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无刷直流电机驱动器的脉宽调制技术评估
Yen-Shin Lai，IEEE高级会员 林永凯
国立台北理工大学电气工程系1，Sec。 忠孝路3号 台北，台湾106
摘要 - 本文的目的是评估无刷直流电机（BLDCM）电机驱动器的脉宽调制（PWM）技术。 评估标准包括驱动电路，反向直流链电流，浮动相的循环电流和背电磁力（EMF）检测。 通过实验结果分析和验证了五种用于无刷直流电机驱动的PWM技术的优缺点。 预计本文提供的结果将为应用参考提供全貌。
关键词 - 脉宽调制; 无刷直流电机驱动器
- 介绍
众所周知，无刷直流电机已被广泛用于效率至关重要的应用。 这些应用包括家用电器和信息技术产品。 与感应电机和开关磁阻电机相比，无刷直流电机具有高效率，高功率密度和低噪声等优点。 与传统直流电机相比，无刷直流电机不需要任何电刷和换向器。 因此，无刷直流电机可以替代传统的直流电机，适用于那些主要关注电刷尖峰和维护的应用。
无刷直流电机的一个关键特性是永磁体，用于替代感应电机的绕线转子以减少铜损。 此外，与传统的直流电机相比，使用变频器来代替电刷和换向器以免费维护。
因此，逆变器的换向控制对于无刷直流电机驱动器非常重要。 逆变器的换向控制提供了定子磁场的平稳旋转。 定子磁场与永磁体之间的相互作用产生转矩。 然而，各种换向控制技术[1-11]已经提出并得到证实。 就作者的最佳知识而言，这些换向控制技术的优点和缺点还没有完全探索。 此外，反电动势检测算法依赖于[12]所示的换相控制技术。 因此，重要的是要看到这些PWM技术的优点和缺点。
本文的主题是评估无刷直流电机（BLDCM）电机驱动器的脉宽调制（PWM）技术。 评估标准包括驱动电路，反向直流链路电流，
浮动相的循环电流，以及背电磁力（EMF）检测。 通过实验结果分析和验证了五种用于无刷直流电机驱动的PWM技术的优缺点。 预计本文提供的结果将为应用提供完整的参考图。
本文首先介绍了逆变器控制驱动电路的特点，然后对换相控制技术存在的一些问题进行了理论分析。 这些问题包括反向直流母线电流和浮动相的循环电流。 后面会研究无刷直流电机驱动器的backEMF检测问题。 最后，通过理论分析和实验结果评估换向控制技术。
- PWM技术
图1显示了逆变器控制的BLDCM驱动器的框图。 如图1所示，PWM发生器模块给出换向信号，通过驱动电路控制功率器件。 换向控制信号是根据由端电压检测电路检测到的反电动势波形产生的。
占空比控制
图1传统BLDCM驱动器的框图
BLDCM驱动器的性能取决于PWM控制技术，如图2所示。图2显示了使用其中一个逆变器支路作为BLDCM驱动器换相控制的PWM技术
1629
1-4244-0365-0 / 06 / $ 20.00（c）2006 IEEE
例。 例如，如图2（A）所示，高侧功率器件在其基本周期中每隔120°地被斩波器信号控制，并且相关的低侧控制信号被移位180°，用于将相关的逆变器输出钳位到负极断开轨道。 另两条腿的控制信号移位120
Ir.
ER）
--:
毫米
---1 !-4--
FWP
FWP
WI
度和240度。
ubull;1---- L.JL.IL.JL.JL.m L.JL.JL.JL.JL.JL.J mm--
0 60 120 180 240 300 360
- PWM技术[11]，FWP =浮动阶段的自由浮动周期
图2 BLDCM的PWM控制技术总结
[l-1 -
驱动器
进一步减少传导损耗可以通过
0 60 120 180 240 300 360
-
- PWMtechnique 1 [1-5]
你bull;1---- - WITT
u bull; l威特
当在斩波器控制时段期间转动其高侧功率器件时，转动低侧功率器件。 这个概念与“同步整流器”的概念相同。 因此电流流经低端功率器件而不是其反并联二极管。
由于功率器件，例如MOSFET，对于低电压应用（例如12V）具有非常低的导通电阻，该PWM技术可显着降低导通损耗。 这种技术在[8-9]中提出并且可以应用于上述任何PWM技术。 图3说明了这种同步整流概念在PWM技术1中的应用。
0 60 120 180 240 300
-
- PWM技术2 [2-6]
360
ubull;1--------- a L.JL.IL.JL.JL.m L.JL.JL.JL.JL.J mm-
IRL 嗯，我 - [l-1 111111 11111
ul ITT。
0 60 120 180 240 300 360
-
- PWM技术3 [1]，[7-9]
2fO 330
ru 1m
o - go ,, ...--- 1 -20--1。，...，8，....，。o --- = 2..w4“”0--“ - 30 0，........，...，3，...，6 = 0--
cD）PWM技术4 [10]
0 60 120 180 240 300 360
图3具有传导损耗减小功能的PWM技术1
驱动电路
