無刷電機驅動的實際信號波形

①電流為什么會呈現這樣的波形?

繞組電流與感應電壓

②可以明白UH、UL的信號和波形，但放大后UH卻呈脈沖狀(ON/OFF反復)。

脈沖狀的施加電壓

③可以明白U電壓(U相繞組引腳電壓)在UH呈脈沖狀的部分隨著UH呈脈沖狀，在UL導通(ON)的部分為GND電位，但在UH和UL關斷(OFF)期間的斜率波形是怎樣的?

繞組引腳OFF期間的波形

續流二極管

④電源電流中含有哪些信息?該電流也是脈沖狀的。

電源電流

無刷電機：脈沖狀的施加電壓

實際的電機驅動信號波形也有一些是在設計圖(即時序圖)中無法體現的。接下來將為您介紹其中無法通過此前的介紹內容理解的一些關鍵要點。

無刷電機：脈沖狀的施加電壓

在用示波器觀察電機的各種電信號時，控制功率晶體管ON/OFF的指令信號有可能是脈沖狀的(下圖中的柵極信號UH)。對于電機控制而言，這也是非常重要的一點。

在介紹指令信號變為脈沖信號的內容之前，我們先來稍微思考一下電機需要具備的功能。很多應用設備都是通過改變電機的轉速和轉矩來運行的。電風扇和空調風扇通過改變電機轉速來調節風量，電車和電動汽車也是通過改變電機的速度和轉矩來工作的。而對電機轉速和轉矩的控制則是通過調整所施加的電壓大小實現的。例如，如果是一臺使風扇旋轉的電機，那么提高施加電壓將會提高轉速和轉矩。基于這個道理，電機和電機控制需要具備調整所施加電壓大小的功能。

調整施加電壓主要有兩種方法。一種是改變電源電壓。這是一種被稱為“PAM(Pulse Amplitude Modulation，脈沖幅度調制)控制”的方法，可以改變所施加電壓的大小(振幅、高低)。

另一種是通過將所施加的電壓變為脈沖來改變平均值，這是一種被稱為“PWM(Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制)控制”的方法。這種PWM控制方法，通常通過在基準周期(下圖中的T)中創建Hi和Lo期間，并調整它們之間的比率，來控制施加的平均電壓。這個周期稱為“PWM周期”，或者轉換成表示頻率的值，稱為“PWM頻率”。

PAM控制需要有調整電源電壓的電路。PWM控制只要能充分利用其使功率晶體管ON/OFF的功能即可，近年來，采用PWM控制方法調整施加電壓已經成為主流的做法。另外，利用這種控制，可以局部調整電壓的大小，而不是像120度激勵那樣施加均勻電壓，因此控制范圍更大(例：正弦波激勵)。

PWM控制方法中的電壓調整率用Duty(占空比)表示。例如，當電源電壓為100V、將施加電壓調整為30V時，會使用“將Duty設為30%”這樣的表述。

在第一張圖中，示波器觀察到的UH波形是脈沖狀的，這表明這個控制IC(電機驅動器、控制器)采用的是PWM控制方式的120度激勵。順便提一下，Duty主要是從外部(比如應用設備的控制器等)輸入的控制指令，因此電機驅動器會配備接收該指令的輸入引腳。

無刷電機：繞組引腳OFF期間的波形

“繞組引腳OFF期間的波形”是指各相高低邊晶體管均關斷期間繞組引腳表現出來的波形。這種狀態稱為“開路狀態”、“OPEN狀態”、“Hi-Z(高阻態、高阻抗)”等。在這里我們使用“開路”來表示。

在左圖中虛線圈出的時間點，U相處于開路狀態，V相電壓處于施加PWM電壓狀態，W相處于恒定為Lo狀態。此時，V相和W相的繞組引腳電壓已經通過開關(晶體管)固定在電源電壓或GND中，所以會呈現右圖所示的波形。

由于U相處于開路狀態，因此出現了圖中以中性點為基準的波形。中性點為V相引腳電壓與W相引腳電壓的分壓值。V相和W相的Z?I(電壓)值大致相同，但由于V相和W相的感應電壓大小不同，因此如圖所示，中性點電壓呈現有梯度的脈沖狀波形。另外，由于該中性點電壓上還疊加了U相感應電壓，因此U引腳電壓呈現圖中所示的波形。這是120度激勵、高低邊晶體管處于OFF狀態(開路狀態)的相的繞組引腳波形。

在電機控制中，這種“可以看到含有感應電壓的波形的現象”很有使用價值。如上所述，OFF期間(開路狀態)的繞組引腳電壓呈現中性點電壓與感應電壓疊加后的波形，因此通過測量以中性點為基準的繞組引腳電壓，即可測出該相的感應電壓。

