电动汽车驱动电机实训报告.docx

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电动汽车驱动电机实训报告

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汽工1302

黄祥吉

图给出三相BLDCM控制系统的六开关逆变器拓扑图。

根据无刷直流电机的特点，为了减小转矩脉动，提高电机控制性能，要求加在电机定子上的电流为方波，并与电机的梯形反电动势严格同步，每相电流导通120。

表给出图所示的六开关逆变器的开关器件导通顺序。

由表可见，六开关逆变器中，根据开关器件的状态，可组成6个状态组合或电压矢量，即：

（0，一1，1）、（1，一1，0）、（1，0，一1）、（0，1，一1）、（一1，1，0）、（一1，0，

1），其中，1表示上桥臂导通，一1表示下桥臂导通，0表示没有管子导通。

如（0，一1，1）表示B相的下桥臂和C相的上桥臂导通，即VS5，Vs6导通，A相处于不导通状态。

这样在任何时刻总是只有两相处于导通状态，即任何时刻总有一相的两个开关器件不参与工作。

开关磁阻电机的控制系统。

开关磁阻电机作为一种新型调速电机，兼有直流和交流调速的优点，适用的领域很广。

它是由磁阻电机与电子开关驱动控制电路组成一体的能量换转机构。

如图所示为四相的开关磁阻电机。

图表示导通顺序A、B、C、D时定转子工作情况。

图4a表示V1导通，A相绕组通电，而其余的三相绕组断电，因此转子磁1.1′受到气隙中弯曲磁力线的切向磁拉力而产生转矩，使转子沿逆时针旋转，转子磁极1.1′向定子磁极AA′趋近，直到两者重合。

此时，控制器据位置传感器的关断信号，去控制驱动器，关断V1，切断A相绕组电流，紧接着控制器根据位置传感器的开、断信号，依次使V2、V3、V4通、断，使B、C、D相绕组顺序的通与断，使转子受同一方向转矩作用，沿逆时针的运行。

若改变相电流大小，则可改变电机转矩和转速。

总之，国内已经开发出了以上四种电机驱动系统，取得了很大的技术进步，已经在车辆上获得了应用。

但是，还存在着需要改进之处。

就交流感应电机电控系统而言，国内的绝大多数电动效率在70％以上区域范围占整个工作的区域还在80％以下；电机在低速运行过程中，输出转矩脉动性过大；在高速运转时可输出的转矩偏小，加载能力差，且转矩降落略大；甚至在一定转速范围内存在较大电磁振动（噪音），有待于进一步解决。

四种电机电控系统的可靠性都有待进一步提高以适应产业化要求。

直流电机因其良好的线性特性、优异的控制性能等特点成为大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择。

随着计算机在控制领域的发展，直流电机的应用也更加广泛。

本文主要介绍了采用N沟道增强型场效应管，基于H桥的直流电机驱动控制电路中H桥功率驱动电路设计、电荷泵电路设计、电机驱动逻辑与放大电路设计，以及直流电机的PWM调速控制。

关键字：

H桥直流电机驱动控制电路N沟道增强型场效应管PWM

1．直流电机驱动控制电路总体结构

直流电机驱动控制电路分为电机驱动逻辑电路、电荷泵电路、驱动信号放大电路、H桥功率驱动电路等四部分部分，其电路框图如图1所示。

如图所示，电机驱动控制电路的外围接口简单，主要控制信号有Dir（电机运转方向信号），PWM（电机调速信号）及Brake（电机制动信号），Vcc为驱动逻辑电路部分提供电源，Vm为电机电源电压，M+、M-为直流电机接口。

图1直流电机驱动控制电路框图

2．H桥功率驱动电路原理

H型全桥式电路是使用的最为广泛的直流电机驱动电路，实践证明，H型全桥式电路便于实现直流电机的四象限运行，即分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。

H桥功率驱动原理图如图2所示。

H型全桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态。

其中，S1、S2为一组，S3、S4为一组，这两组状态互补，当一组导通时，另一组必须关断。

当S1、S2导通时，S3、S4关断，电机两端加正向电压实现电机的正转或反转制动；当S3、S4导通时，S1、S2关断，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。

