2.3.4　驱动电路设计

典型的伺服电动机驱动电路主要由控制器、调制器和变换器等部分组成，如图2-17虚线框中所示。

其中，变换器是驱动电路的基础，在电动机驱动中大多采用电压源型变换器。这些变换器利用直流侧的电容来暂时储存电能。通过电力电子器件的开关可允许调制直流电压，最终产生可变电压和可变频率的波形。对于一般伺服电动机的驱动电路变换器，其主体结构都是通过功率开关管构成桥式电路。以交流电动机驱动电路为例，典型变换器电路拓扑示意图如图2-18所示。

电路中一共有七个功率管，其中由六个功率管组成三相全桥，三个桥臂分别连接到电动机三相绕组，驱动电动机运转；另一个功率管控制泄放电阻，实现能耗制动功能。

调制器的作用是根据控制器输出信号的极性和幅度大小，对高频脉冲的占空比进行调制，用于变换器中开关器件的控制。在现代功率驱动电路中，一般将此功能合并到数字化控制器中实现。

控制器是电动机驱动电路的核心，主要完成控制指令和电动机及负载反馈信息的综合，根据与电动机类型和参数相适应的控制策略产生变换器控制输入信号。

1. 功率元件的选型

根据2.2.3节所述功率元件的特点，在目前的电动机驱动电路中主要以MOSFET和IGBT为主。二者的主要区别是MOSFET耐压较IGBT低，所以在电压超过直流600V的应用中尽量采用IGBT元件。无论选用哪种，功率管的漏极至源极间可能承受的最大电压都应为电源电压的两倍以上。

功率元件的额定电流视电路结构而定，该额定电流应是负载在所有情况下能够承受的最大电流。与电压的情况相似，必须确保所选的功率管能承受这个额定电流，需要考虑连续模式和脉冲尖峰两种情况下的电流。在连续导通模式下，功率管处于稳态，此时电流连续通过器件。脉冲尖峰是指有大量电涌（或尖峰电流）流过器件。一旦确定了这些条件下的最大电流，只需直接选择能承受这个最大电流的器件即可，一般器件的极值电流应为实际最大电流的1.5～2倍。

在实际情况下，功率管并不是理想的器件，因为在导电过程中会有电能损耗，称为导通损耗。功率管漏极和源极间的电阻在功率管开关及导通过程中是可变的，并随温度而显著变化。器件的功率损耗可由以下公式计算：

式中，I为功率管流过的电流；Rdson为导通电阻；ton为功率管导通时间。

由式（2-19）可知，功率管的功率损耗会随着导通电阻、通电时间及温升变化而变化。某些MOSFET管施加的漏源电压VDS越小，Rdson就会越大；反之，Rdson就会越小。耐压较高的MOSFET管Rdson会随着电流轻微上升。关于导通电阻的各种电气参数变化可在制造商提供的技术资料表中查到，设计选用时需要根据实际情况进行功耗校核，结合最高结温限制、使用环境和热阻确定使用上是否安全。

2. 能耗制动电路设计选型

以常用有源电压型逆变永磁同步电动机驱动系统为例，多采用如图2-19所示的电路结构。

当永磁同步电动机制动时，如采用如图2-19所示的三相半桥驱动电路，则能量再生发生在以下三种情况：①由于开关器件死区时间引起的能量再生；②反电动势高于端电压、小于母线电压的Boost方式能量再生；③电动机反电势高于母线电压的能量再生。

开关死区时间引起的能量再生是驻留在电动机绕组电感中的能量，在电流流经方向的开关管关闭时通过功率管并联的续流二极管向母线电容充电所引起的，受电感值限制，这部分能量较低，一般不会使母线电压明显升高。

另一种是Boost方式能量再生，该方式是指电动机反电动势低于母线电压情况下发生的能量再生。式（2-20）是交流永磁同步电动机在d-q坐标系下的电压方程。由式（2-20）可知，当交、直轴电感压降和反电动势之和超过逆变电压，即和超过逆变端电压、时，电流将改变方向，再生能量向直流侧流动。

式中，ud、uq分别为d、q轴支路对应的电压；ψd和ψq分别为d、q轴对应的磁通量；id和iq为d、q轴的电流；ωe为电动机转速；Rs为电动机绕组电阻。

取电动机的A相电路来分析，此时电路工作模式为Boost状态，如图2-19所示。在每个开关周期中，电动机线圈切割磁力线会获得能量，该能量会存在于电动机支路电感中。当续流二极管导通时，电感释放能量并将其存储到母线滤波电容中，此时A相电感压降和反电动势之和高于母线电压。该状态下可把电动机看作瞬时发电机，驱动器控制电动机产生制动转矩。这种情况发生在电动机运行到停止的各种制动状态。

