一種消除無(wú)刷直流電機(jī)換相死區(qū)的方案設(shè)計(jì)

　　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(wú)刷直流電機(jī)在換相時(shí)因上下橋臂直通而造成電源和開(kāi)關(guān)器件損壞，設(shè)計(jì)了一種消除換相死區(qū)的方案。先由信號(hào)延時(shí)電路錯(cuò)開(kāi)兩路互補(bǔ)PWM波，再通過(guò)死區(qū)觸發(fā)電路在換相極短的時(shí)間內(nèi)控制全部開(kāi)關(guān)器件斷開(kāi)，從而使得流過(guò)上下橋臂不會(huì)發(fā)生直通現(xiàn)象，能夠有效解決上述換相死區(qū)問(wèn)題。
　　關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī)；直通；換相；死區(qū)

　　0 引言

　　無(wú)刷直流電機(jī)在做換相時(shí)，其橋臂上電力電子開(kāi)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(shí)導(dǎo)致同側(cè)上下橋臂直通時(shí)，如果兩端施加電壓，將導(dǎo)致電源短路和橋臂電力電子開(kāi)關(guān)器件損壞^[1]。因此為了避免上下橋臂直通，必須在其開(kāi)通和關(guān)斷之間加入一定的延時(shí)時(shí)間，也就是死區(qū)時(shí)間。根據(jù)開(kāi)關(guān)器件特性，周期切換時(shí)開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通狀況如圖1所示。對(duì)于同一個(gè)開(kāi)關(guān)器件，導(dǎo)通時(shí)電流落后電壓時(shí)間為 t₁ ，電流上升時(shí)間為 t₂ ；關(guān)斷時(shí)電流落后電壓時(shí)間為 t₃ ，電流下降時(shí)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(shí)間。通常情況下，最佳死區(qū)時(shí)間視具體情況要幾倍于最小死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間也不是越大越好，過(guò)大會(huì)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(guò)PWM控制技術(shù)來(lái)優(yōu)化換相死區(qū)。文獻(xiàn)^[2]通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)器件管壓降進(jìn)行補(bǔ)償來(lái)優(yōu)化調(diào)節(jié)特性的死區(qū)。文獻(xiàn)^[3]提出一種自適應(yīng)消除PWM死區(qū)的方法，能夠負(fù)載變化自動(dòng)計(jì)算出最優(yōu)電感電流過(guò)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(guò)信號(hào)延時(shí)使得兩路互補(bǔ)PWM波錯(cuò)開(kāi)極短時(shí)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(shí)段內(nèi)能關(guān)斷所有開(kāi)關(guān)器件的觸發(fā)控制時(shí)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(jì)

　　無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。單片機(jī)控制模塊發(fā)出兩路互補(bǔ)PWM信號(hào)P1和P2，其中信號(hào)P1分別經(jīng)過(guò)信號(hào)延時(shí)電路和死區(qū)觸發(fā)電路得到延時(shí)信號(hào)P6和觸發(fā)控制信號(hào)P5，接著P2和P6兩路信號(hào)控制光耦內(nèi)部的通斷，而信號(hào)P5則決定光耦信號(hào)能否輸出至電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

　　2 電路設(shè)計(jì)

　　2.1 單片機(jī)控制模塊

　　單片機(jī)控制電路如圖3所示。通過(guò)調(diào)整電位器RW₁接入電路的阻值可以設(shè)置不同等級(jí)的速度給定電壓，由單片機(jī)引腳P0.1接收后通過(guò)內(nèi)部ADC將速度大小的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。另外開(kāi)關(guān) SW₁ 的通斷可以控制單片機(jī)引腳P0.2的電平高低，從而設(shè)置電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部定時(shí)器發(fā)出互補(bǔ)PWM波，分別通過(guò)引腳P1.0和P1.1輸出。霍爾脈沖信號(hào)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路保護(hù)信號(hào)則分別輸入至單片機(jī)引腳P1.2和P0.0。

