電動車用永磁同步電機MOSFET驅動硬件系統設計＊

周康，王偉炳，巢靖，鄧孝華，葉欣，李倩

（南京工程學院電力工程學院，江蘇 南京 210000）

電動汽車具有環保、結構簡單、加速快、成本低、維護方便、噪聲小等優點，隨著電動汽車的飛速發展，它已成為汽車行業中不可或缺的一部分[1]。

近年來微電子、電力電子、新型電機控制理論和稀土永磁材料飛速發展，加速了永磁同步電動機的推廣和應用。這一電機具有體積小、損耗低、效率高等優點，能夠滿足節能環保的要求[2]。其高效率、高功率密度、轉矩／慣性比高、無轉子損耗的特點，被廣泛運用于各種工業運動控制之中[3]，且非常適合用作電動汽車的驅動電機。

任何電機的電磁轉矩都是由主磁場和電樞磁場相互作用產生的。永磁同步電機里電樞磁場和永磁磁場空間上相差90度電角度時電磁轉矩最大。目前的交流電機控制方法有恒壓頻比控制、矢量控制、直接轉矩控制等，本文設計的MOSFET驅動硬件系統可采用以上控制方法。

本文基于TMS320F28335DSP設計了永磁同步電機控制系統MOSFET驅動硬件系統。其中硬件部分包括74LCX244T緩沖放大器、HCPL－4504高速隔離光耦、CD4049UBC反向緩沖器、IR2101功率驅動器等電路的設計。隨之進行了永磁同步電機控制系統MOSFET驅動硬件由軟件程序控制電機的實驗，得到的驅動波形和電流波形驗證了本文設計的可行性。

1 硬件系統原理圖

1．1 IR2101 驅動電路

整個設計中最重要的一環是IR2101上管驅動電源自舉電路，它由快恢復二極管FR107、10UF儲存電荷電容及0．1UF濾波電容組成，如圖1所示。三相的另外兩相與圖1相同[4]，三相的下橋臂MOSFET都與15V電源的公共地COM相連，三相的上橋臂MOSFET都與各自舉電容的地相連，工作時由自舉電容進行供電。通過HO、LO控制右側MOSFET，注意兩個MOSFET源極的不同，上管柵、源極分別與HO、VB相連，下管的柵、源極分別與LO、COM相連。VS獨立于COM端。HIN高電平時，VB、HO導通，HIN低電平時，HO、VS導通。IR2101輸入和輸出是同相的，LIN高電平時，LO輸出為高，LIN低電平時，LO輸出為低。Q1導通時，儲能電容C7處于放電狀態，電流流向如紅線所示；Q2導通時，C7處于充電狀態，電流流向如綠線所示。對于D1，必須是快恢復二極管，因此選用FR107，其耐壓等級達到了1000V，因為上管導通時D1陰極對地電壓為三相逆變直流側高電壓與10UF儲存電荷電容電壓之和，而其陽極對地電壓為15V，反向電壓基本等于逆變直流電壓，因此必須具有高的反向耐壓等級。

圖1 IR2101的外部接線原理圖

圖1中其它元件的作用：Vcc給IR2101供電，是15V驅動電源；R33為10Ω限流電阻；D2保證柵極低電平時快速放電，選用1N4148高速開關二極管；R21、R24為33Ω的電阻，用于抑制柵極電壓振蕩。

1．2 緩沖器電路

由DSP手冊可知[5]，DSP的輸出除了Group2部分，其他輸出的能力只有“±4mA”，達不到驅動要求，因此需要通過緩沖器對信號進行放大。本設計選用八輸入三態同相緩沖器74LCX244T，輸出可以達到“±24mA”，得到的電流由 DRI輸出，給到HCPL－4504高速光耦，如圖2所示。圖中OE1和OE2為使能端，下拉到低電平使能。VCC的電壓范圍為2．0V－3．6V，本設計的3．3V供電是滿足要求的。

圖2 （a）74LCX244T外部接線圖；（b）7柱接線端子

DSP最小系統與驅動系統接線端子如圖2（b）所示，三態緩沖器的輸入電壓與PWM的輸出電壓一致。7個接線端子把DSP的信號傳送給緩沖器74LCX244T。

1．3 HCPL－4504（三相）

HCPL－4504是高速光電耦合芯片，用以實現精確的光電信號轉換。主要作用是隔離（光隔離），將DSP的弱電信號和主電路（電機）部分的強電信號隔離開來。HCPL－4504功能如圖3所示，當左側DRI1為高電平導通時，右側VO口對地接通，輸出電壓被下拉至0V。當左側DRI1為低電平時，右側三極管不通，輸出處電壓被上拉至15V，VO與Vcc一致，如圖4所示。

圖3 HPCL－4504的功能

圖4 HPCL－4504的外部接線原理圖

圖4中C1選用0．1uf的電容，起濾波作用；R3的作用是給2，3兩個引腳提供正向導通電壓，選用阻值為1K的電阻；根據HCPL－4504的工作特性，輸入二極管的導通電流設定為IF＝12mA，則R6由下式計算：

式中：VF為輸入二極管的導通壓降典型值

1．4 CD4049UBC

因為HCPL－4504驅動能力弱，上升沿下降沿不夠陡峭，不利于MOSFET快速開通。且其輸出與輸入是反相的，采用反相器可以獲得和輸入PWM同相的信號。本設計選用兼有緩沖、整形和保證信號邏輯一致作用的CD4049UBC反相緩沖器，其內部原理圖如圖5所示。

圖5 CD4049UBC的內部原理圖

2 實驗平臺及實驗波形

2．1 實驗平臺

永磁同步電機MOSFET驅動系統實驗平臺如圖6所示，圖中包括了三相MOSFET驅動系統、TMS320F28335DSP最小系統、霍爾電流傳感器，驅動功率為750W、轉速3000轉／分鐘的永磁同步電機（80－024－30F）、磁粉制動器負載（型號FZ－25－D），轉矩轉速傳感器（JC0）以及仿真器（XDS100V2 EMULATOR）。

圖6 永磁同步電機MOSFET驅動系統實驗平臺

2．2 PWM 輸出波形

TMS320F28335DSP輸出的一路PWM波形如圖7（a）所示；圖7（b）為 HCPL－4504 的輸出信號，可以看出其上升沿過長；圖7（c）為CD4049UBC的輸出波形，其上升沿和下降沿都很陡峭，有利于快速開通和關斷MOSFET；圖7（d）為電機電流波形。

圖7 （a）TMS320F28335DSP輸出的PWM波形；

3 結論

本文基于TMS320F28335DSP設計了永磁同步電機控制系統MOSFET驅動硬件。其中包括三相逆變電路單電源供電的IR2101驅動MOSFET電路；匹配合適驅動能力的74LCX244T緩沖器電路；隔離控制和主電路的HCPL－4504高速光耦電路；保證PWM信號與驅動信號相位一致且具有緩沖和整形作用的CD4049UBC反相緩沖器。最后可由軟件部分控制永磁同步電機的輸出轉速，通過實驗驗證了本設計的可行性。本設計的優點在于：3個IR2101驅動6個MOSFET只需要用到一個公共電源（15V），即一個電源就能實現三相逆變驅動。