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。

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