基于IR2181的永磁無刷直流電動機驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

彭曉宇

(武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程學(xué)院，湖北 武漢 430050)

0 引言

無刷直流電機以其優(yōu)良的機械特性，在社會各界都有很廣泛的應(yīng)用和開發(fā)。當(dāng)前很多的直流電機控制電路一般都采用橋式驅(qū)動方案[1-3]，三相全橋驅(qū)動結(jié)構(gòu)由于開關(guān)器件數(shù)目與半橋結(jié)構(gòu)相比，增加了一倍，因此會造成系統(tǒng)成本和重量的增加，并且需要對電機的死區(qū)時間保持嚴(yán)格地把控，易造成嚴(yán)重的后果，例如會造成開關(guān)管的損壞。這些問題直接導(dǎo)致了無刷直流電機的應(yīng)用受到了局限。盡管在近代市場上一些集成驅(qū)片的出現(xiàn)極大地緩解了上述問題，但依然沒有解決大功率用電器驅(qū)動不足這個致命的問題，本文提出了一種由三相全橋驅(qū)動電路和IR2181驅(qū)動芯片共同組成的大功率直流電機驅(qū)動系統(tǒng)。IR2181的驅(qū)動芯片能夠很好地工作在金氧半場效晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)電路中，并在實際操作中有良好的可行性。驗證了基于IR2181的永磁無刷直流電動機驅(qū)動系統(tǒng)的利用價值。

1 硬件電路設(shè)計

1.1 基于IR2181芯片的驅(qū)動電路設(shè)計

IR2181驅(qū)動三相逆變器功率MOS管電路共用3個IR2181驅(qū)動芯片對三相逆變器6個MOS管進(jìn)行PWN控制，每個IR2181控制同一橋臂兩個MOS管。R21和D21為自舉電容和自舉二極管，R21，R22為柵極限流電阻，C22為+5 V電源的旁路電容，RA，RBUS為電流檢測電阻。IR2181是一種具有雙通道輸出的高壓浮動開關(guān)器件柵極集成驅(qū)動巧片。使用一個IR2181芯片只用一路電源，利用自舉電路就可以同時驅(qū)動同一橋臂上下兩個功率MOS管，簡化了驅(qū)動電源的設(shè)計。IR2181中高壓側(cè)驅(qū)動信號可以浮動到600 V，用于驅(qū)動上橋臂N溝道功率MOS管。其邏輯輸入兼容3.3 V和5 V標(biāo)準(zhǔn)CMOS或LSTTL電平，具備欠壓鎖定輸出通道的保護(hù)功能。

驅(qū)動電路的工作方式直接影響逆變電路中開關(guān)管的一些參數(shù)和特性，從而影響整個電機控制系統(tǒng)的正常工作。由于各開關(guān)管的種類不同，其對驅(qū)動信號的要求也不盡相同，因而對應(yīng)的驅(qū)動電路也不同。傳統(tǒng)的驅(qū)動電路大多是采用分立元件搭建而成，這種電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy，而且可靠性差。隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多具有一定輸出功率的專用集成電路。本文選用美國公司生產(chǎn)的IR2181驅(qū)動芯片，是大功率以及專用驅(qū)動集成電路，驅(qū)動信號延時為級，其主要特點和性能為集成度高，兩路驅(qū)動，所需外圍元件少偏置電壓最大，驅(qū)動電流，柵壓范圍一，開關(guān)時間典型值。內(nèi)部的懸浮電源保證了其直接可用于母線電壓為一的系統(tǒng)中來驅(qū)動功率[1]。

1.2 電路工作流程

本文設(shè)計的永磁無刷直流電動機的理論工作流程為：首先由dsPIC單片機直接控制IR2181驅(qū)動芯片，由驅(qū)動芯片直接控制下面的MOSFET驅(qū)動電路，也就是三相全橋電路，然后通過三相全橋電路控制永磁無刷電動機的正常工作。整個工作流程簡潔，極大地提高了永磁無刷直流電動機的工作效率，降低了操作的難度。

