基于IR2136的三相电机控制

亮剑7mgtxtuz0o 2023-02-07 发布于江苏

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直流无刷电机的工作原理

无刷直流主要由三部分组成：电机本身、霍尔位置传感器、电子换相电路。图中A，B，C 三个Y 型连接的电感为电机的简单等效模型，6只功率MOS管Q1~Q6组成功率逆变器。
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位置传感器作为转子位置检测的装置，是无刷直流电机系统中的重要组成部分之一，电机每转一周，位置传感器就会按顺序输出对应换相的6个编码，控制芯片在接收到位置信息后，经过内部程序处理，输出控制功率开关管的开通与关断的PWM信号，使定子各相绕组电流按一定次序导通，通过不断换相，使电机旋转起来。

电机霍尔传感器工作原理

如图三个不同位置的圆柱状代表三个安装位置相差120°的霍尔传感器，霍耳的信号线传递电机里面磁钢相对于线圈的位置，根据三个霍尔的信号控制器能知道此时应该如何给电机的线圈供电（不同的霍耳信号，应该给电机线圈供相对应方向的电流），就是说霍尔状态不一样，线圈的电流方向不一样。
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霍尔信号传递给控制器，控制器通过粗线（不是霍尔线）给电机线圈供电，电机旋转，磁钢与线圈（准确的说是缠在定子上的线圈，其实霍尔一般安装在定子上）发生转动，霍尔感应出新的位置信号，控制器粗线又给电机线圈重新改变电流方向供电，电机继续旋转（线圈和磁钢的位置发生变化时，线圈必须对应的改变电流方向，这样电机才能继续向一个方向运动，不然电机就会在某一个位置左右摆动，而不是连续旋转），这就是电子换相。

IR2136 驱动芯片

IR2136 是IR公司推出的专用IGBT 和MOSFET 驱动集成芯片，内部有欠压保护与过流保护功能，可靠性和集成度高，可大大简化硬件电路的设计。
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VCC引脚是电源输入端，可以为低侧提供电源，还可为内部逻辑电路供电。HIN为高侧门极驱动逻辑输入引脚，低电平有效，经过施密特触发器、电平转换、滤波、放大等通道，最后驱动上桥臂MOS管。LIN为低侧门极驱动逻辑输入引脚，驱动下桥臂MOS管。HO，LO对应高低侧门极驱动输出。VB为高压侧基极浮动电压输出端。VS为高压侧浮动射极输出端。ITRIP 是过流检测引脚，FAULT是故障输出引脚。

无刷直流电机驱动电路的设计

整个电路设计主要包括了光耦隔离电路、三相逆变驱动电路、过流检测电路。

光耦隔离电路

IR2136 的输入信号来自微处理器，是控制系统中的弱电部分；而功率驱动模块外接电机运转，是电机控制中的强电部分。为了保证微处理器电路的安全工作，必须使用隔离电路将微处理器电路与大电流功率的驱动电路之间隔离开。若IR2136前端未加隔离电路，当电路中的开关器件损坏，高压将直接加在IR2136上，导致IR2136前级电路击穿，控制芯片烧毁。隔离电路的功能主要采用光耦实现。考虑PWM波的频率，选择高速光耦HCPL⁃0631进行隔离。电路设计如图所示。
在这里插入图片描述 PWM信号经过反相器，将输入的低信号拉高，送给光耦，为防止流入光耦电流过大，加入一个限流电阻R64，取值390 Ω。光耦电路供电电源是隔离5 V 电源，由电源模块供电。通过隔离电路，成功地将强电信号与弱电信号进行隔离并提高了电路的抗干扰能力。

三相逆变驱动电路

驱动电路由驱动芯片IR2136 和6 路MOS管组成。如图所示，功率场效应管因其开关速度快、工作频率高、不存在二次击穿等显著优点在中小型功率开关电路中应用极为广泛。
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MOS 管作高速电子开关用，高侧MOS 管Q1，Q3，Q5漏极接高压，源极接负载，为确保高侧MOS管饱和导通，栅极驱动电压必须浮置在源极电压之上。这时需要在外部增加一个自举电路，给IR2136 的VB和VS两端供电，驱动功率管栅极导通。一般MOS管的栅源导通电压为10~15 V，这里选择15 V 供电电源。低侧MOS管因源极接地，驱动方法比较简单，可由驱动芯片15 V电源直接驱动栅极。

自举电容的选型

自举电路的工作原理：逆变驱动电路中，每一对上下管都是交替导通的，以Q1，Q3管为例，当上管Q1关断，下管Q2导通时，VS1 引脚电位为Q2管饱和压降，基本为低电位，此时15 V的电源通过自举二极管D27给自举电容C84 充电。当下管Q2 关闭，上管Q1 导通时，自举电容放电，给上功率管Q1提供饱和导通的电压。自举电容取值是电路设计的关键。上管导通时自举电容必须在短时间内提供足够的电荷，太小达不到驱动要求，过大会影响驱动性能，所以应该结合MOS管的工作频率、门极特性等方面综合考虑。本次设计MOS管工作频率为16 kHz，结合MOS管的工作特性，自举电容C84，C86，C87取10 μF。

自举二极管的选型

自举二极管是自举电路中的核心元件，其反向电压应大于MOS 管母线上的高压，额定电流大小为开关管开关频率与自举电容提供的栅极电荷之积。由于MOS管工作频率较高，充放电时间较短，自举电容向电源的电荷回馈会使得电荷损失，所以应当选用反向漏电流小、恢复时间快的二极管。这里选用超快恢复二极管SFR104S，D27，D29，D31所示，反向恢复时间小于120 ns，最大承受400 V反向峰值电压。

功率管保护电阻设计

在MOS管频繁的关断中，若栅极和源极之间的阻抗太高，漏源间的电压突然变化会通过极间电容耦合到栅极，导致栅源间产生相当高的尖峰电压，这一电压会直接击穿功率管氧化层，对MOS管造成永久破坏。为保护MOS 管安全工作，可以选择并接一个电阻与齐纳二极管。以Q1 为例，在栅极和源极间并联一个100 Ω的电阻R83，再并联一个18 V的齐纳二极管D24。由于电路中的各种寄生电容与电感，可能会形成震荡现象，不仅会增大MOS管的功率损耗，还有可能导致上下桥臂直通，烧坏功率管。在栅极前端加入一个缓冲电阻，可以有效调节MOS管开关速度，还可以防止上下桥臂直通。一般需要在开关时间与驱动效果之间折中选择。仍以Q1 为例，在栅极前端加入电阻R78，取值100 Ω，而且采用了一个二极管D23 与等值电阻R75并联，上电时二极管不工作，放电时二极管导通，电阻降低迅速放电，起到快速关断MOS管的作用（慢开快关）。

保护电路设计

驱动电路的正常运转离不开保护电路，通过电路保护，可以大大提高逆变驱动电路的可靠性。之前介绍过IR2136 的过流保护引脚ITRIP 与故障输出引脚FAULT，利用此设计了三相逆变电路的过流保护电路。过流检测电路如图所示。
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该电路主要由一个采样电阻R311和一个电压比较器U182 组成，R311 上端接低侧MOS 管的漏极，取值22 mΩ，作用是将电流信号转化为电压信号。当逆变驱动电路中的电流超过阈值，则电压U1>U2。电压比较器会输出一个高电平给ITRIP引脚，IR2136会切断门极驱动输出信号，并通过FAULT 引脚给主控芯片发送过流信号。