图2H桥功率驱动原理图

实际控制中，需要不断地使电机在正转和反转之间切换。

这种情况理论上要求两组控制信号完全互补，但是由于实际的开关器件都存在导通和关断时间，绝对的互补控制逻辑会导致上下桥臂直通短路。

为了避免直通短路且保证各个开关管动作的协同性和同步性，两组控制信号理论上要求互为倒相，而实际必须相差一个足够长的死区时间，这个校正过程既可通过硬件实现，即在上下桥臂的两组控制信号之间增加延时，也可通过软件实现，即在状态之前加入适当的延时时间，一般us级单位的延时即可达到效果。

图2中4只续流二极管，可为线圈绕组提供续流回路。

当电机正常运行时，驱动电流通过主开关管流过电机。

当电机处于制动状态时，电机工作在发电状态，转子电流必须通过续流二极管流通，否则电机就会发热，严重时甚至烧毁。

3．直流电机驱动控制电路设计

3.1H桥驱动电路设计

在直流电机控制中常用H桥电路作为驱动器的功率驱动电路。

由于功率MOSFET是压控元件，具有输入阻抗大、开关速度快、无二次击穿现象等特点，满足高速开关动作需求，因此常用功率MOSFET构成H桥电路的桥臂。

H桥电路中的4个功率MOSFET分别采用N沟道型和P沟道型，而P沟道功率MOSFET一般不用于下桥臂驱动电机，因此，用功率MOSFET构成H桥电路的桥臂有两种可行的方案：

一种是上下桥臂分别用2个P沟道功率MOSFET和2个N沟道功率MOSFET；另一种是上下桥臂均用N沟道功率MOSFET。

测试可知，利用2个N沟道功率MOSFET和2个P沟道功率MOSFET驱动电机的方案，控制电路简单、成本低。

但由于P沟道功率MOSFET的性能要比N沟道功率MOSFET的差，且驱动电流小，多用于功率较小的驱动电路中。

综合考虑系统功率、可靠性要求，以及N沟道功率MOSFET的优点，采用4个相同的N沟道功率MOSFET的H桥电路，具备较好的性能和较高的可靠性，并具有较大的驱动电流，因此本系统采用此设计模式。

其电路图如图3。

图中8V为电机电源电压，4个二极管均为续流二极管，输出端并联的小电容C1（104），用于降低感性元件电机产生的尖峰电压。

图3H桥驱动电路

3.2电荷泵电路设计

电荷泵的基本原理是通过电容对电荷的积累效应而产生高压，使电流由低电势流向高电势。

图4电荷泵电路

电路中A部分是方波发生电路，由RC与反相施密特触发器构成，产生振幅为Vin=5V的方波。

B部分是电荷泵电路，由三阶电荷泵构成。

当a点为低电平时，二极管D1导通电容C1充电，使b点电压Vb=Vm-Vtn；当a点为高电平时，由于电容C1电压不能突变，故b点电压Vb=Vm+Vin-Vtn，此时二极管D2导通，电容C3充电，使c点电压Vx=Vm+Vin-2Vtn；当a点为低电平时，二极管D1、D3导通，分别对电容C1、C2充电，使得d点电压Vd=Vm+Vin-3Vtn；当a点再为高电平时，由于电容C2电压不能突变，故d点电压变为Vd=Vm+2Vin-3Vtn，此时二极管D2、D4导通，分别对电容C3、c4充电，使e点电压Ve=Vm+2Vin-4Vtn。

这样如此循环，便在g点得到比Vm高的电压Vh=Vm+3Vin-6tn=Vm+11.4V。

其中Vm为二极管压降，一般取0.6V，从而保证H桥的上臂完全导通。

图5驱动信号放大电路

在驱动控制电路中，H桥由4个N沟道功率MOSFET组成。

若要控制各个MOSFET，各MOSFET的门极电压必须足够高于栅极电压。

通常要使MOSFET完全可靠导通，其门极电压一般在10V以上，即VCS＞10V。

对于H桥下桥臂，直接施加10V以上的电压即可使其导通；而对于上桥臂的2个MOSFET，要使VGS>10V，就必须满足VG>Vm+10V，即驱动电路必须能提供高于电源电压的电压，这就要求驱动电路中增设升压电路，提供高于栅极10V的电压。

考虑到VGS有上限要求，一般MOSFET导通时VGS为10V～15V，也就是控制门极电压随栅极电压的变化而变化，即为浮动栅驱动。

因此在驱动控制电路中设计电荷泵电路，用于提供高于Vm的电压Vh，驱动功率管的导通。

3.3电机驱动逻辑电路设计与放大电路设计

电机驱动逻辑电路输入端主要为如图6中的4、3、2端口。

控制信号Dir、PWM、Brake经光电隔离电路后，由门电路进行译码，产生控制H桥的4个控制信号q5、q6、q7、q8。

图6电机驱动逻辑电路

（1）4端口通过输入PWM信号实现控速功能，具体实现原理如下：

直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。

励磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速时受到磁饱和限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。

