無刷直流電機的硬件驅(qū)動電路研究

王宇波 南京康尼電子有限公司

引言

無刷直流電機的出現(xiàn)是電機發(fā)展的一個重要階段，在當前日益成熟的電力電子技術的推動下，無刷直流電機的控制理論和實踐也開始走向成熟，并在許多高精尖控制領域得到了廣泛的應用。

1 無刷直流電機概述

無刷直流電機的顯著特征是不再需要換向器件，即電刷，取而代之的是新型電子換向器，因此又稱為無換向器電機。換向器的消失，使直流電機性能發(fā)生了重大變化，尤其是在晶體管出現(xiàn)以后，無刷直流電機更是大大改善了異步電機的諸多缺陷。無刷直流電機由電機主體、位置檢測器和電子換向器三個模塊構成，電機每轉(zhuǎn)一圈，位置檢測器就會生成相應的編碼并傳輸給控制電路，經(jīng)處理后形成一個PWM信號，對功率管的開關狀態(tài)進行切換，從而控制定子繞組依次導通，反復換相達到驅(qū)動電機的目的。

2 驅(qū)動芯片選型

根據(jù)無刷直流電機的工作原理，傳統(tǒng)的電刷由電子換向器取代，而電子換向器的核心就是驅(qū)動控制芯片和功率管，當前最常用的功率管主要有IGBT和MOSFET，因此選擇什么芯片對功率管進行驅(qū)動成為關鍵問題。根據(jù)功能要求兼顧硬件成本，本文采用了當前比較成熟的IR2136集成控制芯片，該芯片由IR公司研發(fā)，搭載了高性能欠壓保護電路和過流保護電路，不僅具有很高的可靠性，還可以進一步簡化電路設計。IR2136共有28個引腳，其中VCC是供電引腳，HIN和LIN分別是高側(cè)和低側(cè)門極驅(qū)動邏輯輸入引腳，輸入信號經(jīng)處理后可以分別驅(qū)動上橋臂和下橋壁MOS管，HO和LO引腳是相應的輸出引腳。通過ITRIP和FAULT引腳的應用，可以實現(xiàn)過渡檢測和故障輸出功能。

3 無刷直流電機硬件驅(qū)動電路設計

本文根據(jù)兼顧功率驅(qū)動和電路安全的要求，將無刷直流電機硬件驅(qū)動電路分成了三大組成部分，即光電隔離模塊、三相逆變驅(qū)動模塊和過流保護模塊，其中三相逆變驅(qū)動是電路的核心功能，光電隔離和過流保護作為電路保護單元。

3.1 光電隔離模塊

盡管從電能傳遞的角度來看，光電隔離是不必要的，但在電路設計中，為了電路的安全性起見，通常在弱電側(cè)和強電側(cè)之間接入光電耦合器，將兩者進行空間隔離。IR2136的輸入信號由處理器提供，屬于弱電信號；但功率驅(qū)動單元與無刷直流電機直接相連，屬于強電信號。在沒有光電隔離的情況下，一旦開關器件損壞，功率驅(qū)動單元的高壓將直接施加在IR2136上導致燒壞。因此，采用光電隔離是必要的。

本電路采用了高速光電耦合隔離芯片HCPL-0631作為光電隔離單元的主要器件，IR2136輸出的PWM驅(qū)動控制信號首先經(jīng)過一個反相器把電壓提升，再通過一個限流電阻，然后注入HCPL-0631。經(jīng)光電耦合效應，PWM信號傳輸?shù)礁邏簜?cè)，完成高低壓的隔離和信號的傳輸。

3.2 三相逆變驅(qū)動模塊

功率管的性能對三相逆變電路影響較大，本文采用了IRFS4010PBF型場效應管，充分利用了其高速高頻特性。然后以IR2136為核心，配合多路MOS管，再通過主控單元的控制，就構成了三相逆變驅(qū)動模塊。為了使MOS管導通，設計了一個自舉電路，通過為IR2136的高壓側(cè)基極和射極浮動電壓輸出端提供恰當電壓，實現(xiàn)對MOS管開關狀態(tài)的控制。在逆變驅(qū)動單元中，一對功率管交替導通完成交流電到直流電的變換，在此過程中，必須由自舉電容為兩個功率管輪流提供飽和導通電壓。為提高自舉電路的性能，自舉二極管采用了超快恢復雨棚管SFR104S，適應了MOS管高頻工作和快速充放電的特點。考慮到MOS管在高速的狀態(tài)切換中很容易使柵源之間出現(xiàn)電壓尖峰，使功率管的安全面臨嚴重威脅。為此，電路中在柵源之間并接了一個電阻和齊納二極管，防止尖峰電壓的生成。此外，在柵極前引入緩沖電阻，防止寄生電容和寄生電感帶來的震蕩造成功率管橋臂直通而損壞。

3.3 過流保護模塊

過流保護的設計充分利用了IR2136自帶的過流保護功能，通過ITRIP和FAULT兩個引腳，即可為三相逆變電路提供一個簡單高效的過流保護單元。電路中的關鍵器件為采集電阻和電壓比較器，將采集電阻接入低側(cè)MOS管的漏極，把工作電流變換為電壓信號作為電壓比較器的輸入，然后與一個預設的電壓閾值進行比較，當高于閾值時向ITRIP引腳輸入一個觸發(fā)信號，從而切斷輸出信號。同時，由FAULT向主控芯片輸出一個過流信號，由主控模塊作相應的后續(xù)處理。

4 結(jié)語

近年來，隨著無刷直流電機控制性能的提升，越來越多的高精尖領域開始采用無刷直流電機構建運動控制系統(tǒng)。本文設計的無刷直流電機硬件驅(qū)動電路采用了成熟的驅(qū)動芯片和通用的功率管器件，不僅具有出色的驅(qū)動能力，還嚴格控制了硬件成本，因而具有一定的應用推廣價值。