第２０卷 第９期 电子设计工程 ２０１２年５月 Ｖ０１．２０ Ｎｏ．９ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｙ．２０１２ 基于ＩＲ２１３６的无刷直流电机驱动电路的设计 秦文甫．张昆峰 （中国空空导弹研究院河南洛阳４７１００９） 摘要：实现了一个基于ＩＲ２１３６的适用于无刷直流电机的三相全桥驱动电路的设计。详细介绍了电路的信号隔离模 块、逻辑综合电路、三相逆变驱动电路和过流保护电路。并对电路中的关键参数进行了计算分析和选择，最后通过 Ｓａｂｅｒ仿真分析软件对设计完成的电路进行了仿真。仿真分析结果证明，电路的设计性能完全满足使用要求。 关键词：三相全桥驱动；信号隔离模块；三相逆变驱动；Ｓａｂｅｒ 中图分类号：ＴＭ３８３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—６２３６｛２０１２）０９—０１１８—０３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｄｒｉｖｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒ ＢＬＤＣＭ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＩＲ２１３６ ＱＩＮ Ｗｅｎ—ｆｕ，ＺＨＡＮＧ Ｋｕｎ・ｆｅｎｇ （Ｃｈｉｎａ Ａｉｒｂｏｒｎｅ Ｍｉｓｓｉｌｅ Ａｃａｄｅｍｙ， ｏｙｆｍｇ ４７１００９，Ｃｈｉａｎ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ ｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅ ｄｒｉｖｅｒ ｆｏｒ ＢＬＤＣＭ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＩＲ２１３６ ｃｈｉｐ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ，ｌｏｇｉｃ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｃｉｒｃｕｉｔｓ，ｈｔｒｅｅ－ｐｈａｓｅ ｉｎｖｅｒｔｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓａｍｐｌｉｎｇ ａｎｄ ｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇ ｍｏｄｕｌｅ．Ｔｈｅ ｋｅｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅｒ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｓｅｌｅｃｔｅｄ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｓａｂｅｒ Ｓｉｍｕｌａｔｏｒ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｈｔｅ ｄｒｉｖｅｒ ｃａｎ ｆｕｌｆｉｌｌ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｕｓｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｈｒｅｅ－ｂｒｉｄｇｅ ｆｕｌｌ ｂｒｉｄｇｅ；ｓｉｇｎａｌ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ；ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ ｉｎｖｅｒｔｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ；Ｓａｂｅｒ 随着电力电子技术和高性能永磁材料的发展，无刷直流 电机的应用在航空航天、医疗、家电及自动化领域获得了迅 猛的发展。