　　2.2 信號(hào)延時(shí)與死區(qū)觸發(fā)模塊

　　信號(hào)延時(shí)與死區(qū)觸發(fā)電路如圖4所示，相關(guān)信號(hào)波形如圖5所示。輸入端TP 1中的信號(hào)P 1經(jīng)過(guò)電阻 R₂ 、電容 C₁ 和驅(qū)動(dòng)門U 1實(shí)現(xiàn)了信號(hào)延遲，得到延遲后的信號(hào)P 6，通過(guò)輸出 端 TP6 輸 出 。 信號(hào)延遲時(shí)間 T₁ 由電阻 R₂ 與電容 C₁ 的乘積決定。信號(hào)P 1經(jīng)信號(hào)延時(shí)電路輸出的信號(hào)P 6，其脈沖信號(hào)電平改變的時(shí)刻要稍稍晚于信號(hào)P2，這樣一來(lái)就為消除無(wú)刷直流電機(jī)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(duì)輸入信號(hào)P1的上升沿檢測(cè)電路，即反相器U2的輸出信號(hào)P3為檢測(cè)到信號(hào)P1上升沿之后輸出與之相應(yīng)的負(fù)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(duì)輸入信號(hào)P1的下降沿檢測(cè)電路。當(dāng)輸入信號(hào)P3、P4中有負(fù)脈沖產(chǎn)生時(shí)，與非門U5輸出一個(gè)正脈沖信號(hào)P5，即死區(qū)觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)輸出端TP5輸出。驅(qū)動(dòng)門U1可以由2個(gè)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(yán)格來(lái)說(shuō)， T₁ 包括RC電路遲滯時(shí)間以及門電路U1的延遲時(shí)間。在選擇參數(shù)時(shí)，要使死區(qū)觸發(fā)持續(xù)時(shí)間要適當(dāng)大于信號(hào)延遲時(shí)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(shí)段內(nèi)分時(shí)控制信號(hào)能在極短時(shí)間內(nèi)錯(cuò)開(kāi)。

　　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(guò)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(hù)電路的作用，死區(qū)觸發(fā)信號(hào)P5控制三極管 T₁ 、 T₂ 的通斷，結(jié)合光耦芯片共同控制開(kāi)關(guān)器件控制端GA、GB的電平高低。

　　2.4 無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

　　無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示。驅(qū)動(dòng)模塊采用H橋控制方式^[5]，其中逆變電路上橋臂開(kāi)關(guān)管 VT₁ 和VT₃ 選用P溝道MOS管，下橋臂開(kāi)關(guān)管 VT₂ 和 VT₄ 選用N溝道MOS管。Hall電路用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，得到脈沖反饋信號(hào)傳輸至單片機(jī)來(lái)進(jìn)行閉環(huán)調(diào)速。 If 為過(guò)流保護(hù)端，通過(guò)調(diào)整采樣電阻 R₉ 的阻值即可設(shè)定過(guò)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(wú)刷直流電機(jī)換相死區(qū)問(wèn)題，并且設(shè)計(jì)了一種消除無(wú)刷直流電機(jī)換相死區(qū)的方案。先由信號(hào)延時(shí)電路錯(cuò)開(kāi)兩路互補(bǔ)PWM波來(lái)對(duì)換相死區(qū)做初步處理，再通過(guò)上升、下降沿檢測(cè)電路獲得死區(qū)觸發(fā)信號(hào)，在流過(guò)上下橋臂開(kāi)關(guān)器件的電流將要發(fā)生直通時(shí)，設(shè)置極短的時(shí)間使得全橋開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷，有效解決了上述換相死區(qū)問(wèn)題。該方案不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，而且還可以在此電路基礎(chǔ)上做更為先進(jìn)的設(shè)計(jì)改造。
　　參考文獻(xiàn)

　　[1]毛華龍. 逆變器死區(qū)效應(yīng)與補(bǔ)償方法的研究[D].上海:上海大學(xué),2014.
　　[2]徐祖華,盛義發(fā),朱慧玲.減小無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)死區(qū)的研究[J].南華大學(xué)學(xué)報(bào)(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(yīng)PWM死區(qū)消除方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2011,26(11):45-52.
　　[4]凌云,徐敬成,侯文浩,等. 自耦補(bǔ)償式交流穩(wěn)壓器[P]. 湖南?。篊N109471478A,2019-03-15.
　　[5]徐敬成,凌云,李明,侯文浩.新型直流電機(jī)PWM調(diào)速裝置設(shè)計(jì)[J].新型工業(yè)化,2018,8(07):12-16.

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第02期第33頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。