无刷直流电机的硬件驱动电路研究

王宇波 南京康尼电子有限公司

引言

无刷直流电机的出现是电机发展的一个重要阶段，在当前日益成熟的电力电子技术的推动下，无刷直流电机的控制理论和实践也开始走向成熟，并在许多高精尖控制领域得到了广泛的应用。

1 无刷直流电机概述

无刷直流电机的显著特征是不再需要换向器件，即电刷，取而代之的是新型电子换向器，因此又称为无换向器电机。换向器的消失，使直流电机性能发生了重大变化，尤其是在晶体管出现以后，无刷直流电机更是大大改善了异步电机的诸多缺陷。无刷直流电机由电机主体、位置检测器和电子换向器三个模块构成，电机每转一圈，位置检测器就会生成相应的编码并传输给控制电路，经处理后形成一个PWM信号，对功率管的开关状态进行切换，从而控制定子绕组依次导通，反复换相达到驱动电机的目的。

2 驱动芯片选型

根据无刷直流电机的工作原理，传统的电刷由电子换向器取代，而电子换向器的核心就是驱动控制芯片和功率管，当前最常用的功率管主要有IGBT和MOSFET，因此选择什么芯片对功率管进行驱动成为关键问题。根据功能要求兼顾硬件成本，本文采用了当前比较成熟的IR2136集成控制芯片，该芯片由IR公司研发，搭载了高性能欠压保护电路和过流保护电路，不仅具有很高的可靠性，还可以进一步简化电路设计。IR2136共有28个引脚，其中VCC是供电引脚，HIN和LIN分别是高侧和低侧门极驱动逻辑输入引脚，输入信号经处理后可以分别驱动上桥臂和下桥壁MOS管，HO和LO引脚是相应的输出引脚。通过ITRIP和FAULT引脚的应用，可以实现过渡检测和故障输出功能。

3 无刷直流电机硬件驱动电路设计

本文根据兼顾功率驱动和电路安全的要求，将无刷直流电机硬件驱动电路分成了三大组成部分，即光电隔离模块、三相逆变驱动模块和过流保护模块，其中三相逆变驱动是电路的核心功能，光电隔离和过流保护作为电路保护单元。

3.1 光电隔离模块

尽管从电能传递的角度来看，光电隔离是不必要的，但在电路设计中，为了电路的安全性起见，通常在弱电侧和强电侧之间接入光电耦合器，将两者进行空间隔离。IR2136的输入信号由处理器提供，属于弱电信号；但功率驱动单元与无刷直流电机直接相连，属于强电信号。在没有光电隔离的情况下，一旦开关器件损坏，功率驱动单元的高压将直接施加在IR2136上导致烧坏。因此，采用光电隔离是必要的。

本电路采用了高速光电耦合隔离芯片HCPL-0631作为光电隔离单元的主要器件，IR2136输出的PWM驱动控制信号首先经过一个反相器把电压提升，再通过一个限流电阻，然后注入HCPL-0631。经光电耦合效应，PWM信号传输到高压侧，完成高低压的隔离和信号的传输。

3.2 三相逆变驱动模块

功率管的性能对三相逆变电路影响较大，本文采用了IRFS4010PBF型场效应管，充分利用了其高速高频特性。然后以IR2136为核心，配合多路MOS管，再通过主控单元的控制，就构成了三相逆变驱动模块。为了使MOS管导通，设计了一个自举电路，通过为IR2136的高压侧基极和射极浮动电压输出端提供恰当电压，实现对MOS管开关状态的控制。在逆变驱动单元中，一对功率管交替导通完成交流电到直流电的变换，在此过程中，必须由自举电容为两个功率管轮流提供饱和导通电压。为提高自举电路的性能，自举二极管采用了超快恢复雨棚管SFR104S，适应了MOS管高频工作和快速充放电的特点。考虑到MOS管在高速的状态切换中很容易使栅源之间出现电压尖峰，使功率管的安全面临严重威胁。为此，电路中在栅源之间并接了一个电阻和齐纳二极管，防止尖峰电压的生成。此外，在栅极前引入缓冲电阻，防止寄生电容和寄生电感带来的震荡造成功率管桥臂直通而损坏。

3.3 过流保护模块

过流保护的设计充分利用了IR2136自带的过流保护功能，通过ITRIP和FAULT两个引脚，即可为三相逆变电路提供一个简单高效的过流保护单元。电路中的关键器件为采集电阻和电压比较器，将采集电阻接入低侧MOS管的漏极，把工作电流变换为电压信号作为电压比较器的输入，然后与一个预设的电压阈值进行比较，当高于阈值时向ITRIP引脚输入一个触发信号，从而切断输出信号。同时，由FAULT向主控芯片输出一个过流信号，由主控模块作相应的后续处理。

4 结语

近年来，随着无刷直流电机控制性能的提升，越来越多的高精尖领域开始采用无刷直流电机构建运动控制系统。本文设计的无刷直流电机硬件驱动电路采用了成熟的驱动芯片和通用的功率管器件，不仅具有出色的驱动能力，还严格控制了硬件成本，因而具有一定的应用推广价值。