无刷电机驱动电路是数字控制电路和无刷直流电 机联系的纽带，它采用功率电子开关和霍尔位置传感器代替 有刷电机中的电刷和换相器。接收来自数字电路的控制信 号，将电流分配给无刷电机定子上的Ｕ、Ｖ、Ｗ三相绕组。相对 于数字控制部分，驱动电路是电机控制系统中的薄弱环节。 因此，电机功率驱动模块电路性能的好坏将直接关系到系统 的整体性能和可靠性【 。 图１ ＢＬＤＣＭ驱动电路框图 以ＩＲ公司的专用驱动功率芯片ＩＲ２１３６为中心，采用 Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒ ＢＬＤＣＭ ＭＯＳＦＥＴ作为功率开关器件，完成了三相全桥逆变电路的设 １．１信号隔离部分 计，选用的ＭＯＳＦＥＴ管为ＩＲＦＰ２６０Ｎ。驱动电路接收电机输出 电机控制信号ＰＷＭ和ＤＩＲ产生电路为数字电路，工作 的代表转子位置的３个霍尔信号ＨＡ、ＨＢ、ＨＣ．并接收经过隔 频率比较高，工作电压及电流都比较低。而功率驱动模块的 离处理过的ＰＷＭ波和控制电机转向的方向信号ＤＩＲ，经过 电压和电流比较大。如果驱动模块的高压大电流串入前端控 组合逻辑运算，输出按一定次序控制６个功率ＭＯＳＦＥＴ导通 制数字电路，将会对数字控制电路造成干扰。为了保证ＤＳＰ 与关断的信号。在ＭＯＳＦＥＴ的应用中，驱动、保护这两个问题 可靠工作．必须实现弱信号的ＤＳＰ硬件系统与大电流的功率 必须全面考虑闭。文中详细介绍了功率驱动电路中驱动部分 放大电路之间进行隔离与匹配。本设计中采用集成光耦 和保护部分的设计，并在分析计算的基础上对电路的关键参 ＨＣＰＬ２２３１模块，外围电路如图２所示，该模块由两通道独立 数进行了选择。 光耦组成。光耦隔离实现了单方向传递信号，寄生反馈极小， １功率驱动电路 传输信号带宽为６ ＭＨｚ。完全可以满足需要传输的ＰＷＭ和 ＤＩＲ信号带宽要求。通过信号隔离，避免ＤＳＰ的运行受到功 采用的驱动电路原理框图如图１所示，共包括４个部分： 率放大电路的干扰，提高了整个控制系统的可靠性。另外，通 信号隔离部分、驱动部分、三相逆变桥部分及过流保护部分。 过光耦将隔离后的ＰＷＭ和ＤＩＲ信号提高至１５ Ｖ，从而提高 收稿日期：２０ｌ２一Ｏ３—０４ 稿件编号：２０ｌ２０３Ｏ２４ 了控制信号抗干扰毛刺的能力 。 作者简介：秦文甫（１９７０一），男，河南嵩县人，硕士，高级工程师。研究方向：空空导弹伺服系统总体设计。 一１ｌ８一 秦文甫．等Ｎ１ 一 基于ＩＲ２１３６的无刷直流电机驱动电路的设计 Ｐ１５ＶＰ 件。它带有３个独立的高压侧和低压侧输出通道，其内部采 用自举技术。仅需要一个直流电源，就可输出６路功率开关 Ｉ ＶＣＣ ｌ ］，．７￣ ｉｆ＾ 一 器件的驱动脉冲，仅需要一个直流电源，使其实现了对功率 ＭＯＳＦＥＴ和ＩＧＢＴ的最优驱动，简化了整个驱动电路的设计。 而且ＩＲ２１３６驱动芯片内置死区电路．以及过流保护和欠压 保护等功能。ＩＲ２ｌ３６的控制逻辑输入和ＣＭｏ５、Ｌｓ兀１Ｌ电平兼 容，同时输入带有噪声滤波器，使之有很好的噪声抑制能力［１】。 ＩＲ２１３６驱动一个半桥的电路如图４所示。其中，Ｃ．、ＶＤ ６ ＤＩＲ ＿］ ４ＧⅣＤ ——一 ＧＮＤ 图２信号隔离电路图 Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｉｇｎａｌ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ １．