基于國(guó)產(chǎn)EG2181的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

王郅祺，王相超

（杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江杭州，310018）

0 引言

無(wú)刷直流電機(jī)在汽車、工業(yè)控制、航天等各領(lǐng)域都有著極其廣泛的運(yùn)用，相較于傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)，無(wú)刷直流電機(jī)擁有效率更高、壽命更長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，因此，無(wú)刷直流電機(jī)往往應(yīng)用于大電流、大功率的場(chǎng)景。這也使得無(wú)刷直流電機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求比較高。傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，需要采用相互獨(dú)立的電源為功率開(kāi)關(guān)管供電，使得電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性較低[1]。采用國(guó)產(chǎn)專用功率驅(qū)動(dòng)芯片與功率開(kāi)關(guān)管，不僅可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，又能滿足需求，節(jié)省一定成本。

本文使用屹晶微公司生產(chǎn)的專用功率驅(qū)動(dòng)芯片EG2181，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本方案的可靠性和可行性。

1 EG2181驅(qū)動(dòng)芯片

EG2181是由屹晶微公司推出的一款專大功率MOS管、IGBT管柵極驅(qū)動(dòng)專用芯片，內(nèi)部集成邏輯信號(hào)處理電路、死區(qū)時(shí)間控制電路、輸出驅(qū)動(dòng)等電路，專用于無(wú)刷電機(jī)控制器中的驅(qū)動(dòng)電路。

HIN為邏輯輸入引腳，控制高端MOSFET的開(kāi)關(guān)；LIN為邏輯輸入引腳，控制低端MOSFET的開(kāi)關(guān)；GND為芯片的地端；LO輸出控制低端MOSFET的開(kāi)關(guān)；Vcc為芯片工作電源輸入端；VS是高端懸浮地端；HO控制高端MOSFET開(kāi)關(guān)；VB為高端懸浮電源。

EG2181高端的最大工作電壓可達(dá)600V，低端VCC最大可輸入電壓20V，最大輸出電流2.5A，采用 SOP8 封裝，體積小、性能強(qiáng)。

2 無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

電路整體分成緩沖隔離、預(yù)驅(qū)動(dòng)、三相逆變、過(guò)流保護(hù)四部分。

2.1 緩沖隔離電路

由于單片機(jī)引腳驅(qū)動(dòng)能力有限，為了提高驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)為了避免昂貴的控制芯片直接和后級(jí)高壓部分接觸產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)，中間采用74LVC245芯片作為緩沖隔離電路。

圖2 74LVC245電路圖

2.2 預(yù)驅(qū)動(dòng)電路

直流無(wú)刷電機(jī)往往使用在大電流場(chǎng)景，為了能夠驅(qū)動(dòng)大電流大功率電機(jī)，就需要把從單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)放大成足夠強(qiáng)，適用于外部設(shè)備的強(qiáng)電信號(hào)。EG2181最大輸出電流為2.5A，擁有非常強(qiáng)悍的驅(qū)動(dòng)能力。

無(wú)刷直流電機(jī)具有3個(gè)接線端，需要3個(gè)相同的EG2181電路來(lái)同時(shí)驅(qū)動(dòng)，圖3為其中一部分電路。

圖3 EG2181電路圖

C11為濾波電容，濾除輸入電源的紋波，使芯片穩(wěn)定工作。

C12為自舉電容，D12為自舉二極管，為高壓端的MOSFET提供電源。一個(gè)半橋的高壓端管在導(dǎo)通前需要先對(duì)電容C12充電，當(dāng)其兩端電壓超過(guò)閾值電壓MOSFET的柵極開(kāi)啟電壓，高壓側(cè)MOSFET導(dǎo)通[2]。

圖1 EG2181管腳定義

自舉電容必須為開(kāi)關(guān)管提供導(dǎo)通時(shí)所需要的柵極電荷。取值一般遵從：

Qg為MOSFET導(dǎo)通時(shí)所需要的電荷量，Vc

c為懸浮電源絕對(duì)電壓，Vf為自舉二極管正向壓降，Vl為低壓側(cè)功率管壓降。自舉電容的取值要根據(jù)其他元件的參數(shù)選定，實(shí)際一般取10μF即可滿足條件。

自舉二極管的反向承受電壓大于母線電壓，本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)輸入PWM頻率為50kHz，MOSFET在實(shí)際使用中開(kāi)關(guān)頻率很高，所以應(yīng)該選擇耐壓值高的快恢復(fù)二極管，這里選用FR107二極管，反向耐壓1000V，反向恢復(fù)時(shí)間小于500ns。

