一种消除无刷直流电机换相死区的方案设计

徐敬成 凌云

摘要：为避免无刷直流电机在换相时因上下桥臂直通而造成电源和开关器件损坏，设计了一种消除换相死区的方案。先由信号延时电路错开两路互补PWM波，再通过死区触发电路在换相极短的时间内控制全部开关器件断开，从而使得流过上下桥臂不会发生直通现象，能够有效解决上述换相死区问题。

关键词：无刷直流电机;直通;换相;死区

0引言

无刷直流电机在做换相时，其桥臂上电力电子开关器件的导通状况往往不是十分理想。当逆变器由于切换不及时导致同侧上下桥臂直通时，如果两端施加电压，将导致电源短路和桥臂电力电子开关器件损坏。因此为了避免上下桥臂直通，必须在其开通和关断之间加入一定的延时时间，也就是死区时间。根据开关器件特性，周期切换时开关器件的导通状况如图1所示。对于同一个开关器件，导通时电流落后电压时间为t1，电流上升时间为t2;关断时电流落后电压时间为t3，电流下降时间为t4。通常情况下，t3与t4之和往往大于t1与t3之和，前者是后者的几倍。两者之间的差值就是控制系统所具备的最小死区时间。通常情况下，最佳死区时间视具体情况要几倍于最小死区时间。死区时间也不是越大越好，过大会导致输出波形失真以及输出效率降低。

现在应用最广泛的换相死区调整方法是通过PwM控制技术来优化换相死区。文献[2]通过对开关器件管压降进行补偿来优化调节特性的死区。文献[3]提出一种自适应消除PwM死区的方法，能够负载变化自动计算出最优电感电流过零区域宽度，从而取得最佳死区消除效果。本文提出一种先通过信号延时使得两路互补PwM波错开极短时间，在此前提下再由死区触发电路提供一段在死区时段内能关断所有开关器件的触发控制时间，从而避免出现上下桥臂直通现象。

1系统方案设计

无刷直流电机控制系统框图如图2所示。单片机控制模块发出两路互补PwM信号P1和P2，其中信号P1分别经过信号延时电路和死区触发电路得到延时信号P6和触发控制信号P5，接着P2和P6两路信号控制光耦内部的通断，而信号P5则决定光耦信号能否输出至电机驱动模块。

2电路设计

2.1单片机控制模块

单片机控制电路如图3所示。通过调整电位器RWl接入电路的阻值可以设置不同等级的速度给定电压，由单片机引脚P0.1接收后通过内部ADC将速度大小的模拟量转换为数字量。另外开关SW1的通断可以控制单片机引脚P0.2的电平高低，从而设置电机旋转方向。单片机通过内部定时器发出互补PWM波，分别通过引脚P1.0和P1.1输出。霍尔脉冲信号和电机驱动电路保护信号则分别输入至单片机引脚P1.2和P0.0。

2.2信号延时与死区触发模块

信号延时与死区触发电路如图4所示，相关信号波形如图5所示。输入端TP1中的信号P1经过电阻R2、电容C1和驱动门u1实现了信号延迟，得到延迟后的信号P6，通过输出端TP6输出。信号延迟时间T1由电阻R2与电容G的乘积决定。信号P1经信号延时电路输出的信号P6，其脉冲信号电平改变的时刻要稍稍晚于信号P2，这样一来就为消除无刷直流电机换相死区做了初步处理。电容C2、电阻R3、二极管D1和反相器U2组成针对输入信号P1的上升沿检测电路，即反相器U2的输出信号P3为检测到信号P1上升沿之后输出与之相应的负脉冲[4]。同样的，反相器U3、U4、电容C3、电阻R4和二极管D2组成针对输入信号P1的下降沿检测电路。当输入信号P3、P4中有负脉冲产生时，与非门U5输出一个正脉冲信号P5，即死区触发信号，通过输出端TP5输出。驱动门U1可以由2个带施密特输入的反相器组成，反相器U2、U3、u4N以选择CD40106，与非门u5N以选择74HCl4。

严格来说，T1包括RC电路迟滞时间以及门电路U1的延迟时间。在选择参数时，要使死区触发持续时间要适当大于信号延迟时间，即T2的值和T3的值均大于T1的值，这样可以保证在死区触发时段内分时控制信号能在极短时间内错开。

2.3触发控制模块

触发控制电路如图6所示。光耦芯片U6、U7可以选择TLP521。通過选择合适的输入限流电阻R5、R8和输出限流电阻R6、R9可以起到保护电路的作用，死区触发信号P5控制三极管T1、T2的通断，结合光耦芯片共同控制开关器件控制端GA、GB的电平高低。

2.4无刷直流电机驱动模块

无刷直流电机驱动电路如图7所示。驱动模块采用H桥控制方式，其中逆变电路上桥臂开关管VT1和VT3选用P沟道MOS管，下桥臂开关管VT2和VT4选用N沟道MOS管。Hall电路用于检测转子位置信号，得到脉冲反馈信号传输至单片机来进行闭环调速。If为过流保护端，通过调整采样电阻R9的阻值即可设定过流值。N沟道和P沟道MOS管可以分别选用IRF540和IRF9540。

3结论

本文阐述了无刷直流电机换相死区问题，并且设计了一种消除无刷直流电机换相死区的方案。先由信号延时电路错开两路互补PWM波来对换相死区做初步处理，再通过上升、下降沿检测电路获得死区触发信号，在流过上下桥臂开关器件的电流将要发生直通时.设置极短的时间使得全桥开关器件关断.有效解决了上述换相死区问题。该方案不但结构简单，易于制造.而且还可以在此电路基础上做更为先进的设计改造。