一種消除無刷直流電機換相死區的方案設計

徐敬成 凌云

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

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。當逆變器由于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。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。對于同一個開關器件，導通時電流落后電壓時間為t1，電流上升時間為t2;關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t3之和，前者是后者的幾倍。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于最小死區時間。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RWl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接收后通過內部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。霍爾脈沖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TP1中的信號P1經過電阻R2、電容C1和驅動門u1實現了信號延遲，得到延遲后的信號P6，通過輸出端TP6輸出。信號延遲時間T1由電阻R2與電容G的乘積決定。信號P1經信號延時電路輸出的信號P6，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做了初步處理。電容C2、電阻R3、二極管D1和反相器U2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。當輸入信號P3、P4中有負脈沖產生時，與非門U5輸出一個正脈沖信號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、u4N以選擇CD40106，與非門u5N以選擇74HCl4。

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，死區觸發信號P5控制三極管T1、T2的通斷，結合光耦芯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。驅動模塊采用H橋控制方式，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電路用于檢測轉子位置信號，得到脈沖反饋信號傳輸至單片機來進行閉環調速。If為過流保護端，通過調整采樣電阻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，并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，易于制造.而且還可以在此電路基礎上做更為先進的設計改造。