基于IR2181的永磁无刷直流电动机驱动系统设计

彭晓宇

(武汉船舶职业技术学院 机械工程学院，湖北 武汉 430050)

0 引言

无刷直流电机以其优良的机械特性，在社会各界都有很广泛的应用和开发。当前很多的直流电机控制电路一般都采用桥式驱动方案[1-3]，三相全桥驱动结构由于开关器件数目与半桥结构相比，增加了一倍，因此会造成系统成本和重量的增加，并且需要对电机的死区时间保持严格地把控，易造成严重的后果，例如会造成开关管的损坏。这些问题直接导致了无刷直流电机的应用受到了局限。尽管在近代市场上一些集成驱片的出现极大地缓解了上述问题，但依然没有解决大功率用电器驱动不足这个致命的问题，本文提出了一种由三相全桥驱动电路和IR2181驱动芯片共同组成的大功率直流电机驱动系统。IR2181的驱动芯片能够很好地工作在金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)电路中，并在实际操作中有良好的可行性。验证了基于IR2181的永磁无刷直流电动机驱动系统的利用价值。

1 硬件电路设计

1.1 基于IR2181芯片的驱动电路设计

IR2181驱动三相逆变器功率MOS管电路共用3个IR2181驱动芯片对三相逆变器6个MOS管进行PWN控制，每个IR2181控制同一桥臂两个MOS管。R21和D21为自举电容和自举二极管，R21，R22为栅极限流电阻，C22为+5 V电源的旁路电容，RA，RBUS为电流检测电阻。IR2181是一种具有双通道输出的高压浮动开关器件栅极集成驱动巧片。使用一个IR2181芯片只用一路电源，利用自举电路就可以同时驱动同一桥臂上下两个功率MOS管，简化了驱动电源的设计。IR2181中高压侧驱动信号可以浮动到600 V，用于驱动上桥臂N沟道功率MOS管。其逻辑输入兼容3.3 V和5 V标准CMOS或LSTTL电平，具备欠压锁定输出通道的保护功能。

驱动电路的工作方式直接影响逆变电路中开关管的一些参数和特性，从而影响整个电机控制系统的正常工作。由于各开关管的种类不同，其对驱动信号的要求也不尽相同，因而对应的驱动电路也不同。传统的驱动电路大多是采用分立元件搭建而成，这种电路结构复杂、调试困难，而且可靠性差。随着集成电路技术的发展，出现了很多具有一定输出功率的专用集成电路。本文选用美国公司生产的IR2181驱动芯片，是大功率以及专用驱动集成电路，驱动信号延时为级，其主要特点和性能为集成度高，两路驱动，所需外围元件少偏置电压最大，驱动电流，栅压范围一，开关时间典型值。内部的悬浮电源保证了其直接可用于母线电压为一的系统中来驱动功率[1]。

1.2 电路工作流程

本文设计的永磁无刷直流电动机的理论工作流程为：首先由dsPIC单片机直接控制IR2181驱动芯片，由驱动芯片直接控制下面的MOSFET驱动电路，也就是三相全桥电路，然后通过三相全桥电路控制永磁无刷电动机的正常工作。整个工作流程简洁，极大地提高了永磁无刷直流电动机的工作效率，降低了操作的难度。

在无刷直流电动机中，当定子绕组的某一相导通的时候， 都会有一个绕组接电源正极(电流流入)，第二个定子绕组接电源的负极(电流流出)，第三个定子绕组处于失电状态。电流产生的磁场和转子永久磁钢的磁极产生的磁场作用形成转矩，使得电机转动。在理想状态时，当两个磁场正交时，转矩最大，当两个磁场平行时，转矩最弱。因此，为保持电机持续转动，必须需要定子绕组产生的磁场不断变换方向，需要利用电子开关线路的导通次序来控制定子绕组各相的通断顺序，此时的电子开关起到了机械换向器的作用。永磁无刷直流电动机在结构上可以看作是一台永磁式同步电动机，电子开关线路驱动器以及位置检测器三者构成的电机系统。当位置传感器将转子位置转换成电信号，控制开关电路的通断，从而控制定子绕组各相的通断顺序，定子相电流会随转子位置的变化产生次序的换向，产生驱动电机转动的不断变化方向的转矩，转子从而转动起来[2]。

2 IR2181调试波形测试

本实验的样机为有传感器永磁无刷直流电动机，三相2对磁极结构，定子电枢绕组为三相星型接法，采用“两相导通三相六拍”运行方式。

将完成的硬件实物图放入到整个系统中，通过示波器测试出IR2181驱动芯片的几个引脚的波形如图1—4所示，图1为HI与VB1波形图，图2为VB1和HO波形图， 图3和图4分别是VB1和VS1和VS1和HO的波形图。

图1 HI与VB1波形

图2 VB1和HO波形

图3 VB1和VS1波形

图4 VS1和HO波形

当Hi引脚接收到PWM端口的脉冲信号后，VB1端口随即产生了一个对应的信号，在电容的影响下产生一个高于SB1的电压信号。而HO端口在芯片内部的选择下自行选择。当选择VB端口电压时，MOSFET管口VT1上端会产生一个高电压，上桥导通；当选择VS端口电压时，MOSFET管口上端电压低于下端，上桥断开。3个IR2181驱动芯片分别操控3个全桥电路，从而使三线线圈中电流的方向发生改变，继而控制永磁无刷直流电机的转动[3]。

此外，研究人员还进行了反电动势测试，通过观察，该设计方案满足三相之间的电流转换，可以使转子成功转动。由此，本研究可以得出结论：该系统可以稳定地完成电机的日常工作，是较为完善的电机驱动系统。

3 结语

本文在对无刷直流电机驱动系统的基本结构、工作原理进行深入了解的基础上，对应给定的电机控制性能指标，设计实现了高速大功率无刷直流电机驱动系统。为了能对高速大功率的无刷直流电机进行驱动，系统采用IR公司的IR2181驱动芯片模块作为功率驱动。设计出一项稳定合理，利用率高的驱动电路系统。驱动系统是永磁无刷直流电动机的重中之重，由于MOSFET的驱动电路设计不当极易导致MOSFET管损坏，因此利用成熟驱动控制芯片IR2181S设计出具体电路，对提高 MOSFET的可靠性具有极大的作用，同时还降低控制系统的成本，提高电机工作的工作效率，增强电机的工作性能，并对无刷直流电机驱动系统的进一步研究具有重要意义。