一种直流无刷电机驱动电路的设计与优化

摘 要：设计了一种用于直流无刷电机的控制驱动电路，该电路完全采用分立元件构成，具有成本低、易实现、可靠性高等特点。在简单阐述直流无刷电机工作原理的基础上，分析了其驱动电路的设计要点。结合设计的控制驱动电路，讨论了功率MOS管栅极浮置驱动、互补脉宽调制死区时间设置的问题，分析了驱动电路中振荡产生的原因，并给出优化方法。在最后的实际测试中，验证了该电机驱动电路的各种功能及优化改进后的效果。

关键词：直流无刷电机；驱动电路；功率MOS管；脉宽调制

中图分类号：TM36+1 文献标识码：B

文章编号：1004373X(2008)0312203

Design and Optimization for a Brushless DC Motor Drive Circuit

SONG Huibin,XU Shen,DUAN Deshan

(National ASIC System Engineering Research Center,Southeast University,Nanjing,210096,China)

Abstract：In this paper,a drive circuit for brushless DC motor is proposed.It is designed with discrete elements,has the features of low price,easy way to realize and high reliability.Based on the presentation of motor′s working principle,the paper analyses the important points of the drive circuit design.Some problems are discussed with the proposed circuit,such as the floating gate drive for the power MOSFET,the dead time setup of the complementary PWM outputs,the reasons to form the oscillation and the way to optimize the drive circuitry.In the end of this paper,a test is performed to verify the functions of the circuit and observe the effect after the optimization.

Keywords：brushless DC motor;drive circuitry;power MOSFET;PWM

直流无刷电动机既具有运行效率高、调速性能好，同时又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便的优点，是电机主要发展方向之一[1],现已成功应用于军事、航空、计算机、数控机床、机器人和电动自行车等多个领域。电机驱动电路的性能直接决定了电动机能否正确可靠地运行,本文将结合三相无刷直流电动机的应用，介绍一种驱动电路，并针对驱动过程中的几个要点进行论述与优化，如振荡吸收、死区时间设置等，最后给出实际测试波形与结论。

1 直流无刷电机工作原理

为了便于理解本驱动电路的设计及优化方法，首先简单描述一下直流无刷电机的驱动控制原理。

1.1 三相桥式逆变电路

目前，对于普及的三相直流无刷电机，大多采用三相桥式逆变电路驱动[2]，其结构如图1所示。

图1中底部的3个电感为电机线圈的简单等效模型，6只功率MOSFET作为开关器件使用，组成三相桥式结构。如果将他们按照一定的组合方式和频率进行开关，即能驱动三相无刷直流电机转动。

图1 三相直流无刷电机结构

功率MOSFET的导通顺序如图1所示，由图可知，系统采用三相六拍制单极控制，电动机每转一周都要经过六次换相，每一相都有一个上管和一个下管为导通状态，但同一对上下管不能同时导通，否则相当于电源短路。这六相分别为：Q1+Q6，Q3+Q6，Q3+Q2，Q5+Q2，Q5+Q4，Q1+Q4。在每相中，电流根据导通的功率MOSFET不同，按不同方向流经电机的不同线圈，由此产生持续的旋转磁势，推动电机的转子转动。

1.2 直流无刷电机驱动电路的设计要点

驱动直流无刷电机就是合理驱动各桥臂的功率MOSFET开关，使其按次序导通，设计过程中要注意如下几点：

(1) 功率MOSFET的栅极驱动

一般功率MOSFET的栅极驱动电压VGS为10～15 V，且在开关态中，需要较大的电流驱动，否则上升下降时间会变得很慢，影响驱动效率。从MCU出来的数字信号是不能达到要求的，需要设计电路加大驱动能力。

在电机驱动电路中，由于电流较大，上管都采用N型MOSFET。从图1可看出，每个上管源极的电压是浮动的，因此，上管的栅极驱动电压也必须浮置在源极的电压之上才能有效地开启上管。实现这样的方法有多种，如自举法、隔离电源法、脉冲变压器法、充电泵法、载波驱动法等[3]。

(2) 脉宽调制控制

直流无刷电机的速度控制一般是由脉宽调制(PWM)来实现。在每一相中，采用恒定频率，不同占空比的脉宽信号控制功率MOSFET的导通时间，调节流过电机的电流，改变其转动速度，这个PWM信号的频率一般为数十kHz。常用的PWM模式如表1所示。