２驱动部分 分别为自举电容和二极管，Ｒｇ为栅极串联电阻。自举电容Ｃ 用来给高压侧的ＭＯＳＦＥＴ提供悬浮电源。一个半桥的高压侧 管在导通前需要先对自举电容Ｃ。充电，当Ｃ 两端电压超过 阈值电压ＭＯＳＦＥＴ的栅极开启电压，高压侧ＭＯＳＦＥＴ导通。 Ｐ１ ５ Ｒ２１ ２驱动部分由组合逻辑电路和功率驱动电路组成。 １．２．１组合逻辑电路 根据控制信号ＰＷＭ和ＤＩＲ方向信号，结合电机霍尔位 置信号ＨＡ、ＨＢ、ＨＣ，以及过流信号ＯＣ，输出控制６个功率管 开通与关断的控制信号。由于ＩＲ２１３６的高端桥臂和低端桥 臂的控制信号为低电平有效，根据无刷电机换相逻辑真值 表，生成逆变桥的６个功率管控制信号的逻辑关系如下： 。ｌ ＶＳ Ｕ Ｓ１＝胛撇０ｃ＆（ＤＩｎ￣ＨＡ）＆（ＤＩＲＱＨＢ） Ｓ２＝（ＤＩＲ￣ＨＡ）＆（ＤＩＲ⑧ＨＣ） ＿＝————ｏ Ｇ４ Ｓ３＝ＰＷＡＭ＆ＯＣ＆（ＤＩＲ￣ＨＢ）＆（ＤＩＲ￣ＨＣ） ￥４＝（ＤＩＲ￣ＨＢ）＆（ＤＩＲ￣ＨＡ） Ｓ５＝ＰＷＭ＆ＯＣ＆（ＤＩＲ￣ＨＣ）＆（ＤＩＲ￣ＨＡ） Ｓ６＝（ＤＩＲ￣ＨＣ）＆（ＤＩＲ￣ｌｉｂ） 根据上述逻辑关系，逻辑综合电路采用选用集成门电路 实现，电路如图３所示。 ＾ Ｂ （ ｝ 图４ ＩＲ２１３６半桥驱动电路 Ｆｉｇ．４ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒｍ ｏｆ ａｈａｌｆ－ｂｒｉｄｇｅ ｄｒｉｖｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＩＲ２１３６ 根据设计要求，自举电容必须能够提供功率管导通时所需 要的栅极电荷。自举电容的最小设计要求一最小电荷要求为： ｃ≥ ５ｘ Ｓ２ Ｓ３ Ｌ Ａ ３ Ｂ ５ Ｃ Ｇ Ｉ￡ Ｈ ４ Ｓ２Ｆ Ｉ ６ Ｓ３Ｆ 其中Ｑ 为功率管充分导通时所需要的栅极电荷， 为 悬浮电源绝对电压，Ｖ 自举二极管的正向压降， 为低压侧 Ｃ Ｄ Ｅ Ｆ 】 ｊ Ｘ Ｉ １ Ｄ Ｊ ８ Ｓ４Ｆ Ｓ５ １１ Ｅ 墨§ ３ Ｆ Ｋ Ｑ Ｓ Ｌ １ ２ Ｓ６Ｆ 功率管的压降。这里Ｑｓ＝２３４ ｎＣ， 啪＝１５ Ｖ，Ｖｅ＝１．３ Ｖ，ＶＩ＝Ｏ．７ Ｖ， Ｃ＝Ｉ．０８ Ｆ。这里选择Ｃ＝Ｉ Ｉ．ＬＦ。 ＹＤ【 ＣＤ４０６９ＵＢ ＹＣＦ ２ Ａ ＹＢ ５ Ｂ ＹＡＦ ６ Ｃ ＹＣ ８ Ｄ ＹＢＦ ９ Ｅ Ｆ ＰｗＭ １ ２ Ｇ Ｈ Ｊ ３ Ｓ２ Ｋ ４ Ｓ４ Ｌ １ ０ Ｓ６ Ｍ １１ ＣＯＮ Ｄ 】４ Ｐ１ ５Ｖ ＶＳＳ ７ ＧＮＤ ＧＮＤ ７ ＶＳＳ ＶＤｎ １４ Ｐ１５Ｖ： ＯＤ４０６９ＬＩＢ 自举二极管用于开关二极管的充放电过程。当高端 ＩＲＦＰ２６０Ｎ管开启时，自举二极管必须承受着和ＩＲＦＰ２６０Ｎ漏 极相同的电压，所以二极管的反向承受电压要大于母线电 压。充放电恢复时间极短，应选用快恢复二极管．以减少自举 电容向电源的回馈电荷。这里选用快恢复二极管ＦＲ１０７作为 自举二极管。ＦＲ１０７的反向恢复时间小于５００ ｎｓ。反向工作 峰值电压１ ０００ Ｖ，正向峰值压降小于１．３ Ｖ．常温反向电流 小于５ Ａ，高温反向峰值电流小于１００ Ａ。 采用ＩＲ２１３６驱动三相逆变桥的六个功率ＭＯＳＦＥＴ的电 ＧＤ４０７３Ｂ 路原理图如图５所示。ＩＲ２１３６内置了４００ ｎｓ的死区时间，防 图３逻辑综合电路 Ｆｉｇ．３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｌｏｓｉｃ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｃｉｒｃｕｉｔ 止同一桥臂的上下２个ＭＯＳＦＥＴ管同时导通。 １．３三相逆变桥部分 １．２．