PWM 驱动电路的结构
1900
公众号EV技研作者1900 2019-5-23 电动汽车

第 1 步:线圈和二极管的电路
为了更好地说明 PWM 驱动的原理,

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如图 B.1所示,我们简化了它的电路。虽然不是电机,直流电源(12V 电池)与 1 个电阻、1 个线圈、1 个开关串联在电路上,再将二极管和线圈并联在电路中(忽略线路电阻和电池内阻)。在这个电路中,起关键作用的是线圈。这个线圈具有电感L 的特性,而电感 L 是很重要的。电池的输出电流如果使这个电路的高速开关(开通时间与关断时间同:占空比为 50%),电源电压为 12V,这时从电源流出的电流 I S 为图 B.1 所示的矩形波。假设这时的峰值电流10A,平均电流就是其一半——5A。即电池的输出功率为
12V×5A=60W流过线圈的电流接下来,看看这个电路中流过线圈的电流 I L的状况。首先,开关 S 开通时,线圈流过与电源侧电流 I S 相同大小的电流。开关关断时,来自电池的电流供给为 0(和 I S 相同)。但是,因为线圈具有电感,电流的变化(5A → 0A)引起的自感应,试图继续维系线圈中的电流流动。如果没有二极管 D,线圈中试图维系电流流动的自感应,会使线圈产生很大的感应电压。因此,在开关关断瞬间,开关接点之间产生火花(放电电流通过)。但是,因为这个电路中有二极管,流过线圈的电流被二极管续流,依然保持相同的方向继续流动。因此,线圈电流 I L 大多在 10A 左右。从功率的角度来看,因为施加在线圈上的电压是高速切换的,电压为 12V 的时间与 0V 的时间相同,平均下来就相当于 12V 的一半,即 6V。所以线圈上消耗的功率为
6V×10A=60W
它是与电池输出功率相平衡的(这里忽略损失)。因此,流过线圈的电流就因为电感的特性和二极管的共同作用,使流过电机的输入电流变为电源电流的 2倍。
刚 才 我 们 是 以 占 空 比 为 50% 来 考 虑的。 同 样, 当 占 空 比 为 30% 时, 线 圈 的 输入 电 压 为 12V×30%=3.6V, 线 圈 电 流为120W÷3.6V=33.3A也就是说,流过线圈的电流超过电源电流的 3 倍。
  第 2 步:增加电容器在第 1 步的基本电路中,电源电流为脉动直流。因此,需要追加与电池并联的电解电容器(配置在尽量靠近电池的地方),详细情况如图 B.2 所示。

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这样,在第 1 步的电路中,电流的脉动得到改善,几乎接近直流。由于追加了电容器,电路中电流的流动也稍异于第 1 步的电路。开关 S 开通时流过线圈的电流为①来自电池的电流和②来自电容器的电流,这两个电流合并而成的。开关 S 关断时电池的输出电流不为 0,而是流向电容器,为电容器充电。这与第 1 步的电路中的状况是不同的。因为电容器可以配合开关的通断进行充放电,从而使来自电池的电流变得平稳,接近于直流。如果来自电池的电流恒定为 5A,那么,流过电机线圈的电流就为 10A,这在第 1 步时讲过。如果这时测量紧紧靠近开关前端的电流,就会发现,其实和第 1步提过的情况相同,它仍然是 10A → 0A 的阶跃电流。第 3 步:实际的电机驱动电路现在,我们来考察现实中的无刷电机的 PWM驱动。
首先,请看图 B.3(a)。

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无刷电机有 3 相线圈:U 相、V 相、W 相。各相线圈的一端连接于同一点(中性点),另一端则分别接与电池正极相连的开关和与电池负极相连的开关。这 6 个开关的通断决定了各线圈中的电流方向(或者无电流),如图 B.3(b)所示。

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这个电路就叫 H 桥驱动电路。

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按照表B 所示的规律来切换这些开关的通断状态,电机就会旋转。电机的电源电压,不论是从电池获取,还是从经过稳压处理的市电获取,大多数情况下,电压是固定的。利用固定电压向电机施加任意电压的方法就是 PWM。如图 B.1 所示,我们通过高频

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将把电压调制成脉冲状。这个脉冲的周期决定了载波频率。载波频率的高低,因使用场合不同而变化,如载波频率为 1.6kHz。我们通过 PWM 对真值表中为“1”的区间进行开关控制。这里的占空比是由 MOSFET 的切换来调整的。如果占空比下降,就会出现平均电压下降,电流值增加的情况,这一点我们在第 1 步也有介绍。实际上,无刷电机的 PWM 驱动可以用图 B.4予以说明。

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图上表示的是 U 相→ W 相的通电区间。这时,低端(L)导通的 W 相 MOSFET 输出图 B.1所示的脉冲波形,这就是施加到电机的占空比电压。这就叫低端 PWM。高端(H)的原理与此相同。在被称为“同步整流”的“互补 PWM”和进化版的“矢量控制”(正弦波)中,高端和低端不间断地进行着 PWM 驱动。高端 PWM 驱动再仔细地看看 PWM 驱动电路。图 B.4(a)表

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示的是从 U 相向 W 相通电的区间。当 PWM 为开通状态时,来自电源的电流流过图示的路径:电源→ U 相高端 MOSFET → U 相线圈→ W 相线圈→ W 相低端 MOSFET →电源PWM 为关断状态时的驱动PWM 为关断状态时,高端开关全部是关断状态,因此没有来自电源的电流。MOSFET 中有寄生二极管①,所以,U 相→ W相的电流,可以在通过 U 相寄生二极管返回 U 相的回路续流,如图 B.4(b)所示。这个寄生二极管完成了第 1 步和第 2 步中提到的二极管的任务。另外,这个图中省略了电容器,实际上电容器是与电源并联的。PWM 驱动电路中,电源电流(来自电池的电流)与电机内部流过的相电流是不同的。相电流(因为是交流电流)的有效值也很重要。它与各相连接的电流表测得的平均电流值(交流电的平均值近似于零)也不同,这一点一定要引起注意。
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