表1 常用的PWM模式

称方式优点缺点

2相变频开关式仅上桥臂PWM开关损耗低，直流总线容量小无法快速改变电机速度

4相同步变频开关式上下桥臂同步同相位PWM可快速改变转速总线容量需求大，开关管发热大

4相同步变频互补开关式同对上下管互补PWM，导通相下桥臂常开或PWM优越的过零点控制，降低开关管温度电路设计和器件选配比较严格

(3) 上下开关管互补导通时的死区时间

从图1可以看出，假设某一相为Q1Q4导通，则当Q1进行PWM调制关断时，电机线圈为了保证电流方向不变，会产生感生电势，A端为负，B端为正。由于A端电势比地电位低，电流会通过Q2的寄生二极管放电，如果此时使Q2反相导通辅助放电，则可以大大减小功率MOSFET的温升。所以，当电流较大时，应采用互补开关模式。采用此模式时，为了避免桥臂直通，一般要求上下管栅极控制信号有一个死区时间，以确保在换流时上下管不会同时导通。这个死区时间太长会造成输出电压谐波成分增加，太短则不能发挥应有的作用[4]。其长短可根据电路性能及功率MOSFET的开通关断时间来确定。

(4) 振荡现象

由于电机经常工作在恶劣的环境下，且流过的电流较大，容易在驱动电路中产生振荡,严重时会损坏控制板,故需要在电路设计和布板上进行优化，消除或减弱这些振荡现象，在下面一节中将会根据实际电路进行此方面的讨论。

2 驱动电路的设计与优化

2.1 控制驱动电路原理

本文设计的直流无刷电机驱动电路，采用自举法驱动高压侧开关管，全部采用分立元件，其中一对上下功率MOSFET的驱动电路如图2所示，其余两对开关管的驱动电路与之完全相同。

图2 驱动电路结构

在图2所示的电路中，H_PWM和L_PWM分别为驱动上下开关管的5 V数字逻辑PWM信号。

对于Q2管，不需要浮置栅，驱动方法比较简单。当N2基极的L_PWM为低电平时，N2不导通，N1和P1导通，使得Q2的栅极被15 V电源直接驱动，Q2导通。当L_PWM为高电平时，N2导通，N1,P1关断，Q2栅极电位被拉到地，Q2关断。

对于Q1管，需要栅极浮置驱动，原理如下。当N3基极的H_PWM信号为低电平时，N3和P2都不导通，此时Q1是关断的，而Q2互补导通。15 V电源电压经D1向自举电容C1充电，使得C1两端电压为15 V减去D1的管压降，大概为14 V。当H_PWM信号为高电平时，N3和P2相继导通，自举电容C1两端的电压通过P2加到Q1的栅极上，浮置于源极之上，电压差为14 V左右，保证Q1饱和导通，此时Q2必须是互补关断的，否则将造成桥臂导通，使电源短路。当H_PWM信号再次转为低电平时，P3导通，使Q1的栅极电容迅速放电，及时关断Q1。

2.2 上下开关功率MOSFET互补PWM的实现

提供互补PWM信号可利用具有两路PWM输出的MCU，死区时间由软件给定，但这样成本会比较高。本文设计一种硬件电路实现此功能，并且死区时间可调，其电路结构如图3所示。

图3中的输入信号为MCU给出的一路PWM调制信号，L_PWM和H_PWM为具有死区时间的一对互补PWM控制信号，与图2中相对应。

当PWM信号从低到高时，通过R11对C11充电，C11上端电压逐渐升高，当大于后级反门的门限电压时，信号得以传输过去，其间有个时间差T1。同时，PWM信号也通过R13对C12充电，当C12上端电压大于与门的门限时，信号得以传输过去，其时间差为T2。T1和T2可以通过改变各自RC的值进行改变。

图3 硬件电路结构

电容上电压为：

Uc(t)=Us(1－e－(t/RC))

Us为单片机输出的5 V电压，假设逻辑门的门限电压为Vth，则令Uc(t)=Vth即可算出给定延迟时间t的情况下，RC的取值。

在本应用中，设置T2>T1。当PWM信号从高到低时，C11要通过R11放电，电压缓缓下降到反门的门限电压以下时，信号才能传输过去，其延时为T3。而对于H_PWM，只要PWM一变为低，与门特点是有低出低，所以信号会立刻传输过去，基本没有延迟。又从图2可知，L_PWM信号与Q2栅极驱动信号反相，H_PWM信号与Q1栅极驱动信号同相，这样变得到了图3中的Q1,Q2栅极波形VGS1和VGS2。两个死区时间分别为T2,T1和T3。在以上分析中，门级延迟相对于RC延迟可以忽略不计。

