無刷電機驅(qū)動的實際信號波形

無刷電機驅(qū)動的實際信號波形

①電流為什么會呈現(xiàn)這樣的波形?

繞組電流與感應(yīng)電壓

②可以明白UH、UL的信號和波形，但放大后UH卻呈脈沖狀(ON/OFF反復(fù))。

脈沖狀的施加電壓

③可以明白U電壓(U相繞組引腳電壓)在UH呈脈沖狀的部分隨著UH呈脈沖狀，在UL導(dǎo)通(ON)的部分為GND電位，但在UH和UL關(guān)斷(OFF)期間的斜率波形是怎樣的?

繞組引腳OFF期間的波形

續(xù)流二極管

④電源電流中含有哪些信息?該電流也是脈沖狀的。

電源電流

無刷電機：脈沖狀的施加電壓

實際的電機驅(qū)動信號波形也有一些是在設(shè)計圖(即時序圖)中無法體現(xiàn)的。接下來將為您介紹其中無法通過此前的介紹內(nèi)容理解的一些關(guān)鍵要點。

無刷電機：脈沖狀的施加電壓

在用示波器觀察電機的各種電信號時，控制功率晶體管ON/OFF的指令信號有可能是脈沖狀的(下圖中的柵極信號UH)。對于電機控制而言，這也是非常重要的一點。

在介紹指令信號變?yōu)槊}沖信號的內(nèi)容之前，我們先來稍微思考一下電機需要具備的功能。很多應(yīng)用設(shè)備都是通過改變電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩來運行的。電風(fēng)扇和空調(diào)風(fēng)扇通過改變電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)風(fēng)量，電車和電動汽車也是通過改變電機的速度和轉(zhuǎn)矩來工作的。而對電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制則是通過調(diào)整所施加的電壓大小實現(xiàn)的。例如，如果是一臺使風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)的電機，那么提高施加電壓將會提高轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩?；谶@個道理，電機和電機控制需要具備調(diào)整所施加電壓大小的功能。

調(diào)整施加電壓主要有兩種方法。一種是改變電源電壓。這是一種被稱為“PAM(Pulse Amplitude Modulation，脈沖幅度調(diào)制)控制”的方法，可以改變所施加電壓的大小(振幅、高低)。

另一種是通過將所施加的電壓變?yōu)槊}沖來改變平均值，這是一種被稱為“PWM(Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制)控制”的方法。這種PWM控制方法，通常通過在基準周期(下圖中的T)中創(chuàng)建Hi和Lo期間，并調(diào)整它們之間的比率，來控制施加的平均電壓。這個周期稱為“PWM周期”，或者轉(zhuǎn)換成表示頻率的值，稱為“PWM頻率”。

PAM控制需要有調(diào)整電源電壓的電路。PWM控制只要能充分利用其使功率晶體管ON/OFF的功能即可，近年來，采用PWM控制方法調(diào)整施加電壓已經(jīng)成為主流的做法。另外，利用這種控制，可以局部調(diào)整電壓的大小，而不是像120度激勵那樣施加均勻電壓，因此控制范圍更大(例：正弦波激勵)。

PWM控制方法中的電壓調(diào)整率用Duty(占空比)表示。例如，當電源電壓為100V、將施加電壓調(diào)整為30V時，會使用“將Duty設(shè)為30%”這樣的表述。

在第一張圖中，示波器觀察到的UH波形是脈沖狀的，這表明這個控制IC(電機驅(qū)動器、控制器)采用的是PWM控制方式的120度激勵。順便提一下，Duty主要是從外部(比如應(yīng)用設(shè)備的控制器等)輸入的控制指令，因此電機驅(qū)動器會配備接收該指令的輸入引腳。

無刷電機：繞組引腳OFF期間的波形

“繞組引腳OFF期間的波形”是指各相高低邊晶體管均關(guān)斷期間繞組引腳表現(xiàn)出來的波形。這種狀態(tài)稱為“開路狀態(tài)”、“OPEN狀態(tài)”、“Hi-Z(高阻態(tài)、高阻抗)”等。在這里我們使用“開路”來表示。

在左圖中虛線圈出的時間點，U相處于開路狀態(tài)，V相電壓處于施加PWM電壓狀態(tài)，W相處于恒定為Lo狀態(tài)。此時，V相和W相的繞組引腳電壓已經(jīng)通過開關(guān)(晶體管)固定在電源電壓或GND中，所以會呈現(xiàn)右圖所示的波形。

由于U相處于開路狀態(tài)，因此出現(xiàn)了圖中以中性點為基準的波形。中性點為V相引腳電壓與W相引腳電壓的分壓值。V相和W相的Z?I(電壓)值大致相同，但由于V相和W相的感應(yīng)電壓大小不同，因此如圖所示，中性點電壓呈現(xiàn)有梯度的脈沖狀波形。另外，由于該中性點電壓上還疊加了U相感應(yīng)電壓，因此U引腳電壓呈現(xiàn)圖中所示的波形。這是120度激勵、高低邊晶體管處于OFF狀態(tài)(開路狀態(tài))的相的繞組引腳波形。

在電機控制中，這種“可以看到含有感應(yīng)電壓的波形的現(xiàn)象”很有使用價值。如上所述，OFF期間(開路狀態(tài))的繞組引腳電壓呈現(xiàn)中性點電壓與感應(yīng)電壓疊加后的波形，因此通過測量以中性點為基準的繞組引腳電壓，即可測出該相的感應(yīng)電壓。

在前面的“無刷電機感應(yīng)電壓產(chǎn)生的原理”中，提到過感應(yīng)電壓是由線圈位置與轉(zhuǎn)子(永磁體)的相對位置決定的。這意味著可以根據(jù)感應(yīng)電壓來推算轉(zhuǎn)子的位置。