R11、R12、R13、R14為偏置電阻，在沒(méi)有信號(hào)接入時(shí)可將芯片輸入引腳拉低，防止誤操作。

D11為瞬態(tài)抑制二極管，用于吸收電源開(kāi)啟瞬間造成的浪涌大電壓，從而保護(hù)后級(jí)。

2.3 三相逆變電路

由MOSFET和電阻、二極管構(gòu)成的三相逆變電路，能夠?qū)⒅绷麟娹D(zhuǎn)化成三相無(wú)刷電機(jī)所真正需要的三相交流電。是整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路中最為重要的部分。圖4為其中一相的電路，整體由同樣的3組電路構(gòu)成。

圖4 MOSFET逆變電路

HOA信號(hào)為EG2181高端MOSFET控制引腳輸出信號(hào)，LOA信號(hào)為EG2181低端MOSFET控制引腳輸出信號(hào),VSA為輸出信號(hào)。

Q1、Q2、Q3、Q4為NEMOSFET，上下兩側(cè)分別構(gòu)成上下橋臂，同一路上下兩MOSFET不能同時(shí)導(dǎo)通，否則會(huì)因?yàn)殡娏鬟^(guò)大直接燒毀元件。圖中采用MOSFET并聯(lián)結(jié)構(gòu)，能夠提高載流能力。MOSFET選型原則上需要有較強(qiáng)載流能力，開(kāi)關(guān)頻率高，耐壓值高，本設(shè)計(jì)采用BSC014N04LS場(chǎng)效應(yīng)管，其擁有高達(dá)198A的短時(shí)漏極載流和最高20V的柵極耐壓，TDSON-8FL封裝也能帶來(lái)較小的寄生參數(shù)和較好的散熱。

R22、R24電阻主要有兩個(gè)作用，首先是在MOSFET柵極輸入懸空時(shí)，避免漏極電壓直接通過(guò)柵漏兩極之間的寄生電容倒灌到柵極，及時(shí)泄放掉電荷，防止誤觸發(fā)和意外擊穿，從而保護(hù)MOSFET；其次，防止靜電損壞MOSFET。電阻典型取值為10kΩ或20kΩ。

R21、R23為柵極電阻，由于線路中阻抗和雜散電感的存在，MOSFET柵極在硬開(kāi)關(guān)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生震蕩[3]。如果在輸入PWM波形低電平的時(shí)候產(chǎn)生了震蕩且超過(guò)了柵極的門(mén)限電壓，就會(huì)造成MOSFET的誤導(dǎo)通，不僅會(huì)增加損耗，更嚴(yán)重情況下會(huì)使得上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通產(chǎn)生超大電流燒毀元器件；高電平震蕩則可能因?yàn)槌鯩OSFET極間耐壓值從而擊穿MOSFET。柵極電阻則能夠消耗部分能量，從而有效抑制震蕩改善波形，電阻取值往往需要根據(jù)實(shí)際實(shí)驗(yàn)情況選取，圖5和圖6是測(cè)試時(shí)電阻分別取4.7Ω和10Ω時(shí)MOSFET輸出波形的對(duì)比，當(dāng)柵極電阻大小為4.7Ω時(shí)最大震蕩電壓為17.2V，當(dāng)柵極電阻大小為10Ω時(shí)最大震蕩電壓為13.8V，由此可見(jiàn)適當(dāng)增大柵極電阻能有效改電壓善震蕩問(wèn)題，但需要注意柵極電阻最好不要過(guò)大，否則會(huì)造成開(kāi)關(guān)波形上升時(shí)間過(guò)長(zhǎng)致使MOSFET發(fā)熱損耗嚴(yán)重[4]。

圖5 R=4.7Ω時(shí)開(kāi)關(guān)電壓波形

圖6 R=10Ω時(shí)開(kāi)關(guān)電壓波形

D21、D22為二極管，能夠加速M(fèi)OSFET柵極波形從高電平轉(zhuǎn)到低電平的時(shí)間，加速開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。應(yīng)該選擇反向恢復(fù)時(shí)間較短的二極管，本設(shè)計(jì)選型為1N4148快恢復(fù)二極管，反向恢復(fù)時(shí)間小于350ns。

C21為電解電容，無(wú)刷直流電機(jī)作為感性負(fù)載，在工作時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)降低電源質(zhì)量，從而影響電路穩(wěn)定性。電解電容能夠有效吸收無(wú)刷電機(jī)產(chǎn)生的疊加在母線上的紋波電壓[5]，其耐壓值的選取一般為所承受電壓的2倍，本次設(shè)計(jì)中電壓值為12V，故選取25V耐壓、容值為470μF的電解電容。