2.3 驱动电路中的振荡现象及优化

MOS管的转换频率一般可以到200 MHz以上，所以由于封装和线路上的各种寄生电抗，会产生寄生振荡问题。同一桥臂上的两个功率MOSFET在开通和关断的转换过程中，由于较高的dv/dt，栅极驱动信号会产生振荡，导致功率MOSFET产生很大的开关损耗。当上管开通时，会在下管栅极产生阻尼衰减振荡信号。更严重的是若振荡的幅值达到功率MOSFET的门限电压，下管将开通，而上管正处于开通状态，此时将造成上下功率管的直通现象，损坏功率管。

开通时间是影响驱动信号振荡幅值的主要因素，二者成反比关系。适当延长器件的开通时间，即可很大程度上减小振幅。因此需在功率MOSFET的栅极前加一个缓冲电阻[5]，人为增加器件的开通时间，在功率MOSFET的栅源极间并联电容以延长栅极电容的充电时间，降低电压变化率，如图2中的C2,C3。缓冲电阻的阻值要设置适当，因为过大的电阻会引起更长的开通和关断时间，不但与减小死区时间的要求相违背，而且还会增加功率MOSFET的开关损耗,因此要根据电流容量和电压的额定值以及开关频率选择合适的缓冲阻值。图2中缓冲电阻为R3,R8，其阻值一般在100 Ω左右。

缓冲电路参数通常的选取原则为：

式中f为功率MOSFET的工作频率。

此外，从布板的角度来说，驱动电路必须靠近MOS管，如图2中的N2应靠近Q2，当Q2关断，其漏极电压从低到高时，栅漏电容的放电电流会使栅极驱动的连接阻抗压降升高，若N2离Q2较远，即连接阻抗过高，则栅极电压过高，容易产生误开启。另外N2应选择电流能力较强的三极管，提高放电速度，可减小上述振荡现象。

3 测试波形

根据本文的设计与优化思路，搭建了直流无刷电机控制驱动的实际电路板，并用一台250 W的三相直流无刷电机作为负载进行了测试，以下是一些测试波形。

图4为一对上下功率MOSFET进行互补PWM时的波形。VG1为上管Q1的栅极电压，VS1为其源极电压，波形分辨率都为13.2 V/div；VG2为下管Q2的栅极电压，3.30 V/div；三个波形的时间分辨率都为7.5 μs/div。

图4 上下功率MOSFET进行互补PWM时的波形

从图4中可以看出当上管Q1导通时，栅极电压是浮置在源极电压上的，压差为14 V左右，上升下降沿也较为理想。上下功率MOSFET的栅极驱动波形VG1,VG2显示为互补导通，有明显的死区时间，保证了两开关管不会同时导通，该电路较为优秀地完成了电机驱动任务。

图5为对系统中出现的振荡现象进行优化前后的测试波形。VD2为下管Q2的漏极电压，20 V/div；VG2为Q2栅极电压，10 V/div；时间分辨率都是100 ns/div。

图5 优化前后的测试波形

图5(a)为优化前的情况，可见当下管Q2漏极电压上[JP+1]升时，其栅极由于上文所述的原因产生较大振荡，振幅最大15 V左右，这完全能把Q2开启，造成上下开关管同时导通。

针对该振荡问题，按照优化思路进行调整，适当加大缓冲电阻值，减小驱动三极管到下管栅极的走线长度，增大驱动三极管的拉电流能力等。再次进行测试，由图5(b)可以看出，改进非常明显，基本消除了振荡现象，这对增加系统的稳定与可靠性有非常大的作用。

4 结 语

本文介绍了一种应用于三相无刷直流电机的控制驱动电路,主要分析了此类电路设计中的注意要点以及优化方法。本电路由分立元件组成，简单可靠、易实现、成本低，并且从测试波形可以看出其性能也较为优异，可以广泛应用。在今后的设计中，若能将该电路集成化，则可更进一步简化电机控制驱动系统的设计，提高稳定性。

参考文献

[1]谭建成.新编电机控制专用集成电路与应用[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]Chris Hill.An Introduction to Low Voltage DC Motors[M].United Kingdom:Philips Semiconductors Application Note AN10293_1,2004.

[3]李正中,孙德刚.高压浮动MOSFET栅极驱动技术[J].通讯电源技术，2003(3)：37―40.

[4]吴凤江,高晗璎,孙力.桥式拓扑结构功率MOSFET驱动电路设计[J].电气传动，2005，35(6)：32―34.

[5]田颖,陈培红,聂圣芳,等.功率MOSFET驱动保护电路设计[J].电力电子技术，2005，39(1)：73―75.

作者简介 宋慧滨 女，1963年出生，黑龙江哈尔滨人，工程师。主要从事数模混合电路、功率器件与电路等方向研究。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。