第三种状态是电动机反电动势高于母线电压的能量再生。机电伺服控制系统负载是位能负载且在位能释放过程或者大惯性负载制动时，电动机转动方向和出力方向相反，电动机从电动状态转变为发电状态，电动机反电动势高于母线电压，电动机输出的电流经功率驱动元件向直流母线侧流动。

以上情况下发生的对母线电容的充电动作会产生泵升电压，若不将这部分能量及时释放，过高的电压将损坏滤波电容和功率模块。因而，必须对再生能量进行处理。

在一般电子设备（如雷达等）中，往往采用外接能耗电阻的方式处理，通过电阻发热将反馈能量消耗掉。选用能耗电阻需要对反馈能量有定量认识，以一个受位能负载作用的伺服系统为例进行介绍，其再生能量包括两部分，第一部分是位能负载及转子所构成的等效负载所具有的能量；第二部分是外界施加在电动机或负载上的驱动转矩所产生的再生能量。假设负载是一个旋转体，电动机绕组电阻为R，电感为L，电流为i，电动机转子及所带负载折算到转子轴上的转动惯量总和为J，且受到一个转矩恒为T的负载作用，角速度为ω，则电动机和负载所具有的总动能为，驱动转矩和位能负载在时间t内释放的能量，电动机定子绕组电感存储的能量为，电动机绕组消耗的能量为。

设负载机械摩擦损耗为Wmech，其他损耗设为WO，在电动机制动位能负载到停止过程中，理论上可以回馈的全部能量可以表示为

设整个制动过程中回馈能量全部存储在母线滤波电容中，则有

通过上式和功率元件、电容电压极限值和母线电容的大小，可以得到电容理论能够接收的能量大小，剩余的能量就需要通过外接能耗电阻在作用时间内消耗掉，再结合电动机制动工作间隔时间等计算能耗电阻功率和阻值。

3. 直流有刷电动机驱动电路设计

由于直流有刷电动机只有单路绕组，一般以2.2.3节中描述的H桥为主电路，通过PWM方式直接控制加在绕组两端电压的极性和大小。直流有刷电动机驱动电路示意图如图2-20所示，在H桥输出和电动机绕组之间串联电流霍尔传感器实时测量电动机绕组中的电流值，并与给定值相减后再与三角波信号比较，自动生成频率和三角波相同、脉宽受误差控制的PWM信号，经半桥驱动电路控制H桥中四个功率管的通断，从而构成电流闭环。

H桥电路可以通过四个分立功率管搭建，也可以直接选用H桥功率集成模块。功率器件选用时，需参考式（2-18）确定驱动电源电压，以及电动机绕组电流的大小。

由于直流驱动电路结构相对简单，可以通过硬件电路直接实现，并由模拟电压控制电动机绕组的电流；也可以结合单片机或MCU等嵌入式系统直接采集电流传感器的反馈信号，经闭环算法处理后生成PWM信号去控制绕组电流。

4. 直流无刷电动机驱动电路设计

如2.2.2节所述直流无刷电动机是一种用电子换向装置取代机械换向装置的直流电动机，因此其驱动电路可以借鉴直流有刷电动机电路的处理方法，只是控制对象由单相绕组变为三相绕组。同时，由于电子换向要求，需要设计换相逻辑电路。如图2-21中电动机驱动模块为MSK公司的直流无刷电动机驱动模块，其中霍尔传感器信号处理电路中集成了表2-2所示的导通逻辑关系。

除此之外，模块还集成了电动机三相绕组电流检测和处理电路，可以在模块内部完成电动机的电流闭环控制。

5. 交流电动机驱动电路设计

交流电动机包括异步电动机和永磁同步电动机（PMSM），其驱动电路设计比较相似（如图2-22所示），除了采用三相全桥驱动电路外，由于需要结合电动机轴端的角度传感器并采用矢量控制等复杂控制算法，一般都要搭建基于较强计算功能的MCU或DSP的控制电路。如TI公司的C2000系列芯片，除了具备几百兆赫兹主频和浮点计算功能外，还集成了PWM、A/D、QEP、SPI、I2C、CAN等丰富的外部设备接口。这些接口方便直接与具备标准接口的角度传感器连接，同时也可以直接控制三相全桥电路实现逻辑关系较复杂的控制功能。

6. 步进电动机驱动电路设计

步进电动机驱动电路一般包括环形分配器和功率驱动模块两部分。其中，环形分配器根据内部时序逻辑将外部作为控制命令的脉冲指令及方向信号进行分配处理，生成与电动机绕组相数和运行拍数相对应的周期性循环控制信号，按指令信号的频率和极性依次去控制电动机各绕组的通断。环形分配器一般采用CPLD或FPGA等可编程器件编程实现。功率驱动模块通过H桥实现单个绕组的通断和极性控制，或通过上下管实现绕组的通断控制。为保证电动机在各种速度下的运行性能，一般需采用高低压驱动、恒流斩波驱动等控制方式，如图2-23所示。