幾種無刷電機全橋驅(qū)動電路分享-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2022-10-24
無刷直流電機驅(qū)動控制電路如圖1 所示。該電路采用三相六臂全橋驅(qū)動方式，采用此方式可以減少電流波動和轉(zhuǎn)矩脈動，使得電機輸出較大的轉(zhuǎn)矩。
在電機驅(qū)動部分使用6個功率場效應(yīng)管控制輸出電壓，四軸飛行器中的直流無刷電機驅(qū)動電路電源電壓為12 V.驅(qū)動電路中，Q1~Q3采用IR公司的IRFR5305（P溝道），Q4~Q6為IRFR1205（N 溝道）。
該場效應(yīng)管內(nèi)藏續(xù)流二極管，為場效應(yīng)管關(guān)斷時提供電流通路，以避免管子的反向擊穿，其典型特性參數(shù)見表1.T1~T3 采用PDTC143ET 為場效應(yīng)管提供驅(qū)動信號。
無刷直流電機驅(qū)動控制采用三相六狀態(tài)控制策略，功率管具有六種觸發(fā)狀態(tài)，每次只有兩個管子導(dǎo)通，每60°電角度換向一次，若某一時刻AB 相導(dǎo)通時，C 相截至，無電流輸出。
單片機根據(jù)檢測到的電機轉(zhuǎn)子位置，利用MOSFET的開關(guān)特性，實現(xiàn)電機的通電控制，例如，當(dāng)Q1、Q5 打開時，AB 相導(dǎo)通，此時電流流向為電源正極→Q1→繞組A→繞組B→Q5→電源負(fù)極。
類似的，當(dāng)MOSFET 打開順序分別為Q1Q5，Q1Q6，Q2Q6，Q2Q4，Q3Q4，Q3Q5時，只要在合適的時機進(jìn)行準(zhǔn)確換向，就可實現(xiàn)無刷直流電機的連續(xù)運轉(zhuǎn)。
下圖為無刷電機的三相全橋驅(qū)動電路，使用六個N溝道的MOSFET管（Q1～Q6）做功率輸出元件，工作時輸出電流可達(dá)數(shù)十安。為便于描述，該電路有以下默認(rèn)約定：Q1/Q2/Q3稱做驅(qū)動橋的“上臂”，Q4/Q5/Q6稱做“下臂”。
圖中R1/R2/R3為Q1/Q2/Q3的上拉電阻，連接到二極管和電容組成的倍壓整流電路，為上臂驅(qū)動管提供兩倍于電源電壓（2×11V）的上拉電平，使上臂MOSFET在工作時有足夠高的VGS壓差，降低MOSFET大電流輸出時的導(dǎo)通內(nèi)阻，詳細(xì)數(shù)據(jù)可參考MOS管DataSheet。
上臂MOS管的G極分別由Q7/Q8/Q9驅(qū)動，在工作時只起到導(dǎo)通換相的作用。下臂MOS由MCU的PWM輸出口直接驅(qū)動，注意所選用的MCU管腳要有推挽輸出特性。
圖1示出采用8751單片機來控制直流無刷電動機的原理框圖。8751的P1口同7406反相器聯(lián)結(jié)控制直流無刷電動機的換相，P2口用于測量來自于位置傳感器的信號H1、H2、H3，P0口外接一個數(shù)模轉(zhuǎn)換器。
無刷直流電機一般使用全橋驅(qū)動，即6個MOSFET分別構(gòu)成上臂和下臂，通過MCU具有推挽輸出的IO口控制，或者使用電機驅(qū)動專用芯片控制。
最常用的應(yīng)該是3個P-MOS+3個N-MOS，電路結(jié)構(gòu)簡單。如下圖所示。
這里使用的是MK電調(diào)V2.0版本中使用的MOSFET，P-MOS—IRFR5305、N-MOS—IRFR1205N-MOS的Vgs（th）=2V~4V，直接用工作在VCC=5V的MCU即可驅(qū)動控制，但注意IO口必須具有推挽輸出功能，否則IO口的驅(qū)動能力不夠。
圖中R7/R8/R9可視為下拉電阻，使N-MOS的柵極電平有一個參考地，電平穩(wěn)定不會意外導(dǎo)通MOSFET。R10/R11/R12電阻的作用有三個，一是減少振蕩，二是減小柵極充電的峰值電流，三是防止N-MOS的漏-源極擊穿。
由于MCU的IO引腳都存在雜散電感，與柵極電容串聯(lián)形成LC振蕩，加入電阻后會增大振蕩阻尼而減小振蕩；當(dāng)對柵極加驅(qū)動電壓時，會對柵源電容Ciss充電，此時Vgs上升但未到達(dá)閾值電壓Vgs（th）時Vds基本不變，這段時間稱為導(dǎo)通延遲時間td（on）。
當(dāng)Vgs》Vgs（th）時，Vds下降同時id上升，這期間柵極和漏極之間的傳輸反向電容Crss開始向漏極放電，而此時柵極電流會流向該電容對其充電，但基本沒有對Ciss充電，所以Vgs基本保持不變，這段時間稱為上升時間tr，tr之后才會繼續(xù)對Ciss充電。
電容充電的尖峰電流可以計算如下：I=Qg/（td+tr），其中Qg=Qgs+Qgd，即td+tr時間內(nèi)的充電電量，計算結(jié)果電流是遠(yuǎn)大于MCu的IO口輸出驅(qū)動電流，因此通過串聯(lián)電阻，增加充電時間，即t=RC。但這會導(dǎo)致Vgs的上升沿和Vds的下降沿斜率減小，影響MOSFET的開關(guān)性能，所以電阻的選取要準(zhǔn)確。（此處理論知識分析可能不正確
防止漏源擊穿的原因也是和電容的時間常數(shù)有關(guān)，當(dāng)柵極驅(qū)動電壓快速關(guān)斷，漏源極從導(dǎo)通狀態(tài)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，Vds迅速增加，當(dāng)dVds/dt過大就會擊穿器件，串聯(lián)電阻可以減緩Ciss的放電時間，使Vgs緩慢變化，因此Vds不會迅速增加。
P-MOS的Vgs（th）《0，源極一般加11V電壓，MCU的IO口無法正常控制P-MOS的開關(guān)，我們需要用三級管驅(qū)動?xùn)艠O，三極管由IO口驅(qū)動控制。電阻R1/R2/R3上拉柵極電壓，使P-MOS能關(guān)斷。
這個電阻不能太小，否則會造成三極管導(dǎo)通時承受過大的電流。同時電阻也不能太大，否則會增加三極管BC極間電容的充電時間，延長三極管的導(dǎo)通時間，進(jìn)而影響P-MOS柵極電壓Vgs的上升時間。
三極管的選擇不能選用我們常用的8050或9013小信號的三極管，它們的耐壓和導(dǎo)通電流太低，所以這里選擇了SS8050。R4/R5/R6阻值的選擇無特別要求，只要使三極管工作在飽和區(qū)即可。
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