R25為采樣電阻，用于后續(xù)過(guò)流保護(hù)模塊的采樣。

2.4 過(guò)流保護(hù)電路

通過(guò)電阻采樣得到電壓信息，連接至單片機(jī)并換算成電流，當(dāng)?shù)玫降碾娏鞒^(guò)程序內(nèi)部設(shè)定的閾值時(shí)就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉輸出，從而起到過(guò)流保護(hù)的作用，這一點(diǎn)對(duì)于整個(gè)電路的安全性具有非常重要的意義，本設(shè)計(jì)由COS8552運(yùn)放芯片實(shí)現(xiàn)，具體電路見(jiàn)圖7。

圖7 過(guò)流保護(hù)電路

1片COS8552芯片包含2個(gè)運(yùn)放，具有相同的2路電流檢測(cè)電路，現(xiàn)對(duì)具體1路解釋說(shuō)明。VREF為參考電壓，IA為三相逆變電路中其中一相采樣電阻上端電壓，ISUM為上述采樣電阻下端電壓，CU_A為輸入到單片機(jī)的電壓信息，三者關(guān)系滿足：

圖上電阻選擇應(yīng)滿足關(guān)系式：

3 測(cè)試

完成電路設(shè)計(jì)后，需要將實(shí)物制作出來(lái)并進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試所用電機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電機(jī)部分參數(shù)

無(wú)刷直流電機(jī)需要通過(guò)有規(guī)律地對(duì)三相定子繞組通電才能驅(qū)動(dòng)。為了方便測(cè)試，使用單片機(jī)產(chǎn)生所需要的PWM信號(hào)來(lái)使無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并進(jìn)行信號(hào)不同占空比情況下的轉(zhuǎn)速測(cè)試、電流測(cè)試。

表2為轉(zhuǎn)速測(cè)試情況，由單片機(jī)產(chǎn)生不同目標(biāo)轉(zhuǎn)速的PWM信號(hào)，并用霍爾傳感器測(cè)得實(shí)際轉(zhuǎn)速信息并計(jì)算相應(yīng)誤差，受傳感器精度、電機(jī)實(shí)際生產(chǎn)情況、電路板走線布局等因素影響，數(shù)據(jù)本身存在誤差，不一定完全準(zhǔn)確。在測(cè)得的15組數(shù)據(jù)中，前5組轉(zhuǎn)速取值間隔為1171RPM/min，后10組轉(zhuǎn)速取值間隔為586RPM/min。轉(zhuǎn)速平均誤差為1.45%，最大誤差3.16%，最小誤差0.29%，誤差較小，符合實(shí)際應(yīng)用的需求。

表2 電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)試

表3為不同目標(biāo)轉(zhuǎn)速情況下電機(jī)空載電流大小，在以下不同目標(biāo)轉(zhuǎn)速情況下各運(yùn)行10分鐘，僅電機(jī)產(chǎn)生微熱，電路板能夠穩(wěn)定工作運(yùn)行。且當(dāng)在電機(jī)運(yùn)行時(shí)用手進(jìn)行堵轉(zhuǎn)測(cè)試時(shí)，堵轉(zhuǎn)產(chǎn)生的大電流超過(guò)了程序內(nèi)部設(shè)定的電流閾值，造成單片機(jī)輸出關(guān)閉，有效保護(hù)了電路。

表3 電機(jī)電流測(cè)試

4 結(jié)語(yǔ)

本文給出基于國(guó)產(chǎn)驅(qū)動(dòng)芯片EG2181的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案。詳細(xì)介紹了緩沖隔離、預(yù)驅(qū)動(dòng)、逆變橋、過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)方案，給出元器件選型原則和具體選型。最后利用單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)，對(duì)13.5T額定功率為190W的無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，對(duì)比實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速與程序設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，兩者非常接近，且在電機(jī)啟動(dòng)、停止、變速、長(zhǎng)時(shí)間工作情況下系統(tǒng)均能保持穩(wěn)定工作，對(duì)其進(jìn)行堵轉(zhuǎn)測(cè)試時(shí)過(guò)流保護(hù)電路也能有效發(fā)揮作用，測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了基于EG2181進(jìn)行無(wú)刷直流電機(jī)設(shè)計(jì)的可行性。采用國(guó)產(chǎn)驅(qū)動(dòng)芯片也能夠在滿足性能的同時(shí)大幅降低成本。