详细无刷电机驱动程序 五款无刷电机驱动电路

五款无刷电机驱动电路

　　1、三相六臂全桥驱动电路

　　无刷直流电机驱动控制电路如图1 所示。该电路采用三相六臂全桥驱动方式，采用此方式可以减少电流波动和转矩脉动，使得电机输出较大的转矩。在电机驱动部分使用6个功率场效应管控制输出电压，四轴飞行器中的直流无刷电机驱动电路电源电压为12 V.驱动电路中，Q1~Q3采用IR公司的IRFR5305（P沟道），Q4~Q6为IRFR1205（N 沟道）。该场效应管内藏续流二极管，为场效应管关断时提供电流通路，以避免管子的反向击穿，其典型特性参数见表1.T1~T3 采用PDTC143ET 为场效应管提供驱动信号。

由图1 可知，A1~A3 提供三相全桥上桥臂栅极驱动信号，并与ATMEGA16单片机的硬件PWM驱动信号相接，通过改变PWM信号的占空比来实现电机转速控制;B1~B3提供下桥臂栅极驱动信号，由单片机的I/O口直接提供，具有导通与截止两种状态。

无刷直流电机驱动控制采用三相六状态控制策略，功率管具有六种触发状态，每次只有两个管子导通，每60°电角度换向一次，若某一时刻AB 相导通时，C 相截至，无电流输出。单片机根据检测到的电机转子位置，利用MOSFET的开关特性，实现电机的通电控制，例如，当Q1、Q5 打开时，AB 相导通，此时电流流向为电源正极→Q1→绕组A→绕组B→Q5→电源负极。类似的，当MOSFET 打开顺序分别为Q1Q5，Q1Q6，Q2Q6，Q2Q4，Q3Q4，Q3Q5时，只要在合适的时机进行准确换向，就可实现无刷直流电机的连续运转。

　　2、三相全桥驱动电路

　　下图为无刷电机的三相全桥驱动电路，使用六个N沟道的MOSFET管（Q1～Q6）做功率输出元件，工作时输出电流可达数十安。为便于描述，该电路有以下默认约定：Q1/Q2/Q3称做驱动桥的“上臂”，Q4/Q5/Q6称做“下臂”。​​

图中R1/R2/R3为Q1/Q2/Q3的上拉电阻，连接到二极管和电容组成的倍压整流电路（原理请自行分析），为上臂驱动管提供两倍于电源电压（2×11V）的上拉电平，使上臂MOSFET在工作时有足够高的VGS压差，降低MOSFET大电流输出时的导通内阻，详细数据可参考MOS管DataSheet。

　　上臂MOS管的G极分别由Q7/Q8/Q9驱动，在工作时只起到导通换相的作用。下臂MOS由MCU的PWM输出口直接驱动，注意所选用的MCU管脚要有推挽输出特性。

　　3、单片机控制直流无刷电动机驱动及接口电路图

　　图1示出采用8751单片机来控制直流无刷电动机的原理框图。8751的P1口同7406反相器联结控制直流无刷电动机的换相，P2口用于测量来自于位置传感器的信号H1、H2、H3，P0口外接一个数模转换器。​

图1 直流无刷电动机计算机控制原理图

　　4、电动车无刷电机控制器驱动电路图

5、全桥驱动电路

　　无刷直流电机一般使用全桥驱动，即6个MOSFET分别构成上臂和下臂，通过MCU具有推挽输出的IO口控制，或者使用电机驱动专用芯片控制。

　　最常用的应该是3个P-MOS+3个N-MOS，电路结构简单。如下图所示。

这里使用的是MK电调V2.0版本中使用的MOSFET，P-MOS—IRFR5305、N-MOS—IRFR1205N-MOS的Vgs（th）=2V~4V，直接用工作在VCC=5V的MCU即可驱动控制，但注意IO口必须具有推挽输出功能，否则IO口的驱动能力不够。图中R7/R8/R9可视为下拉电阻，使N-MOS的栅极电平有一个参考地，电平稳定不会意外导通MOSFET。R10/R11/R12电阻的作用有三个，一是减少振荡，二是减小栅极充电的峰值电流，三是防止N-MOS的漏-源极击穿。