不使用霍爾器件等檢測器件，而是利用該原理掌握轉(zhuǎn)子位置的方法被稱為“無傳感器控制”，該方法已經(jīng)得以廣泛應(yīng)用(如前所述，在電機控制中，轉(zhuǎn)子位置的檢測很重要)。順便提一下，這種無傳感器的傳感裝置是指霍爾器件等磁極檢測器或編碼器等轉(zhuǎn)子位置檢測器，需要配備用來檢測感應(yīng)電壓的傳感器。

另外，圖中的波形還有一個需要注意的部分。從圖中可以看出，出現(xiàn)感應(yīng)電壓的U相引腳電壓波形并沒有不受控地下降到一定值以下。下面介紹一下這種現(xiàn)象的原因。

無刷電機：續(xù)流二極管

在用示波器等設(shè)備確認繞組引腳電壓時，如圖中的波形所體現(xiàn)出來的，可以看到在略低于GND電壓時，電壓不再下降。先說結(jié)論，這是因為功率晶體管并聯(lián)著被稱為“續(xù)流二極管”的二極管(參見最下方的電路圖)。

由于存在這個二極管，因此即使繞組引腳試圖將電壓降至低于“GND電位 - 二極管的正向電壓(Vf)” ，因這個二極管導(dǎo)通而使電壓不會降得更低。另外，基于同樣的原因，該電壓也不會超過“電源電壓+Vf”。

順便提一下，續(xù)流二極管的命名中并不像齊納二極管或發(fā)光二極管那樣含有某些特性，而是考慮到其續(xù)流作用而命名的名稱(也許沒有名為“續(xù)流二極管”的商品)。“續(xù)流二極管”也被稱為“Freewheeling Diode”、“反激二極管”等。

這種二極管的作用是在關(guān)閉晶體管時保護電路中的元器件。上圖中標出了使流動著電流的晶體管關(guān)閉時的電流流向。在電機的情況下，電流是流過線圈的，因此當通過關(guān)閉晶體管以停止電流流動時，線圈中會產(chǎn)生電壓(參見圖中的公式。這個公式意味著電流的變化會產(chǎn)生電壓)。當這種電壓很大時，可能會毀壞晶體管。

為了防止這種損壞，會與晶體管并聯(lián)安裝二極管。有了二極管，當被施加低于“Gnd-Vf”或高于“電源電壓+Vf”的電壓時，電流會流經(jīng)二極管并被鉗制(電壓不會過高和過低)，因此可以保護晶體管。

圖中并沒有體現(xiàn)出這種現(xiàn)象，不過在圖中標有“PWM”的上方晶體管中也會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。對于上方晶體管而言，其下方的二極管會成為電流路徑并起到保護作用。

這種本應(yīng)該開路的繞組引腳電壓，因電流流過而“粘附(鉗位狀態(tài))”到電源電壓側(cè)或GND側(cè)的現(xiàn)象，在電機控制電路中經(jīng)常出現(xiàn)。也有一些利用這種現(xiàn)象的控制方法，所以需要了解這種現(xiàn)象。

在某些情況下，可將其他二極管與各功率晶體管并聯(lián)配置作為續(xù)流二極管使用。因結(jié)構(gòu)上的特點，MOSFET內(nèi)部有寄生二極管(體二極管)，因此在其寄生二極管的特性足以起到續(xù)流作用的情況下，通常會直接使用MOSFET中的寄生二極管。所以圖中所示的MOSFET不帶續(xù)流二極管的電路本來是不存在的，為了便于解說，給出了沒有續(xù)流二極管的電路圖。

無刷電機：電源電流

電源電流是在電機運行過程中應(yīng)該確認的主要電信號。從字面看，電源電流的意思是流過電源的電流。前面已經(jīng)講過，在考慮電機的特性時，需要了解流過各相繞組的電流波形。而了解電源電流對于電機控制而言也是非常重要的。(注：這里所說的“電源電流”是指圖中所示的從電源經(jīng)由功率晶體管流入線圈再返回電源的電流。不包括控制IC和晶體管柵極驅(qū)動電流)我們先通過圖片來具體了解一下電源電流。流過電源的電流會隨著功率晶體管的ON/OFF狀態(tài)而變化。下面對圖中a～e的波形狀態(tài)進行解說。

a：電流從U相上方晶體管流過繞組，從W相下方返回電源。因此，電源電流呈現(xiàn)與U相繞組電流相同的波形。

b：上方晶體管OFF，電流流過U相下方的續(xù)流二極管。此時，沒有流向電源的電流。

c：當U相PWM區(qū)間結(jié)束后，流過U相的電流流經(jīng)二極管的同時逐漸減小，最終變?yōu)榱?。此時的電流并不會出現(xiàn)在電源電流中。

d：這部分與a相同，電流從V相流向W相，并且出現(xiàn)流向電源的電流。

e：這部分與b相同。

如上所述，電源電流的波形隨著功率晶體管的ON/OFF邏輯而變化，并呈脈沖狀波形(無論流過的電流量是否與繞組電流相同)。

之所以需要了解電源電流，是因為電源電流中含有繞組電流信息，而電機控制中需要用到這些信息。在電機控制中，掌握繞組電流值很重要，但如果想直接檢測繞組電流，則需要電流傳感器或隔離放大器等特殊電路。相比之下，電源電流方式的優(yōu)點是可以通過在下圖所示位置配置電阻(稱為“分流電阻”)，并將一側(cè)作為GND電位來檢測其兩端的電壓。

檢測值可用于：

?限制電流(控制電流，防止電流過大)

?各種控制(根據(jù)繞組電流值推算感應(yīng)電壓、檢測電流相位等)

來源：techclass.rohm

審核編輯：湯梓紅