作用，死區觸發信號P5控制三極體 T1 、 T2 的通斷，結合光耦晶片共同控制開關器件控制端GA、GB的電平高低。

　　2.4 無刷直流電機驅動模塊

　　無刷直流電機驅動電路如圖7所示。驅動模塊採用H橋控制方式[5]，其中逆變電路上橋臂開關管 VT1 和VT3 選用P溝道MOS管，下橋臂開關管 VT2 和 VT4 選用N溝道MOS管。Hall電路用於檢測轉子位置信號，得到脈衝反饋信號傳輸至單片機來進行閉環調速。 If 為過流保護端，通過調整採樣電阻 R9 的阻值即可設定過流值。 N 溝道和 P 溝道 MOS 管可以分別選用 IRF540和 IRF9540 。

　　3 結論

　　本文闡述了無刷直流電機換相死區問題，並且設計了一種消除無刷直流電機換相死區的方案。先由信號延時電路錯開兩路互補PWM波來對換相死區做初步處理，再通過上升、下降沿檢測電路獲得死區觸發信號，在流過上下橋臂開關器件的電流將要發生直通時，設置極短的時間使得全橋開關器件關斷，有效解決了上述換相死區問題。該方案不但結構簡單，易於製造，而且還可以在此電路基礎上做更為先進的設計改造。
　　參考文獻

　　[1]毛華龍. 逆變器死區效應與補償方法的研究[D].上海:上海大學,2014.
　　[2]徐祖華,盛義發,朱慧玲.減小無刷直流電動機死區的研究[J].南華大學學報(理工版),2002(04):71-73+78.
　　[3]楊波,吳建德,李武華,何湘寧. 在線自適應PWM死區消除方法[J].電工技術學報,2011,26(11):45-52.
　　[4]凌雲,徐敬成,侯文浩,等. 自耦補償式交流穩壓器[P]. 湖南省：CN109471478A,2019-03-15.
　　[5]徐敬成,凌雲,李明,侯文浩.新型直流電機PWM調速裝置設計[J].新型工業化,2018,8(07):12-16.

　　本文來源於科技期刊《電子產品世界》2020年第02期第33頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。

