無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路剖析
一、無刷電機(jī)工作原理概述
無刷電機(jī)通過三相線通電運(yùn)行，其定子含有與三相匹配的線圈，線圈數(shù)量為 3 的倍數(shù)。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，各相線圈依據(jù)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行換流，即改變電流方向，以此控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。換流速度的調(diào)整以及經(jīng) PWM（脈寬調(diào)制）調(diào)制后的電壓共同作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)控制。逆變器在該系統(tǒng)中扮演關(guān)鍵角色，它利用直流電源（通常是電池）生成各相所需的功率信號(hào)，相當(dāng)于交流信號(hào)的生成電路。
二、驅(qū)動(dòng)電路詳解
無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路如下圖 1 所示。功率器件采用晶體管，這里特指 MOSFET 或 IGBT，它們充當(dāng)高速開關(guān)的角色。這種不處于放大狀態(tài)而僅作為開關(guān)的器件，被稱之為 “開關(guān)器件”。
晶體管左側(cè)的端子在晶體管中稱為 “基極”，在 MOSFET 中則稱為 “柵極”。當(dāng)對(duì)基極 / 柵極施加電壓時(shí)，電流便從晶體管右上方的端子（集電極 / 漏極）流向右下方的端子（發(fā)射極 / 源極），開關(guān)進(jìn)而變?yōu)殚_通狀態(tài)。開關(guān)處于開通狀態(tài)時(shí)，直流電源電壓施加到集電極 / 漏極，電流依次流經(jīng)上臂晶體管 / MOSFET、電機(jī)線圈（兩相串聯(lián)）、下臂晶體管 / MOSFET，最終回到地。
（一）線圈電流流動(dòng)路徑
電機(jī)包含 U 相、V 相、W 相線圈。PWM 信號(hào)需控制電流按特定方向流過其中兩相的開關(guān)，具體方向如下：
U → V
U → W
V → W
在上述方向中，箭頭左側(cè)代表上臂開關(guān)，右側(cè)代表下臂開關(guān)。電路中，盡管 U 相、V 相、W 相線圈可簡(jiǎn)化視為各 1 個(gè)，但實(shí)際是由多個(gè)定子線圈（槽）通過串聯(lián)或并聯(lián)組成。
（二）開關(guān)器件的互補(bǔ)關(guān)系
對(duì)于開關(guān)器件，上臂和下臂分別對(duì)應(yīng) U 相、V 相、W 相。以 U 相為例，U 相上臂開關(guān)器件開通時(shí)，U 相下臂開關(guān)器件必須關(guān)斷；反之，U 相上臂開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，U 相下臂開關(guān)器件必須開通。V 相、W 相的情況與之相同，絕對(duì)不存在上臂和下臂同時(shí)開通或同時(shí)關(guān)斷的情形，這種關(guān)系被稱作 “互補(bǔ)”。
（三）開關(guān)器件的控制機(jī)制
如圖 2 所示電路，電流從上臂流向 down 臂，上臂從三相中選取 1 相開通，下臂同樣從三相中選取 1 相開通，因此整個(gè)電路包含 6 個(gè) MOSFET 開關(guān)器件。微處理器實(shí)時(shí)決定電流的流向，即從哪里流向哪里、流經(jīng)哪相。微處理器會(huì)計(jì)算各相所需形成的波形，并通過計(jì)時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器端子在任意時(shí)刻輸出相應(yīng)的適當(dāng)波形。在此電路中，晶體管負(fù)責(zé)實(shí)施 PWM 控制。所選用的 6 個(gè) MOSFET 均具備相同的特性，綜合考慮采購便利性與卓越的驅(qū)動(dòng)性能，最終選定 N 溝道 MOSFET。
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