２功率驱动电路 逆变电路的作用是将动力直流电源转换为可以驱动无 刷电机运行的三相交流电Ｕ、Ｖ和ｗ。 通过在ＩＲＦＰ２６０的栅极串联一定电阻。改变ＭＯＳＦＥＴ的 开关速度。这里选择栅极串联一适当大小的电阻。另外，由于 栅源之间的阻抗很高，因此漏源间电压的突变会通过极间电 在电机功率驱动电路中，三相逆变桥电路有６个功率开 关器件，若每个功率开关器件都采用独立的驱动电路驱动。 则需要６个驱动电路，增加了电路的复杂性，可靠性下降。 ＩＲ２１３６是功率ＭＯＳＦＥＴ和ＩＧＢＴ专用栅极集成驱动电 路，它可以驱动工作在母线电压高达６００ Ｖ的功率开关器 容耦合到栅极而产生过高的电压过冲。对于正方向的过冲电 一１１９— 《电子设计工程｝２０１２年第９期 Ｕ１ ２ 而— 器 一＿ｊ１¨Ｆ 需 灌 望 ｕ Ｆ 丽ＮＣ２Ｉ￣ ＩＴＲＩＰ ｖＢ３ＥＨ Ｉ１０３ ＲＣＩＮ ＶＳ３ 。． 守厂 图５ １Ｒ２１３６驱动三相逆变电路图 驽 ＶＳＳ ＮＣＳ Ｃ０Ｍ Ｌ０１ Ｆｉｇ．５ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ｉｎｖｅｒｔｉｎｇ ｄｒｉｖｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂａｓｅｄ Ｏｉｌ ＩＲ２１３６ 压。会引起ＭＯＳＦＥＴ误导通，导致桥臂直通。因此，为了适当 降低栅极驱动电路的阻抗，可以在栅源间并联一大电阻四。如 图６所示。 Ｐ Ｒ２ ２００ｎ Ｇ１—Ｃ＝】＿ １２Ｏ ｋ Ｑ Ｉ Ｕ ２０ ｋ Ｑ Ｉ ｔｄ ２０ ｋ Ｑ Ｉ Ｒ３ ７ ２２０２Ｏｋ ｋｆｌ Ｕ ２Ｏｋ Ｑ Ｉ Ｕ ２０ ２０ｋ ｋ￣ｌ 图６三相逆变全桥电路 Ｆｉｇ．６ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｒｅｅ—ｐｈａ８ｅ ｉｎｖｅｒｔｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ １．４过流保护部分 过流保护电路的作用是避免工作过程中电机出现过电 流时采取的安全措施，当驱动电路控制系统出现过电流时。 关闭三相逆变桥中的功率管。 先对母线电流进行采样检测。经过精密采样电阻将母线 电流信号转换为电压信号ＳＡＭ，然后进行简单的滤波处理后 输入到比较器中，与设定的基准值进行比较，产生过流信号 ＯＣ．ＯＣ信号输出到组合逻辑电路中参与运算。当电流过大时 时。ＯＣ信号为低电平，三相逆变桥的高压端ＭＯＳＦＥＴ关闭， 电机停止工作。本设计中采用ＬＭ３３９芯片实现电路过流保护 功能。过流保护电路如图７所示。 ０４ ｕ ．Ｔ．Ｌ ｃｏ 吕 ， Ｑ Ｌ＝＝＝ 丽 — ｉＯｋＱ ＩＩ ‘ ，ｎ ｌＧＮＤ 图７过流保护电路图 Ｆｉｇ．７ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｆｏ ＯｖｅｖＣｕｒｒｅｎｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ２仿真结果分析 直接调用驱动芯片ＩＲ２１３６、ＩＲＦＰ２６０的ＰＳＰＳＩＣＥ仿真模 ．．１２０－ ｃ蛐 ¨ 型，利用Ｓｙｎｏｐｓｎ∞ Ｕ ｙｓ公司的仿真分析软件Ｓａｂｅｒ对功率驱动电 一路建立仿真分析模型进行分析胸。在仿真模型中，选择栅极串 上 Ｒ 一 联电阻Ｒｅ＝２００ ｎ，栅源极并联电阻Ｒ岱＝２０ ｋＱ，直流母线电 ●。奎 流精密采样电阻Ｒｓ● Ｑ｝●●ｍ ｍ＝０．０５ Ｑ。 其中Ｓ１Ｆ和Ｓ４Ｆ为ＩＲ２１３６一个桥臂的输入控制信号。 Ｇ１一Ｇ，Ｇ４＿Ｇ分别为半桥高压侧ＭＯＳＦＥＴ、低压侧ＭＯＳＦＥＴ的 栅极电压。ＵＡ为电机的三相绕组输入电压。分析得出ＩＲ２１３６ 输入控制信号有效时，ＭＯＳＦＥＴ可靠导通；同时高端ＭＯＳＦＥＴ 导通时．