大多数应用场合都使用电枢电压控制法。

随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中PWM（脉宽调制）便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。

PWM调速控制的基本原理是按一个固定频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内接通和断开的时间比（占空比）来改变直流电机电枢上电压的"占空比"，从而改变平均电压，控制电机的转速。

在脉宽调速系统中，当电机通电时其速度增加，电机断电时其速度减低。

只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可控制电机转速。

而且采用PWM技术构成的无级调速系统．启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。

设电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，且设占空比为D=t／T，则电机的平均速度Vd为：

Vd=VmaxD

由公式可知，当改变占空比D=t／T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。

严格地讲，平均速度与占空比D并不是严格的线性关系，在一般的应用中，可将其近似地看成线性关系。

在直流电机驱动控制电路中，PWM信号由外部控制电路提供，并经高速光电隔离电路、电机驱动逻辑与放大电路后，驱动H桥下臂MOSFET的开关来改变直流电机电枢上平均电压，从而控制电机的转速，实现直流电机PWM调速。

图7PWMIN产生电路

要保证电荷泵电路的正常工作，必须产生一路方波信号，并且要考虑到其带负载的能力即驱动能力。

图7部分是方波发生电路，由RC与反相施密特触发器构成，产生振幅为Vin=5V的方波。

通过调节U2-R1与U2-C1的乘积可调节PWMIN的频率和占空比（原理是调节电容充放电的时间）。

方波产生后及反相器电路产生两路互补信号PWM-OUT1、PWM-OUT2。

图8PWMIN电流放大电路

图8可以理解为增强输出的电路，其中三极管Q12、Q11构成推挽式电路，降低输出阻抗，使其可用在驱动电机等阻抗低的负载电路上。

（2）端口3实现电机转向控制。

端口2实现刹车功能。

如图3，当Q1、Q3端输入高电平，Q2、Q4端输入低电平时（即Q1、Q3导通，Q2Q4截止时），电机正转；当Q1、Q3端输入低电平，Q2、Q4端输入高电平时（即Q1、Q3截止，Q2Q4导通时），电机反转。

又如图5，Q1、Q2、Q3、Q4端输入控制信号为分别为q7、q8、q5、q6。

也就是说当q7、q5为高电平，q8、q6为低电平时，场效应管Q1、Q3导通，Q2、Q4截止，电机正传；当q7、q5为低电平，q8、q6为高电平时，场效应管Q1、Q3截止，Q2、Q4导通，电机反传；当q7、q8、q5、q6均为低电平时可实现刹车功能。

通过分析图6电机驱动逻辑电路，可得以下逻辑表达式：

q7=（^C）&&（^B）;

q8=（^C）&&（B）;

q5=（^C）&&^（B&&A）;

q6=（^C）&&^（^B&&A）;

具体各端口的逻辑功能：

C可作为刹车（BRAKE）端，当其输入为高时，电机停转，输入为低时，电机正常；

A可作为PWM波输入端；

B可作为转向控制端（Dir），当其输入为高时，电机反转，输入为低时，电机正转。

电机工作时，H桥的上臂处于常开或常闭状态，由Dir控制，下臂由PWM逻辑电平控制，产生连续可调的控制电压。

该方案中，上臂MOSFET只有在电机换向时才进行开关切换，而电机的换向频率极低，低端由逻辑电路直接控制，逻辑电路的信号电平切换较快，可以满足不同频率要求。

该电路还有一个优点，由于上臂开启较慢，而下臂关断较快，所以，实际控制时换向不会出现上下臂瞬间同时导通现象，减小了换向时电流冲击，提高了MOSFET的寿命。

4．结束语

实验表明，直流电机驱动控制电路运行稳定可靠，电机速度调节响应快。

而相比较而言，采用4个相同的N沟道功率MOSFET为核心，基于H桥PWM控制的直流电机驱动控制电路，具备较好的性能和较高的可靠性，具有较大的驱动电流，便于直流电机的正反转控制，并且具有良好的速度调节功能，能够满足实际工程应用的要求，有很好的应用前景和市场前景。