一種消除無刷直流電機換相死區(qū)的方案設(shè)計

　　徐敬成1，凌? 云2（1. 江蘇省溧水中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 南京 211200；2. 湖南工業(yè)大學(xué)，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(guān)器件損壞，設(shè)計了一種消除換相死區(qū)的方案。先由信號延時電路錯開兩路互補PWM波，再通過死區(qū)觸發(fā)電路在換相極短的時間內(nèi)控制全部開關(guān)器件斷開，從而使得流過上下橋臂不會發(fā)生直通現(xiàn)象，能夠有效解決上述換相死區(qū)問題。
　　關(guān)鍵詞：無刷直流電機；直通；換相；死區(qū)

　　0 引言

　　無刷直流電機在做換相時，其橋臂上電力電子開關(guān)器件的導(dǎo)通狀況往往不是十分理想。當(dāng)逆變器由于切換不及時導(dǎo)致同側(cè)上下橋臂直通時，如果兩端施加電壓，將導(dǎo)致電源短路和橋臂電力電子開關(guān)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(guān)斷之間加入一定的延時時間，也就是死區(qū)時間。根據(jù)開關(guān)器件特性，周期切換時開關(guān)器件的導(dǎo)通狀況如圖1所示。對于同一個開關(guān)器件，導(dǎo)通時電流落后電壓時間為 t₁ ，電流上升時間為 t₂ ；關(guān)斷時電流落后電壓時間為 t₃ ，電流下降時間為 t₄ 。通常情況下， t₃ 與 t₄ 之和往往大于 t₁ 與 t₂之和，前者是后者的幾倍。兩者之間的差值就是控制系統(tǒng)所具備的最小死區(qū)時間。通常情況下，最佳死區(qū)時間視具體情況要幾倍于最小死區(qū)時間。死區(qū)時間也不是越大越好，過大會導(dǎo)致輸出波形失真以及輸出效率降低。

　　現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的換相死區(qū)調(diào)整方法是通過PWM控制技術(shù)來優(yōu)化換相死區(qū)。文獻^[2]通過對開關(guān)器件管壓降進行補償來優(yōu)化調(diào)節(jié)特性的死區(qū)。文獻^[3]提出一種自適應(yīng)消除PWM死區(qū)的方法，能夠負載變化自動計算出最優(yōu)電感電流過零區(qū)域?qū)挾?，從而取得最佳死區(qū)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(qū)觸發(fā)電路提供一段在死區(qū)時段內(nèi)能關(guān)斷所有開關(guān)器件的觸發(fā)控制時間，從而避免出現(xiàn)上下橋臂直通現(xiàn)象。
　　1 系統(tǒng)方案設(shè)計

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

　　2 電路設(shè)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(diào)整電位器RW₁接入電路的阻值可以設(shè)置不同等級的速度給定電壓，由單片機引腳P0.1接收后通過內(nèi)部ADC將速度大小的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。另外開關(guān) SW₁ 的通斷可以控制單片機引腳P0.2的電平高低，從而設(shè)置電機旋轉(zhuǎn)方向。單片機通過內(nèi)部定時器發(fā)出互補PWM波，分別通過引腳P1.0和P1.1輸出?；魻柮}沖信號和電機驅(qū)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(qū)觸發(fā)模塊

　　信號延時與死區(qū)觸發(fā)電路如圖4所示，相關(guān)信號波形如圖5所示。輸入端TP 1中的信號P 1經(jīng)過電阻 R₂ 、電容 C₁ 和驅(qū)動門U 1實現(xiàn)了信號延遲，得到延遲后的信號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(jīng)信號延時電路輸出的信號P 6，其脈沖信號電平改變的時刻要稍稍晚于信號P2，這樣一來就為消除無刷直流電機換相死區(qū)做了初步處理。電容 C₂ 、電阻 R₃ 、二極管 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上升沿之后輸出與之相應(yīng)的負脈沖^[4]。同樣的，反相器U3、U4、電容 C₃ 、電阻 R₄ 和二極管 D₂ 組成針對輸入信號P1的下降沿檢測電路。當(dāng)輸入信號P3、P4中有負脈沖產(chǎn)生時，與非門U5輸出一個正脈沖信號P5，即死區(qū)觸發(fā)信號，通過輸出端TP5輸出。驅(qū)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(shù)時，要使死區(qū)觸發(fā)持續(xù)時間要適當(dāng)大于信號延遲時間，即 T₂ 的值和 T₃ 的值均大于 T₁的值，這樣可以保證在死區(qū)觸發(fā)時段內(nèi)分時控制信號能在極短時間內(nèi)錯開。

　　2.3 觸發(fā)控制模塊

　　觸發(fā)控制電路如圖6所示。光耦芯片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(qū)觸發(fā)信號P5控制三極管 T₁ 、 T₂ 的通斷，結(jié)合光耦芯片共同控制開關(guān)器件控制端GA、GB的電平高低。

　　2.4 無刷直流電機驅(qū)動模塊

　　無刷直流電機驅(qū)動電路如圖7所示。驅(qū)動模塊采用H橋控制方式^[5]，其中逆變電路上橋臂開關(guān)管 VT₁ 和VT₃ 選用P溝道MOS管，下橋臂開關(guān)管 VT₂ 和 VT₄ 選用N溝道MOS管。Hall電路用于檢測轉(zhuǎn)子位置信號，得到脈沖反饋信號傳輸至單片機來進行閉環(huán)調(diào)速。 If 為過流保護端，通過調(diào)整采樣電阻 R₉ 的阻值即可設(shè)定過流值。 N 溝道和 P 溝道 MOS 管可以分別選用 IRF540和 IRF9540 。

　　3 結(jié)論

　　本文闡述了無刷直流電機換相死區(qū)問題，并且設(shè)計了一種消除無刷直流電機換相死區(qū)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(qū)做初步處理，再通過上升、下降沿檢測電路獲得死區(qū)觸發(fā)信號，在流過上下橋臂開關(guān)器件的電流將要發(fā)生直通時，設(shè)置極短的時間使得全橋開關(guān)器件關(guān)斷，有效解決了上述換相死區(qū)問題。該方案不但結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，而且還可以在此電路基礎(chǔ)上做更為先進的設(shè)計改造。
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　　本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第02期第33頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。