电机驱动电路

驱动电路的性能很大程度上影响整个系统的工作性能。 有许多问题需要慎重设计，例如，导通延时、泵升保护、过压过流保护、开关频率、附加电感的选择等。1. 开关频率和主回路附加电感的选择力矩波动也即电流波动，由系统设计给定的力矩波动指标为A 1/1 N,对有刷直流电动机而言，通常在 (510)% 左右。为了便于分析可认为(1)AI/I N=A I/(U s/R d)AI表达式中，消去Us,式中 Rd 为电枢回路总电阻。代入前面各种驱动控制方式的 可求出：对于单极性控制Ld/Rd > 5T2.5T(可逆或不可逆)(2)对于双极性控制3)Ld/Rd > 10T5T式中 T 为功率开关的开关周期。对于有刷直流电动机，电磁时间常数Ld/Rd 一般在10ms至几十毫秒。若采用GTR , 开关频率可取 2KHz 左右， T=0.5ms 。若采用 IGBT ，开关频率可取 18KHz 以上，所 以上式均能满足。若采用 GTO 或可控硅功率器件，由于工作频率只有 100Hz 左右， 此时应考虑在主回路附加电抗器，且(4)Ld=L f+L a对不可逆系统还应进一步检查临界电流，I aL = U sT/8L d <Ia0应小于电机空载电流,防止空载失控。对于低惯量电机、力矩电动机，由于电磁时间常数很小（几个毫秒或更小），此时应考虑采用开关频率高的IGBT功率开关器件。2. 功率驱动电路的选择图1 H桥开关电路（I ）图2 H桥开关电路（n ）分页小功率驱动电路可以采用如图 1所示的H桥开关电路。Ua和Ub是互补的双极性 或单极性驱动信号，TTL电平。开关晶体管的耐压应大于1.5倍Us以上。由于大功率PNP晶体管价格高，难实现，所以这个电路只在小功率电机驱动中使用。当四个功率开关全用NPN晶体管时，需要解决两个上桥臂晶体管（BG i和BG3）的基极电平偏移问题。 图2中H桥开关电路利用两个晶体管实现了上桥臂晶体管的电平偏移。但电阻R上的损耗较大，所以也只能在小功率电机驱动中使用。当驱动功率比较大时，一般桥臂电压也比较高， 例如直接取工频电压， 单相220V , 或三相380V。为了安全和可靠，希望驱动回路（主回路）与控制回路绝缘。此时，主 回路必须采用浮地前置驱动。 图3所示的浮地前置驱动电路都是互相独立的，并由独立的电源供电。由于前置驱动电路中采用了光电耦合，使控制信号丄. ；分别与各自的前置驱动电路电气绝缘，于是使控制信号对主回路浮地（或不共地）图3大功率驱动电路3. 具有光电耦合绝缘的前置驱动电路对于大功率驱动系统， 希望将主回路与控制回路之间实行电气隔离，此时常采用光电耦合电路来实现。有三种常用的光电耦合电路如图4所示，其中普通型的典型型号是4N25、117等，高速型的典型型号有 985C，高电流传输比型也称达林顿型，典型型号有113等。图4典型光电耦合器电路分页图中，普通型光耦的lc/1 d=0.10.3 ;高速型光耦采用光敏二极管； 高电流传输比型光耦的Ic/I d=0.5 ；它们的上升延时时间和关断延时时间分别为tr, ts>45 口 s ； tr,ts<1.5 口S ； tr , ts 为 10 口 s 左右。光电耦合器与后续电路结合就能构成前置驱动电路，如图5所示。这个前置驱动电路的上升延时tr 3.9宙，关断延时ts1.6，可以在中等功率系统中使用。图5前置驱动电路为了对功率开关提供最佳前置驱动，现在已有很多专用的前置驱动模块。这种驱动模块对功率开关提供理想前置驱动信号，保证功率开关迅速导通，迅速关断，对功率开关的饱和深度进行最佳控制，对功率开关的过电流、过热进行检测和保护。例如，EX356、EX840等等。4. 防直通导通延时电路对H桥驱动电路上下桥臂功率晶体管加互补信号，由于带载情况下，晶体管的关断时间通常比开通时间长，这样，例如当下桥臂晶体管未及时关断，而上桥臂抢先开通时 就出现所谓 桥臂直通”故障。桥臂直通时电流迅速变大，造成功率开关损坏。所以设置 导通延时，是必不可少的。图 6是导通延时电路及其波形。图 6 导通延时电路及波形导通延时，有时也称死区时间，可通过RC时间常数来设置；对GTR可按0.2 口s/A 来设置；对MOSFET可按0.10.2 口 s设计，且与电流无关，IGBT可按25口 s设计。 举例说明，若为 GTR， f=5kHz ，双极性工作，调宽区域为 T/2=1/10=0.1ms 。若 I=100A,则A t=0.2X100=20 口 s则PWM调制分辨率最大可能性为(5)(T/2) A t=0.1/0.02=5这说明死区时间占据了调制周期的 1/5 ，显然是不可行的。 所以对于 100A 的电机系统，GTR的开关频率必须低于 5kHz。例如，2kHz以下，此时分辨率达12.5左右。驱动电路的设计还有很多问题，例如过压、过流、过热、泵升保护等等。