基于IR2181的永磁無刷直流電動機驅動系統設計

彭曉宇

(武漢船舶職業技術學院 機械工程學院，湖北 武漢 430050)

0 引言

無刷直流電機以其優良的機械特性，在社會各界都有很廣泛的應用和開發。當前很多的直流電機控制電路一般都采用橋式驅動方案[1-3]，三相全橋驅動結構由于開關器件數目與半橋結構相比，增加了一倍，因此會造成系統成本和重量的增加，并且需要對電機的死區時間保持嚴格地把控，易造成嚴重的后果，例如會造成開關管的損壞。這些問題直接導致了無刷直流電機的應用受到了局限。盡管在近代市場上一些集成驅片的出現極大地緩解了上述問題，但依然沒有解決大功率用電器驅動不足這個致命的問題，本文提出了一種由三相全橋驅動電路和IR2181驅動芯片共同組成的大功率直流電機驅動系統。IR2181的驅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動系統的利用價值。

1 硬件電路設計

1.1 基于IR2181芯片的驅動電路設計

IR2181驅動三相逆變器功率MOS管電路共用3個IR2181驅動芯片對三相逆變器6個MOS管進行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器件柵極集成驅動巧片。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動同一橋臂上下兩個功率MOS管，簡化了驅動電源的設計。IR2181中高壓側驅動信號可以浮動到600 V，用于驅動上橋臂N溝道功率MOS管。其邏輯輸入兼容3.3 V和5 V標準CMOS或LSTTL電平，具備欠壓鎖定輸出通道的保護功能。

驅動電路的工作方式直接影響逆變電路中開關管的一些參數和特性，從而影響整個電機控制系統的正常工作。由于各開關管的種類不同，其對驅動信號的要求也不盡相同，因而對應的驅動電路也不同。傳統的驅動電路大多是采用分立元件搭建而成，這種電路結構復雜、調試困難，而且可靠性差。隨著集成電路技術的發展，出現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的IR2181驅動芯片，是大功率以及專用驅動集成電路，驅動信號延時為級，其主要特點和性能為集成度高，兩路驅動，所需外圍元件少偏置電壓最大，驅動電流，柵壓范圍一，開關時間典型值。內部的懸浮電源保證了其直接可用于母線電壓為一的系統中來驅動功率[1]。

1.2 電路工作流程

本文設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驅動芯片，由驅動芯片直接控制下面的MOSFET驅動電路，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，當定子繞組的某一相導通的時候， 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極(電流流出)，第三個定子繞組處于失電狀態。電流產生的磁場和轉子永久磁鋼的磁極產生的磁場作用形成轉矩，使得電機轉動。在理想狀態時，當兩個磁場正交時，轉矩最大，當兩個磁場平行時，轉矩最弱。因此，為保持電機持續轉動，必須需要定子繞組產生的磁場不斷變換方向，需要利用電子開關線路的導通次序來控制定子繞組各相的通斷順序，此時的電子開關起到了機械換向器的作用。永磁無刷直流電動機在結構上可以看作是一臺永磁式同步電動機，電子開關線路驅動器以及位置檢測器三者構成的電機系統。當位置傳感器將轉子位置轉換成電信號，控制開關電路的通斷，從而控制定子繞組各相的通斷順序，定子相電流會隨轉子位置的變化產生次序的換向，產生驅動電機轉動的不斷變化方向的轉矩，轉子從而轉動起來[2]。

2 IR2181調試波形測試

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

將完成的硬件實物圖放入到整個系統中，通過示波器測試出IR2181驅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Hi引腳接收到PWM端口的脈沖信號后，VB1端口隨即產生了一個對應的信號，在電容的影響下產生一個高于SB1的電壓信號。而HO端口在芯片內部的選擇下自行選擇。當選擇VB端口電壓時，MOSFET管口VT1上端會產生一個高電壓，上橋導通；當選擇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生改變，繼而控制永磁無刷直流電機的轉動[3]。

此外，研究人員還進行了反電動勢測試，通過觀察，該設計方案滿足三相之間的電流轉換，可以使轉子成功轉動。由此，本研究可以得出結論：該系統可以穩定地完成電機的日常工作，是較為完善的電機驅動系統。

3 結語

本文在對無刷直流電機驅動系統的基本結構、工作原理進行深入了解的基礎上，對應給定的電機控制性能指標，設計實現了高速大功率無刷直流電機驅動系統。為了能對高速大功率的無刷直流電機進行驅動，系統采用IR公司的IR2181驅動芯片模塊作為功率驅動。設計出一項穩定合理，利用率高的驅動電路系統。驅動系統是永磁無刷直流電動機的重中之重，由于MOSFET的驅動電路設計不當極易導致MOSFET管損壞，因此利用成熟驅動控制芯片IR2181S設計出具體電路，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動系統的進一步研究具有重要意義。