相關焦點

  • 無霍爾直流無刷電機換相原理?
    現市場上使用的直流無刷電機可分為有霍爾直流無刷電機和無霍爾直流無刷電機，前幾年來大多數廠家會選擇使用有霍爾直流無刷電機，但有霍爾直流無刷電機需要配套比較複雜的霍爾傳感器，對電機的可靠性和製造工藝帶來不利的因素，例如：安裝霍爾傳感器會增加電機的體積大小，若是傳感器的信號傳輸線比較多，那很容易造成對電機的幹擾
  • 直流無刷電機產生轉矩波動的原因_如何降低轉矩波動
    理論上可獲得與轉角無關的均勻輸出轉矩，良好設計的系統可做到3%以下的低紋波轉矩。而方波驅動定子磁場是非連續、步進式旋轉，從電磁轉矩產生原理就決定了直流無刷電機轉矩波動比正弦波驅動要大許多。儘管在反電動勢為梯形波，平頂寬度120°電角度，定子電流為方波的理想情況下，不考慮換相過程時，產生的電磁轉矩將為恆值，理論上沒有轉矩波動。
  • 如何降低無刷直流(BLDC)電機的扭矩和轉向脈動?
    出於經濟和環境方面的考慮，電動汽車（EV）成為人們關注的焦點，試圖提出減少燃油消耗的解決方案。電機是任何電動汽車傳動鏈中最重要的部分之一，在這方面，與其他類型的電機相比，無刷直流（BLDC)電機具有許多優勢，因此前景十分廣闊。
  • 直流無刷電機(BLDC)方波驅動
    下圖是無刷直流電機三相橋驅動示意圖：圖 1 無刷直流電機功率部分和拓撲圖六步換相驅動是一種三相Y型連接BLDC電機的常用方法。在電機運轉過程中，當正向的磁感線穿過霍爾傳感器，傳感器輸出「1」，反之，輸出「0」。由於3個霍爾傳感器均勻安裝在360度電角度，當電機運轉一個電氣周期（360）時，每個霍爾傳感器的電平會發生兩次翻轉，總共發生6次電平翻轉，由於傳感器是均勻分布的，所以每次翻轉剛好相差60度電角度，這正是電機兩次換相相差的電角度。
  • 無刷直流電機的結構與特性
    無刷直流電機的電機本體在結構上與看永磁同步電機類似，只是沒籠型繞組和它的啟動裝置。它的定子繞組可以是簡單的單相，也可以使三相以上的結構，電樞繞組的連接方式主要有星形和三角形連接兩種，電子換相電路一般有橋式和非橋式兩種，它們可以組成很多變化形式。下面就是最常見的兩兩三相星形六狀態永磁無刷直流電機的工作原理簡單分析。
  • 直流小功率電機驅動電路設計
    簡介 直流小功率電機廣泛適用於家電、工控、計算機等諸多設備，直流電機的種類也非常多，通常可以分為有刷和無刷兩大類。電機的驅動器件和驅動電路也非常成熟和多樣。本文主要以常見的幾種驅動方式和器件為例，重點闡述了各種驅動電路設計的重點和要點。
  • 無刷電機是交流電還是直流電
    無刷電機的特性就是一切具備直流電機外部特性的採用電子換相的電機統稱為無刷電機。由於無刷電機的出現，打破了交流，直流調速系統之間的嚴格界限。在無刷電機的發展史中曾出現兩種區別較大的無刷電機結構形式，即無刷直流電機和交流式換向無刷電機。
  • 電機製造業為什麼會趨向於定製直流電機,而不是選用標準電機?
    直流電機一種用直流電運行的電機，直流電機通常是有刷的或同步的，有刷直流電機通過內部換向、固定永磁體和旋轉的電磁鐵直接從提供給電機的直流電中產生轉矩。無刷直流電機具有起動成本低、可靠性高、調速簡單等優點，缺點包括高強度使用的高維護性和低壽命，同步直流電機（如無刷直流電機和步進電機）需要外部換相來產生轉矩。無刷直流電機在轉子中使用旋轉的永磁體，在電機外殼上使用固定的電磁鐵以及將直流電轉換為交流電的電機控制器。
  • 無刷直流電機控制器UCC3626的原理及應用
    摘要：介紹了無刷直流電機控制器專用集成晶片UCC3626的內部結構、功能特點和基本原理，給出了採用UCC3626和IR2110構成三相無刷直流電機速度控制電路的設計方法。
  • 無刷電機方案設計
    鼎盛合分享無刷直流電機方案。無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產品。由於無刷直流電動機是以自控式運行的，所以不會像變頻調速下重載啟動的同步電機那樣在轉子上另加啟動繞組，也不會在負載突變時產生振蕩和失步。
  • 空心杯電機與直流無刷電機的區別
    打開APP 空心杯電機與直流無刷電機的區別 發表於 2019-09-20 11:28:50 　　空心杯電機主要功能 　　空心杯電機相比於鐵芯電機
  • 為什麼市場趨向於定製直流電機,而不是選用標準電機
    直流電機一種用直流電源運作的電機，直流電機一般 是有刷的或同歩的，有刷直流電機根據內部換相、固定不動永磁材料和轉動的電磁線圈立即從出示給電機的直流電源中造成轉距。直流無刷電機具備啟動低成本、可信性高、變速簡易等優勢，缺陷包含高韌性應用的高可維護性和低使用壽命，同歩直流無刷電機（如有刷電機直流無刷電機和伺服電機）必須外界換相來造成轉距。無刷直流電機在轉子上使用不旋轉的永久磁鐵，在電機外殼上使用固定的電磁鐵和將直流電力轉換為交流電力的電機控制器。
  • 學術綜述︱無軸承無刷直流電機的研究、應用及發展趨勢
    討論了微型飛輪儲能系統對於組件層次和系統級的優化設計過程，組件層次優化主要是軸承、驅動器和無刷直流電機的離散優化，系統級優化主要通過設計部件的尺寸以及位置來獲得最大的能量儲存能力；並且對飛輪儲能系統的能量密度進行檢測，發現檢測到的能量密度遠比預期的小，提高能量密度有兩種方法，一種是提高轉速，另一種是改變結構，之後的研究以這兩點為中心來提高飛輪儲能系統的能量密度。
  • 使用無傳感器技術的無刷直流電機的位置和速度控制及其應用趨勢
    憑藉高功率密度，堅固的結構的優勢，無刷直流 （BLDC）電機在許多應用領域中發揮了重要作用，特別在高性能應用。例如，採用工具機和機器人中的伺服器位置傳感器，能夠成功啟動和操作。由於成本的問題， 低性能應用，空間受限以及位置傳感器的可靠性推動了無傳感器控制的研究。
  • 無刷直流電機的保護電路方案
    本文給出幾種電機的保護方案，它不僅響應速度快，控制可靠，而且大大地降低了保護裝置的生產成本。該保護電路與傳統的保護電路相比，省去了熱繼電器、交流接觸器等保護裝置的能耗，與電機為一體。經測試驗證，效果良好。
  • 一文讀懂無刷直流電機工作原理 附3D動態說明視頻
    無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產品。 無刷電機是指無電刷和換向器（或集電環）的電機，又稱無換向器電機。早在十九紀誕生電機的時候，產生的實用性電機就是無刷形式，即交流鼠籠式異步電動機，這種電動機得到了廣泛的應用。
  • 無刷電機與有刷電機的區別,這樣看一目了然!
    ：無刷直流電機由電動機主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產品。 2、無刷電機工作原理 無刷電機中，換相的工作交由控制器中的控制電路(一般為霍爾傳感器+控制器，更先進的技術是磁編碼器)來完成。
  • 談談無刷直流電機
    本篇博客涵蓋了無繩、電池供電型產品的關鍵特性，包括促進其不斷演進的因素及發展路途中的眾多挑戰；介紹了微處理器與無刷直流電機如何在改變我們今天所使用的電動工具中發揮了重要作用。此外，文章還探討了電動工具中無刷直流電機的引入，及為製造商帶來怎樣的競爭優勢。
  • 微型直流電機無刷馬達介紹
    微型有刷電機在微型電機中，根據結構與工作原理可以分為有刷直流電機和無刷直流電機。而無刷直流微電機是除了有刷電機之外使用較多的一種微型電機，它沒有採用電刷裝置，沒有了電刷的摩擦大大的增加了使用壽命，降低了微型電機的噪音，但是無刷微型電機價格比較貴，在航模產品應用比較多。在控制方面必須通過電調控制才能實現不斷的運轉，碳刷微型電機旋轉是繞組，無刷電機無論是外轉子還是內轉子結構旋轉都是磁鐵。
  • 空心杯電機與直流無刷電機有什麼區別?——新和電機
    空心杯電機與直流無刷電機有什麼區別?很多不了解空心杯電機和直流無刷電機的朋友並不清楚它們之前的區別，下面新和電機來給大家詳細的介紹一下。空心杯電機與直流無刷電機的區別：1、空心杯電動機在結構上突破了傳統電機的轉子結構形式，採用的是無鐵芯轉子，也叫空心杯型轉子。