一般来说，逆变器的功率器件有两种驱动电路。 一个是孤立的驱动程序，另一个是非孤立的驱动程序。 图4显示了MOSFET的驱动电路。 如图4（A）和图4（B）所示，提供给无刷直流电机的主电源与驱动器的电源之间的隔离分别通过光电耦合器和变压器实现。 对于低功率应用，MOSFET被用作逆变器的功率器件。 此外，在这种情况下，采用非隔离驱动器来降低成本。
图4（C）显示了自举驱动电路[13]的框图。 如图4（C）所示，电容器“Cboot”向高端驱动器提供电源并且被充电
当低端MOSFET导通时。 由于没有额外的
电源是必需的，因此不再需要隔离电路。 但是，高端驱动电路不能
当“Cbooi”的电压太低时正常工作。 当“Cb00 i”的电量减少时会发生这种情况。
能量源
电压提升
（一个）。 光耦合器驱动程序
vcc
OUTA
司机
OUTS GND
- 隔离变压器驱动
-
- Bootstrap驱动程序[13]图4驱动程序框图
表1总结了三种驱动电路的特点和应用。 如表1所示，驱动电路的选择取决于驱动电路的应用和所需特性。
表1驱动程序的功能
浮动阶段尚未完全释放。 图5显示了PWM技术的相电压和电流[1-5]。 如图5所示，直流母线电流变为负值，这表明电动机电流回流到直流母线电压轨。 反向直流母线电流导致直流母线电压波动，如[11]所示。
图6以“U”相为例说明反向直流母线电流问题。 如图6所示，浮动相为“U”相，其在换向六分仪之前传导电流并存储能量。
对于图6（A）所示的换向控制，在浮动相“U”和导通相，例如相“W”之间提供电流流动路径。 因此，相“U”的储存能量通过该路径释放。 相反，对于图6（B）所示的换向控制，除了通过直流链路和相关的反并联二极管之外，不提供电流路径。 在这种情况下，会发生反向直流回路电流。
随着负载的增加，反向直流母线电流变得相关。 作者提出，逆变直流链电流问题可以通过适当安排逆变器控制模式的换流顺序来解决，如[11]所示。
图5 PWM技术的PWM波形[1-5]，CHI：斩波器，CH2：VU，CH3：iu，CH4：Ioc
iu iu
0
|
驱动电路 |
应用 |
特征 |
|
光耦合器 |
低开关频率，例如更少 超过20千赫 |
分离 直流电源是必需的 |
|
隔离变压器 |
高频 |
笨重 |
|
引导 |
功率小，频率高 |
低成本， 高端接通时间有限 |
-
-
- 如果没有，
-
0
- 带有反向直流链路电流
反向DC-Link电流
一旦存储能量，逆向直流链电流问题就会发生在换向六分仪的前几个斩波器中
图6反向直流母线电流，相“U”
- 浮动相的循环电流
每当浮动相的反电动势高于反向并联二极管的去链路电压加正向压降或小于负向正向压降
的反并联二极管。 当浮动相被高端（或低端）反并联二极管钳位时，电流在浮动相中循环并导致转矩波动并降低效率。
图7显示了传统PWM技术[1-5]中的反电动势和环流的波形。 如图7所示，当速度增加且无负载时，浮动相的循环电流变得相关。 随着负载增加，循环电流变得不相关。 由于循环电流来自反电动势波形，循环电流问题可以通过PWM技术来处理。 就作者的最佳知识而言，这种解决方案之前尚未讨论过。
-
- 无负载和高速条件
-
- 满载和高速条件图7反电动势和相电流的波形
- 反电动势检测
图8定义了三相绕组的端电压。 如图8所示，“vp”表示在PWM控制周期期间连接到正直流链路轨的相的端电压。“vJ”表示连接到负直流链轨的相的端电压。 “v0”是浮动相的端子电压。 反电势电压通过浮动相的端电压检测。
图8 BLDCM端电压的定义表2 PWM技术的反电动势检测方法
- PWM技术的评估 - 理论分析和实验确认
|
PWM 技术 |
反电动势检测算法 |
|
PWMl |
上升和下降沿：vo Vnc / 2，斩波，占空比1; 50％上升和下降沿：vo O，斩波，占空比lt;50％ |
|
PWM2 |
上升沿和下降沿：vo Vnc / 2，斩波，占空比1; 50％上升沿：vo O，斩波，占空比lt;50％ 下降沿：vo Vnc，斩波，占空比lt;50％ |
|
PWM3 |
上升沿和下降沿：vo Vnc / 2，斩波，占空比1; 50％上升沿：vo Vnc，斩波，占空比lt;50％ 下降沿：vo O，切断，占空比lt;50％ |
|
PWM4 |
上升和下降的边缘：vo Vnc / 2，砍 |
|
PWM5 |
上升和下降沿：vo Vnc / 2，切断，duty1; 50％ 上升和下降边缘：vo O，剁掉，关闭lt;50％ |
图9显示了实验系统的框图，该系统由一个FPGA控制器，逆变器，BLDM（规格参见附录）和反电动势检测电路组成。 为了确认反电动势检测算法，不需要电流和霍尔传感器。
5v FPGA
义务
-M4-
逆变器
Vu
Vv Vw
ii
表2总结了关联PWM技术的反电动势检测方法。 有关扣除的更多细节在[12]中显示。 如表2所示，反电动势检测方法确实取决于PWM技术。 而且，为了实现全负载范围检测，应该检测端电压或者斩波控制
CLK
PWM
换向控制
发电机
JI
信号为
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