　　由于MCU的IO引脚都存在杂散电感，与栅极电容串联形成LC振荡，加入电阻后会增大振荡阻尼而减小振荡；当对栅极加驱动电压时，会对栅源电容Ciss充电，此时Vgs上升但未到达阈值电压Vgs（th）时Vds基本不变，这段时间称为导通延迟时间td（on）。当Vgs》Vgs（th）时，Vds下降同时id上升，这期间栅极和漏极之间的传输反向电容Crss开始向漏极放电，而此时栅极电流会流向该电容对其充电，但基本没有对Ciss充电，所以Vgs基本保持不变，这段时间称为上升时间tr，tr之后才会继续对Ciss充电。电容充电的尖峰电流可以计算如下：I=Qg/（td+tr），其中Qg=Qgs+Qgd，即td+tr时间内的充电电量，计算结果电流是远大于MCu的IO口输出驱动电流，因此通过串联电阻，增加充电时间，即t=RC。但这会导致Vgs的上升沿和Vds的下降沿斜率减小，影响MOSFET的开关性能，所以电阻的选取要准确。（此处理论知识分析可能不正确，我也在学习MOSFET的驱动应用原理，若有误或需要补充会再做修改）

　　防止漏源击穿的原因也是和电容的时间常数有关，当栅极驱动电压快速关断，漏源极从导通状态变为截止状态，Vds迅速增加，当dVds/dt过大就会击穿器件，串联电阻可以减缓Ciss的放电时间，使Vgs缓慢变化，因此Vds不会迅速增加。

　　P-MOS的Vgs（th）《0，源极一般加11V电压，MCU的IO口无法正常控制P-MOS的开关，我们需要用三级管驱动栅极，三极管由IO口驱动控制。电阻R1/R2/R3上拉栅极电压，使P-MOS能关断。这个电阻不能太小，否则会造成三极管导通时承受过大的电流。同时电阻也不能太大，否则会增加三极管BC极间电容的充电时间，延长三极管的导通时间，进而影响P-MOS栅极电压Vgs的上升时间。

　　三极管的选择不能选用我们常用的8050或9013小信号的三极管，它们的耐压和导通电流太低，所以这里我选择了SS8050（MK中使用的三极管找不到）。R4/R5/R6阻值的选择无特别要求，只要使三极管工作在饱和区即可。

文章素材来自互联网 　　​

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无刷电机驱动电路结构解析

无刷电机采用3 相线通电。电机本体的定子中，有与3 相对应的线圈（数量为3 的倍数）。各相线圈根据转子的转动位置进行换流（改变电流的方向）。通过改变换流速度与经PWM调制后的电压，控制电机的转动。逆变器的作用是利用直流电源（电池）生成各相的功率信号（交流生成电路）。

逆变器电路的概要

开关器件

逆变器电路是什么样的？

图1

无刷直流电机的驱动电路如图1 所示。在这个电路图中，功率器件采用晶体管。晶体管起到高速开关的作用。像这样不工作在放大状态、起开关作用的器件，叫做“开关器件”。实际上，这里运用的并不是普通晶体管，而是MOSFET 或IGBT。图中晶体管左侧的端子叫做“基极”（晶体管）或“栅极”（MOSFET）。对基极/ 栅极施加电压时，电流从晶体管右上方的端子（集电极/ 漏极）向右下方的端子（发射极/ 极）流动，开关变为开通状态。开关处于开通状态时，直流电源电压施加到集电极/ 漏极，电流的流向：上臂晶体管/MOSFET →电机线圈（2 相串联）→下臂晶体管/MOSFET →地。

线圈中的电流是如何流动的？

分别有U 相、V 相、W 相线圈。而P W M 信号必须控制电流按如下方向流过其中2相的开关。

U → V

U → W

V → W

…

上述方向中，箭头左侧对应上臂开关，箭头右侧对应下臂开关。电路中，U相、V 相、W 相线圈可以分别视为只有1 个。当然，实际上并不是每相只有1 个线圈，而是由数个定子线圈（槽）串联或并联起来。

