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基于IR2136的三相電機(jī)控制

2023.02.07 江蘇

直流無刷電機(jī)的工作原理

??無刷直流主要由三部分組成：電機(jī)本身、霍爾位置傳感器、電子換相電路。圖中A，B，C 三個(gè)Y 型連接的電感為電機(jī)的簡(jiǎn)單等效模型，6只功率MOS管Q1~Q6組成功率逆變器。

??位置傳感器作為轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的裝置，是無刷直流電機(jī)系統(tǒng)中的重要組成部分之一，電機(jī)每轉(zhuǎn)一周，位置傳感器就會(huì)按順序輸出對(duì)應(yīng)換相的6個(gè)編碼，控制芯片在接收到位置信息后，經(jīng)過內(nèi)部程序處理，輸出控制功率開關(guān)管的開通與關(guān)斷的PWM信號(hào)，使定子各相繞組電流按一定次序?qū)?，通過不斷換相，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)起來。

電機(jī)霍爾傳感器工作原理

??如圖三個(gè)不同位置的圓柱狀代表三個(gè)安裝位置相差120°的霍爾傳感器，霍耳的信號(hào)線傳遞電機(jī)里面磁鋼相對(duì)于線圈的位置，根據(jù)三個(gè)霍爾的信號(hào)控制器能知道此時(shí)應(yīng)該如何給電機(jī)的線圈供電（不同的霍耳信號(hào)，應(yīng)該給電機(jī)線圈供相對(duì)應(yīng)方向的電流），就是說霍爾狀態(tài)不一樣，線圈的電流方向不一樣。

??霍爾信號(hào)傳遞給控制器，控制器通過粗線（不是霍爾線）給電機(jī)線圈供電，電機(jī)旋轉(zhuǎn)，磁鋼與線圈（準(zhǔn)確的說是纏在定子上的線圈，其實(shí)霍爾一般安裝在定子上）發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，霍爾感應(yīng)出新的位置信號(hào)，控制器粗線又給電機(jī)線圈重新改變電流方向供電，電機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)（線圈和磁鋼的位置發(fā)生變化時(shí)，線圈必須對(duì)應(yīng)的改變電流方向，這樣電機(jī)才能繼續(xù)向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，不然電機(jī)就會(huì)在某一個(gè)位置左右擺動(dòng)，而不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)），這就是電子換相。

IR2136 驅(qū)動(dòng)芯片

??IR2136 是IR公司推出的專用IGBT 和MOSFET 驅(qū) 動(dòng)集成芯片，內(nèi)部有欠壓保護(hù)與過流保護(hù)功能，可靠性和集成度高，可大大簡(jiǎn)化硬件電路的設(shè)計(jì)。

??VCC引腳是電源輸入端，可以為低側(cè)提供電源，還可為內(nèi)部邏輯電路供電。HIN為高側(cè)門極驅(qū)動(dòng)邏輯輸入引腳，低電平有效，經(jīng)過施密特觸發(fā)器、電平轉(zhuǎn)換、濾波、放大等通道，最后驅(qū)動(dòng)上橋臂MOS管。LIN為低側(cè)門極驅(qū)動(dòng)邏輯輸入引腳，驅(qū)動(dòng)下橋臂MOS管。HO，LO對(duì)應(yīng)高低側(cè)門極驅(qū)動(dòng)輸出。VB為高壓側(cè)基極浮動(dòng)電壓輸出端。VS為高壓側(cè)浮動(dòng)射極輸出端。ITRIP 是過流檢測(cè)引腳，F(xiàn)AULT是故障輸出引腳。

無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

??整個(gè)電路設(shè)計(jì)主要包括了光耦隔離電路、三相逆變驅(qū)動(dòng)電路、過流檢測(cè)電路。

光耦隔離電路

??IR2136 的輸入信號(hào)來自微處理器，是控制系統(tǒng)中的弱電部分；而功率驅(qū)動(dòng)模塊外接電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，是電機(jī)控制中的強(qiáng)電部分。為了保證微處理器電路的安全工作，必須使用隔離電路將微處理器電路與大電流功率的驅(qū)動(dòng)電路之間隔離開。若IR2136前端未加隔離電路，當(dāng)電路中的開關(guān)器件損壞，高壓將直接加在IR2136上，導(dǎo)致IR2136前級(jí)電路擊穿，控制芯片燒毀。隔離電路的功能主要采用光耦實(shí)現(xiàn)?？紤]PWM波的頻率，選擇高速光耦HCPL?0631進(jìn)行隔離。電路設(shè)計(jì)如圖所示。

??PWM信號(hào)經(jīng)過反相器，將輸入的低信號(hào)拉高，送給光耦，為防止流入光耦電流過大，加入一個(gè)限流電阻R64，取值390 Ω。光耦電路供電電源是隔離5 V 電源，由電源模塊供電。通過隔離電路，成功地將強(qiáng)電信號(hào)與弱電信號(hào)進(jìn)行隔離并提高了電路的抗干擾能力。

三相逆變驅(qū)動(dòng)電路

??驅(qū)動(dòng)電路由驅(qū)動(dòng)芯片IR2136 和6 路MOS管組成。如圖所示，功率場(chǎng)效應(yīng)管因其開關(guān)速度快、工作頻率高、不存在二次擊穿等顯著優(yōu)點(diǎn)在中小型功率開關(guān)電路中應(yīng)用極為廣泛。

