【第3集】② 无刷电机驱动电路的时序图

要想很好地驱动无刷电机,了解时序图中的波形含义是非常重要的。时序图是电机驱动控制用的规格说明图。在本文中,我将为大家介绍时序图中的每个波形的含义。

无刷电机驱动电路的时序图

电机是随着施加于绕组的电压和所流过的电流的变化而旋转的。表示使电机旋转时的电信号变化的图称为“时序图”。在表示逻辑电路的工作等情况下也会用到“时序图”这个术语,在本文中是指电机驱动的时序图。

时序图是以转子位置(电角度)为横轴来表示各电路的主要信号的。在时序图中,当信号为数字信息时,通常用Hi或Lo两个值来表示。在下面的时序图中,霍尔信号和UH等的实际电压值各不相同,这些不同本应该体现在波形的高度上,但由于希望表达出来的是Hi或Lo,因此很多情况下并没有在波形中体现出来。

在这里,作为示例,给出了与前述有刷电机的工作几乎相同的无刷电机驱动电路的时序图。希望执行这样的工作时,最好将霍尔器件安装在下图所示位置。后面会讲到为什么这个位置更好,在这里只要知道最好安装在这里即可。接下来,我通过下图来进行具体介绍。

无刷电机驱动电路的时序图(1):绕组端子的电压

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首先,设上图中的转子位置在时序图的左端,角度为0度(参见图底部的刻度值)。当电机从此处向左(逆时针方向)旋转时,每个电路信号的变化如时序图所示。下面对信号的进行简要说明:

■ 向控制IC输入:霍尔U、V、W

  • 霍尔器件根据对面的磁极来输出Hi/Lo信号。在IC中,可根据3枚霍尔器件的Hi/Lo逻辑将转子位置分为6处(参见时序图顶部的数字编号)。
    例:{U、V、W}=分度1{Lo、Hi、Lo}、分度2{Lo、Hi、Hi}~分度6{Hi、Hi、Lo}

 

■从控制IC输出:UH~WL

  • 控制IC根据上述分度信息生成晶体管ON/OFF指令信号UH~WL。
  • 虽然图示中没有列出,但从UH~WL的信号会传递至电平转换部,由电平转换电路转换为晶体管可以接收(可以驱动晶体管)的信号

 

■晶体管部分:U、V、W绕组电压

  • 功率晶体管以UH~WL信号为指令进行ON/OFF(指令为Hi时ON,指令为Lo时OFF)。此工作决定了绕组端子的电压。
  • 高边和低边晶体管均OFF时,绕组端子电压处于开路状态(这里本应看到的波形将在后面进行介绍)。

前面提到的“动作几乎与有刷电机相同”是指该绕组电压的模式相同。

 

无刷电机驱动电路的时序图(2):电压模式产生的电磁场

前面的图中显示了绕组端子的电压。接下来,我将使用下图来讲解通过施加这种绕组端子电压,在什么位置产生电磁体,以及转子是如何旋转的。

第一张图是表示电流方向与N极/S极关系的示意图。要想很好地理解后续要介绍的时序图和1~6分度的转子位置解说,需要先了解第一张示意图中的关系。

img_vol3-2_02img_vol3-2_03

首先,在图中的分度1中,电源电压施加在U相绕组上,V相绕组接地(以下简称“GND”)。也就是可以理解为电流从U相流向V相。

另外,如果U相绕组为N极,则V相绕组为S极(假设是这样绕制的)。当转子处于1分度的位置时,如果绕组的磁极如上所示,则转子将逆时针旋转。

当转子转动,霍尔信号W的极性切换后,进入分度2。在这里,电流从U相流向W相,绕组的磁场如上图所示进行切换。此时转子也是逆时针旋转。

转子通过反复“产生磁场”→“转子旋转”→“霍尔信号切换”→“产生下一模式的磁场”→“转子旋转”→“霍尔信号切换”而连续旋转。这是该时序图所显示的工作情况。

对了,讲解内容读到这里,有些人可能会有疑惑:讲解的角度是否反了呢?的确,如果是讲解电路工作的话,按照上述思路是没问题的,但是从驱动电机的角度来看,应该是按照“希望在能让转子转动的位置产生磁场”→“以这种方式控制晶体管的ON/OFF” → “在必要的位置安装霍尔器件”的思路进行。在下一篇中,我将按照这个思路为大家介绍如何绘制时序图。

 

本文的关键要点

・时序图是电机驱动控制用的规格说明图,因此理解其中的波形含义是非常重要的。

・本文通过时序图显示了用来使电机旋转的施加电压模式,以及由此产生的电磁场。

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【第3集】③ 无刷电机时序图的绘制方法

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