低端ＭＯＳＦＥＴ关闭。 ３结 论 文中设计完成了一个基于ＩＲ２１３６的无刷直流电机的功 率驱动电路。该电路集成了输入欠压、防直通、过流等保护功 能。另外，利用ＩＲ２１３６片内自举功能，实现了全桥驱动电路 的单一电源供电，并根据计算分析对电路的关键参数进行选 择。同时利用仿真分析软件Ｓａｂｅｒ对设计电路进行了仿真，其 仿真结果与理论分析相吻合。 参考文献： 【ｌ】曾建安，曾岳南．ＭＯＳＦＥＴ和ＩＧＢＴ驱动器ＩＲ２１３６７Ｌ其在电机 控制中的作用［Ｊ］．电机技术，２００５（１）：１３—１５． ＺＥＮＧ Ｊｉａｎ—ａｎ．ＺＥＮＧ Ｙｕｅ．ｈａｌ１．ＭＯＳＦＥＴ ａｎｄ ＩＧＢＴ ｄｒｉｖｅｒｓ ＩＲ２１３６ａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＭａｃｈｉｎｅｒｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２Ｏｏ５（１）：１３—１５． ［２】黄玉平．大功率机电伺服系统关键驱动技术研究［Ｊ】．微计 算机信息，２０１０，５（２）：１８４—１８５． ＨＵＡＮＧ Ｙｕ—ｐｉｎｇ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｋｅｙ ｄｒｉｖｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｐｏｗｅｒ ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ】．Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ。２０１０，５（２）：１８４—１８５． 【３】解恩，刘卫国．功率驱动集成电路安全性分析与设计田．微 电机。２０ｏ８（８）：６２—６３，６９． ＸＩＥ Ｅｎ，ＬＩＵ Ｗｅｉ－ｇｕｏ．Ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｏｆ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｄｒｉｖｅ ＩＣ［Ｊ］．Ｍｉｃｒｏｍｏｔｏｒｓ Ｓｅｒｖｏ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，２００８（８）： ６２－６３，６９． ［４】秦文甫，钟宜生，粱晓庚．基＂Ｉ－ＤＳＰ的数字化舵机系统设计 与实ＪＺ［ｒＤ］．北京：清华大学。２００４． 【５］徐申，高海翔．基ｆｆ＇Ｃｄｖ／ｄｔ￣象分析的功率Ｍ０Ｓ管建模【Ｊ］． 东南大学学报，２０１０，４９（１）：１８—２２． ＸＵ Ｓｈｅｎ，ＧＡＯ Ｈａｉ—ｘｉａｎｇ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ＭＯＳＦＥＴ ｆｏｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｃｄｖ，ｄｔ ｉｎｄｕｃｅｄ ｅｆｅｃ￣［Ｊ】．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１０，４９（１）：ｌ８—２２． 『６１ Ｅｒｉｃｋｓｏｎ Ｒ Ｗ，Ｍａｋｓｉｍｏｖｉｃ Ｄ．Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ（Ｓｅｃｏｎｄ ｅｄｉｔｉｏｎ）［Ｍ］．Ｃｏｌｏｒａｄｏ．Ｋｌｕｗｅｒ Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ．２ｏｏ４． Ｏ 岍盯ＯＰ ＰＵ Ｕ２ ＴＴ１Ｏ ０Ｕ Ｕ盯Ｔ Ｔ４ ３Ｔ ＴＰ ＰＵ