??MOS 管作高速電子開關(guān)用，高側(cè)MOS 管Q1，Q3，Q5漏極接高壓，源極接負(fù)載，為確保高側(cè)MOS管飽和導(dǎo)通，柵極驅(qū)動(dòng)電壓必須浮置在源極電壓之上。這時(shí)需要在外部增加一個(gè)自舉電路，給IR2136 的VB和VS兩端供電，驅(qū)動(dòng)功率管柵極導(dǎo)通。一般MOS管的柵源導(dǎo)通電壓為10~15 V，這里選擇15 V 供電電源。低側(cè)MOS管因源極接地，驅(qū)動(dòng)方法比較簡(jiǎn)單，可由驅(qū)動(dòng)芯片15 V電源直接驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O。

自舉電容的選型

??自舉電路的工作原理：逆變驅(qū)動(dòng)電路中，每一對(duì)上下管都是交替導(dǎo)通的，以Q1，Q3管為例，當(dāng)上管Q1關(guān)斷，下管Q2導(dǎo)通時(shí)，VS1 引腳電位為Q2管飽和壓降，基本為低電位，此時(shí)15 V的電源通過自舉二極管D27給自舉電容C84 充電。當(dāng)下管Q2 關(guān)閉，上管Q1 導(dǎo)通時(shí)，自舉電容放電，給上功率管Q1提供飽和導(dǎo)通的電壓。自舉電容取值是電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。上管導(dǎo)通時(shí)自舉電容必須在短時(shí)間內(nèi)提供足夠的電荷，太小達(dá)不到驅(qū)動(dòng)要求，過大會(huì)影響驅(qū)動(dòng)性能，所以應(yīng)該結(jié)合MOS管的工作頻率、門極特性等方面綜合考慮。本次設(shè)計(jì)MOS管工作頻率為16 kHz，結(jié)合MOS管的工作特性，自舉電容C84，C86，C87取10 μF。

自舉二極管的選型

??自舉二極管是自舉電路中的核心元件，其反向電壓應(yīng)大于MOS 管母線上的高壓，額定電流大小為開關(guān)管開關(guān)頻率與自舉電容提供的柵極電荷之積。由于MOS管工作頻率較高，充放電時(shí)間較短，自舉電容向電源的電荷回饋會(huì)使得電荷損失，所以應(yīng)當(dāng)選用反向漏電流小、恢復(fù)時(shí)間快的二極管。這里選用超快恢復(fù)二極管SFR104S，D27，D29，D31所示，反向恢復(fù)時(shí)間小于120 ns，最大承受400 V反向峰值電壓。

功率管保護(hù)電阻設(shè)計(jì)

??在MOS管頻繁的關(guān)斷中，若柵極和源極之間的阻抗太高，漏源間的電壓突然變化會(huì)通過極間電容耦合到柵極，導(dǎo)致柵源間產(chǎn)生相當(dāng)高的尖峰電壓，這一電壓會(huì)直接擊穿功率管氧化層，對(duì)MOS管造成永久破壞。為保護(hù)MOS 管安全工作，可以選擇并接一個(gè)電阻與齊納二極管。以Q1 為例，在柵極和源極間并聯(lián)一個(gè)100 Ω的電阻R83，再并聯(lián)一個(gè)18 V的齊納二極管D24。由于電路中的各種寄生電容與電感，可能會(huì)形成震蕩現(xiàn)象，不僅會(huì)增大MOS管的功率損耗，還有可能導(dǎo)致上下橋臂直通，燒壞功率管。在柵極前端加入一個(gè)緩沖電阻，可以有效調(diào)節(jié)MOS管開關(guān)速度，還可以防止上下橋臂直通。一般需要在開關(guān)時(shí)間與驅(qū)動(dòng)效果之間折中選擇。仍以Q1 為例，在柵極前端加入電阻R78，取值100 Ω，而且采用了一個(gè)二極管D23 與等值電阻R75并聯(lián)，上電時(shí)二極管不工作，放電時(shí)二極管導(dǎo)通，電阻降低迅速放電，起到快速關(guān)斷MOS管的作用（慢開快關(guān)）。

保護(hù)電路設(shè)計(jì)

??驅(qū)動(dòng)電路的正常運(yùn)轉(zhuǎn)離不開保護(hù)電路，通過電路保護(hù)，可以大大提高逆變驅(qū)動(dòng)電路的可靠性。之前介紹過IR2136 的過流保護(hù)引腳ITRIP 與故障輸出引腳FAULT，利用此設(shè)計(jì)了三相逆變電路的過流保護(hù)電路。過流檢測(cè)電路如圖所示。

??該電路主要由一個(gè)采樣電阻R311和一個(gè)電壓比較器U182 組成，R311 上端接低側(cè)MOS 管的漏極，取值22 mΩ，作用是將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。當(dāng)逆變驅(qū)動(dòng)電路中的電流超過閾值，則電壓U1>U2。電壓比較器會(huì)輸出一個(gè)高電平給ITRIP引腳，IR2136會(huì)切斷門極驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)，并通過FAULT 引腳給主控芯片發(fā)送過流信號(hào)。

總結(jié)

??本文設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)控制開關(guān)邏輯為低電平有效，采用雙極性的同步變頻互補(bǔ)開關(guān)的調(diào)制方式，導(dǎo)通相下橋臂常開，另一對(duì)功率管互補(bǔ)導(dǎo)通，采用此種調(diào)制方式可有效減少非換相和換相期間的電磁轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。