在無刷直流電動機中，當(dāng)定子繞組的某一相導(dǎo)通的時候， 都會有一個繞組接電源正極(電流流入)，第二個定子繞組接電源的負(fù)極(電流流出)，第三個定子繞組處于失電狀態(tài)。電流產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極產(chǎn)生的磁場作用形成轉(zhuǎn)矩，使得電機轉(zhuǎn)動。在理想狀態(tài)時，當(dāng)兩個磁場正交時，轉(zhuǎn)矩最大，當(dāng)兩個磁場平行時，轉(zhuǎn)矩最弱。因此，為保持電機持續(xù)轉(zhuǎn)動，必須需要定子繞組產(chǎn)生的磁場不斷變換方向，需要利用電子開關(guān)線路的導(dǎo)通次序來控制定子繞組各相的通斷順序，此時的電子開關(guān)起到了機械換向器的作用。永磁無刷直流電動機在結(jié)構(gòu)上可以看作是一臺永磁式同步電動機，電子開關(guān)線路驅(qū)動器以及位置檢測器三者構(gòu)成的電機系統(tǒng)。當(dāng)位置傳感器將轉(zhuǎn)子位置轉(zhuǎn)換成電信號，控制開關(guān)電路的通斷，從而控制定子繞組各相的通斷順序，定子相電流會隨轉(zhuǎn)子位置的變化產(chǎn)生次序的換向，產(chǎn)生驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動的不斷變化方向的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子從而轉(zhuǎn)動起來[2]。

2 IR2181調(diào)試波形測試

本實驗的樣機為有傳感器永磁無刷直流電動機，三相2對磁極結(jié)構(gòu)，定子電樞繞組為三相星型接法，采用“兩相導(dǎo)通三相六拍”運行方式。

將完成的硬件實物圖放入到整個系統(tǒng)中，通過示波器測試出IR2181驅(qū)動芯片的幾個引腳的波形如圖1—4所示，圖1為HI與VB1波形圖，圖2為VB1和HO波形圖， 圖3和圖4分別是VB1和VS1和VS1和HO的波形圖。

圖1 HI與VB1波形

圖2 VB1和HO波形

圖3 VB1和VS1波形

圖4 VS1和HO波形

當(dāng)Hi引腳接收到PWM端口的脈沖信號后，VB1端口隨即產(chǎn)生了一個對應(yīng)的信號，在電容的影響下產(chǎn)生一個高于SB1的電壓信號。而HO端口在芯片內(nèi)部的選擇下自行選擇。當(dāng)選擇VB端口電壓時，MOSFET管口VT1上端會產(chǎn)生一個高電壓，上橋?qū)ǎ划?dāng)選擇VS端口電壓時，MOSFET管口上端電壓低于下端，上橋斷開。3個IR2181驅(qū)動芯片分別操控3個全橋電路，從而使三線線圈中電流的方向發(fā)生改變，繼而控制永磁無刷直流電機的轉(zhuǎn)動[3]。

此外，研究人員還進(jìn)行了反電動勢測試，通過觀察，該設(shè)計方案滿足三相之間的電流轉(zhuǎn)換，可以使轉(zhuǎn)子成功轉(zhuǎn)動。由此，本研究可以得出結(jié)論：該系統(tǒng)可以穩(wěn)定地完成電機的日常工作，是較為完善的電機驅(qū)動系統(tǒng)。

3 結(jié)語

本文在對無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理進(jìn)行深入了解的基礎(chǔ)上，對應(yīng)給定的電機控制性能指標(biāo)，設(shè)計實現(xiàn)了高速大功率無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)。為了能對高速大功率的無刷直流電機進(jìn)行驅(qū)動，系統(tǒng)采用IR公司的IR2181驅(qū)動芯片模塊作為功率驅(qū)動。設(shè)計出一項穩(wěn)定合理，利用率高的驅(qū)動電路系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)是永磁無刷直流電動機的重中之重，由于MOSFET的驅(qū)動電路設(shè)計不當(dāng)極易導(dǎo)致MOSFET管損壞，因此利用成熟驅(qū)動控制芯片IR2181S設(shè)計出具體電路，對提高 MOSFET的可靠性具有極大的作用，同時還降低控制系統(tǒng)的成本，提高電機工作的工作效率，增強電機的工作性能，并對無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)的進(jìn)一步研究具有重要意義。