关于开关器件，上臂和下臂分别设置了U 相、V相、W 相。接下来，我们来看看3 相中的各相开关器件。U相上臂开关器件开通时，U 相下臂开关器件必须关断；U 相上臂开关器件关断时，U 相下臂开关器件必须开通。V 相、W 相也是如此。绝不会出现上臂和下臂同时开通/ 同时关断的情况。这样的关系叫做“互补”。

如何决定上臂/ 下臂开关器件的开通/ 关断？

图2

在图2 所示电路中，电流从上臂流到下臂，上臂从3 相中选择1 相开通，下臂亦从3 相中选择1相开通。因此，这里有6 个MOSFET 开关器件。在瞬间，由微处理器决定电流从哪里流向哪里，从哪相流过。微处理器对在各相中形成什么样的波形进行计算，并由计时器/ 计数器端子在任意时刻输出适当波形。此电路中由晶体管实施PWM 控制。在后面讲到的矢量控制的电路与这里的逆变器电路是一样的，只是PWM 的使用方法不同。这里使用的6 个MOSFET 具有同样的特性。考虑到购买的方便性与良好的驱动性能，我们使用N沟道MOSFET。

功率器件MOSFET 与IGBT

低于100V 时选用MOSFET

在图1 所示电路中，电机控制使用的开关器件是图3 所示的晶体管。一般来说，MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOS场效应晶体管）与I G B T （ I n s u l a t e d G a t e B i p o l a r Transistor， 绝缘栅双极晶体管）使用得比较多。最近，更高效、更耐高压的新一代SiC、GaN 开关器件也开始得到应用。

MOSFET 的特点是通态电阻（开通时的漏- 源极间电阻） 小， 损耗小。像E V 卡丁车这样， 输入电压在2 4 ~ 5 0 V （ 耐压6 0 ~ 1 0 0 V ）， 可适用的MOSFET 种类有很多，也很容易获得。选型的关键是通态电阻、开关速度、温度特性等。

高于100V 时选用IGBT

I G B T 的特点是耐高压。找到适用于1 0 0 V 、200V，甚至更高电压的MO S F E T 比较困难，此时应选择I G B T 。市售的E V 和最近的火车上使用的也是IGBT。开通时，IGBT 集电极- 发射极的极间电压只有几伏，但消耗的电流很大，需要采取散热对策。

驱动电路

在逆变器中，驱动MOSFET、IGBT 等功率器件的电路部分叫做驱动电路，驱动电路的作用如下：

·避免电机驱动电源损害微处理器

·提供足够大的基极驱动电流

·生成栅极驱动电压

基极驱动IC

这里所说的生成栅极驱动电压， 是指输送MOSFET 的基极的电能MOSFET 的基极不仅要有电压的施加，也必须要有电流的流入。例如，2SK3479 的 栅极电容Ciss 为1100pF，Qg为2 1 0 n C。栅极连接了一个2 2 Ω 的保护电阻，截止频率为1.3MHz，初期栅极电流227mA（驱动电压5V）。也就是说，仅仅依靠微处理器的端子无法直接驱动。因此，为了确保驱动电流设置了栅极驱动I C 。以上臂的栅极驱动I C 为例，输出电流（IO+/-）为2A 的IRS2110 栅极驱动IC 的具体情况如图4 所示。

图4

栅极电压的自举电路

此驱动电路中，MOSFET 在电机驱动电压超过＋ VGSmin 时驱动。当然，栅极电压取决于使用哪种MOSFET。因此，栅极驱动IC 搭载了电荷泵升压电

路。这也叫做自举电路（图5）。

图5

根据微处理器输出的栅极驱动信号，该电路通过栅极驱动IC 对外部电容器充电，并向栅极施加线圈的相电压。也就是说，对下臂施加驱动脉冲，自举电路才会工作。但是，如果电压不足，就会出现即使微处理器输出PWM 信号，也无法驱动栅极的现象。使用PWM 控制电机的速度时，必须注意：如果没有进行下臂的脉冲驱动，电机就不会工作。驱动前，需对下臂施加与电机转动无关的脉冲

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