在前面的“無刷電機感應電壓產生的原理”中，提到過感應電壓是由線圈位置與轉子(永磁體)的相對位置決定的。這意味著可以根據感應電壓來推算轉子的位置。

不使用霍爾器件等檢測器件，而是利用該原理掌握轉子位置的方法被稱為“無傳感器控制”，該方法已經得以廣泛應用(如前所述，在電機控制中，轉子位置的檢測很重要)。順便提一下，這種無傳感器的傳感裝置是指霍爾器件等磁極檢測器或編碼器等轉子位置檢測器，需要配備用來檢測感應電壓的傳感器。

另外，圖中的波形還有一個需要注意的部分。從圖中可以看出，出現感應電壓的U相引腳電壓波形并沒有不受控地下降到一定值以下。下面介紹一下這種現象的原因。

無刷電機：續流二極管

在用示波器等設備確認繞組引腳電壓時，如圖中的波形所體現出來的，可以看到在略低于GND電壓時，電壓不再下降。先說結論，這是因為功率晶體管并聯著被稱為“續流二極管”的二極管(參見最下方的電路圖)。

由于存在這個二極管，因此即使繞組引腳試圖將電壓降至低于“GND電位 - 二極管的正向電壓(Vf)” ，因這個二極管導通而使電壓不會降得更低。另外，基于同樣的原因，該電壓也不會超過“電源電壓+Vf”。

順便提一下，續流二極管的命名中并不像齊納二極管或發光二極管那樣含有某些特性，而是考慮到其續流作用而命名的名稱(也許沒有名為“續流二極管”的商品)。“續流二極管”也被稱為“Freewheeling Diode”、“反激二極管”等。

這種二極管的作用是在關閉晶體管時保護電路中的元器件。上圖中標出了使流動著電流的晶體管關閉時的電流流向。在電機的情況下，電流是流過線圈的，因此當通過關閉晶體管以停止電流流動時，線圈中會產生電壓(參見圖中的公式。這個公式意味著電流的變化會產生電壓)。當這種電壓很大時，可能會毀壞晶體管。

為了防止這種損壞，會與晶體管并聯安裝二極管。有了二極管，當被施加低于“Gnd-Vf”或高于“電源電壓+Vf”的電壓時，電流會流經二極管并被鉗制(電壓不會過高和過低)，因此可以保護晶體管。

圖中并沒有體現出這種現象，不過在圖中標有“PWM”的上方晶體管中也會出現這種現象。對于上方晶體管而言，其下方的二極管會成為電流路徑并起到保護作用。

這種本應該開路的繞組引腳電壓，因電流流過而“粘附(鉗位狀態)”到電源電壓側或GND側的現象，在電機控制電路中經常出現。也有一些利用這種現象的控制方法，所以需要了解這種現象。

在某些情況下，可將其他二極管與各功率晶體管并聯配置作為續流二極管使用。因結構上的特點，MOSFET內部有寄生二極管(體二極管)，因此在其寄生二極管的特性足以起到續流作用的情況下，通常會直接使用MOSFET中的寄生二極管。所以圖中所示的MOSFET不帶續流二極管的電路本來是不存在的，為了便于解說，給出了沒有續流二極管的電路圖。

無刷電機：電源電流

電源電流是在電機運行過程中應該確認的主要電信號。從字面看，電源電流的意思是流過電源的電流。前面已經講過，在考慮電機的特性時，需要了解流過各相繞組的電流波形。而了解電源電流對于電機控制而言也是非常重要的。(注：這里所說的“電源電流”是指圖中所示的從電源經由功率晶體管流入線圈再返回電源的電流。不包括控制IC和晶體管柵極驅動電流)我們先通過圖片來具體了解一下電源電流。流過電源的電流會隨著功率晶體管的ON/OFF狀態而變化。下面對圖中a～e的波形狀態進行解說。

a：電流從U相上方晶體管流過繞組，從W相下方返回電源。因此，電源電流呈現與U相繞組電流相同的波形。

b：上方晶體管OFF，電流流過U相下方的續流二極管。此時，沒有流向電源的電流。

c：當U相PWM區間結束后，流過U相的電流流經二極管的同時逐漸減小，最終變為零。此時的電流并不會出現在電源電流中。

d：這部分與a相同，電流從V相流向W相，并且出現流向電源的電流。

e：這部分與b相同。

如上所述，電源電流的波形隨著功率晶體管的ON/OFF邏輯而變化，并呈脈沖狀波形(無論流過的電流量是否與繞組電流相同)。

之所以需要了解電源電流，是因為電源電流中含有繞組電流信息，而電機控制中需要用到這些信息。在電機控制中，掌握繞組電流值很重要，但如果想直接檢測繞組電流，則需要電流傳感器或隔離放大器等特殊電路。相比之下，電源電流方式的優點是可以通過在下圖所示位置配置電阻(稱為“分流電阻”)，并將一側作為GND電位來檢測其兩端的電壓。

檢測值可用于：

?限制電流(控制電流，防止電流過大)

?各種控制(根據繞組電流值推算感應電壓、檢測電流相位等)

來源：techclass.rohm

審核編輯：湯梓紅