无刷直流电机驱动控制系统的设计与优化

魏崇毓，徐连伟

（青岛科技大学 信息科学技术学院，山东 青岛266061）

无刷直流电机驱动控制系统的设计与优化

魏崇毓，徐连伟

（青岛科技大学 信息科学技术学院，山东 青岛266061）

无刷直流电机在近几年被迅速推广应用，它具有高效节能，控制简单且易于维护的特点。基于MOSFET功率管短时过载能力比较小、电机速率控制不稳定的问题进行研究，设计了一种基于FAN73892驱动芯片的电机驱动电路的设计与优化方案，结合电机驱动系统的硬件电路及软件方案进行设计。主要实现了MOSFET的保护电路及利用FAN73892驱动芯片的电机驱动电路的设计。通过测试，验证了基于驱动芯片FAN73892的设计方案，优化了电机驱动系统的整体性能，提高了系统的实用可靠性。

无刷直流电机；FAN73892；MOSFET保护；驱动电路

无刷直流电机（BLDCM）因为可靠性高，维护便利、噪音小等优点，遍及于大功率开关器件的应用之中，并与专用集成电路、新型控制理论及电机理论的成长紧密连系，体现着当今科学的许多最新成效，因此具有广泛的应用前景和强大的生命力[1-2]。

电机的驱动电路部分与数字控制部分相比较，为伺服控制系统中的重要组成部分，驱动电路是主控芯片与直流无刷电机联结的纽带[3]。因而，电机驱动电路的性能将直接影响到该系统的整体性能和可靠性。

1 电机系统控制原理

文中的设计采用的直流无刷电机为三相六状态，两两导通的方式[4]。电机系统主要由CPU主控芯片、换相电路、基于FAN73892的驱动电路、电流及电压检测保护电路以及霍尔信号处理电路组成，其中换相电路是由6个MOSFET组成的三相全桥电路。系统工作时，主控芯片分析位置，发送信号到FAN73892输入端，由FAN73892驱动换相电路，控制MOSFET功率管的导通与关断。利用霍尔信号传感器判断现在转子的状态，实现电机转速控制[5]。

图1 控制方案图

2 驱动系统控制电路设计

无刷直流电动机驱动系统主要构成如图2所示，REPMM为电动机本体，HA，HB，HC为转子位置传感器检测产生的霍尔信号，电机驱动系统通过对转子位置传感器检测的信号（HA、HB、HC）进行逻辑变换，即传送到电路里的为数字信号，从而产生脉宽调制信号PWM，经过放大处理后传送至逆变器的功率开关，从而控制电机按一定顺序正常进行工作。

图2 无刷直流电动机驱动示意图

2.1 基于FAN73892的驱动电路设计

FAN73892是单片三相半桥栅极驱动器，设计用于高压、高速驱动MOSFET的工作频率高达600 V。同时也是中小容量的功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（IGBT）功率器件专用栅极驱动芯片，通过自举电路工作原理[6]，缩减MOSFET的开关时间，有助于尽量降低开关损耗，改善功率密度，提升整体转换效率。它可以驱动桥式电路的低压侧的功率器件，可以驱动高侧电源组件，因此它被广泛应用于电机控制、伺服驱动、UPS电源等[7]。

无刷直流电机采用三相桥式逆变电路[8]，正常情况下需要四组独立电源，这使驱动电路变得较为复杂，导致逆变器的可靠性降低，采用国外一家公司生产的专用芯片FAN73892，这款芯片只需一个供电电源便可驱动三相桥式逆变电路的6个功率开关器件，使得驱动电路变得简单可靠。同时可提供更高的开关频率PWM调速控制[9]，因此本文选择了专用驱动芯片FAN73892来驱动六个功率器件，只需一个供电电源去驱动FAN73892，即可驱动三相桥式逆变电路中的6个MOSFET，图3为FAN73892驱动逆变器功率管的电路原理图。

图3 基于FAN73892的电机驱动电路

如图 3所示，U2极为 FAN73892驱动芯片，HO1-HO3，LO1-LO3分别为图3中MOSFET功率管开关器件的驱动信号输出端，驱动信号先经过集成于FAN73892内部的脉冲处理器和电平移位器进行电位变换等，送至CPU进行处理。HIN1～HIN3，LIN1～LIN3为MOSFET功率管驱动信号的输入端。正常工作时，霍尔信号经过变换传入CPU处理，CPU根据PID算法调试PWM信号传送给FAN73892的HIN1～HIN3、LIN1～LIN3。输入6个引脚的驱动信号经输入信号处理器处理后变为6路输出脉冲信号，传送给6个MOSFET用于驱动换相电路。

图中C10～C12，C28～C30是自举电容，为了防止当外电流发生过流或者直通时，电路的驱动信号检测器迅速翻转，造成器件的损坏。二极管D1、D2、D3与电阻R1、R2、R3分别串联，组成了漏源极之间的保护电路，二极管的主要是为了限制栅极电压在稳压管稳压值以下，保护MOSFET不被击穿，电阻是为了释放电荷，不然电荷积累，电荷的积累也会使MOSFET被击穿。因此这部分电路属于MOSFET的内部电压保护电路。

ITRIP为过流信号检测输入端，也在一定程度上起到保护电路的作用。FAULT为过流、直通、过压、欠压保护输出端。FAULT故障引脚和单片机的外部中断由单片机连接引脚中断程序处理发生故障，当点击发生过流或者直通时，则FAN73892内部的店里比较器迅速翻转，封锁3路输入脉冲信号处理器的输出，保护功率器，保护功率管，同时FAULT脚故障信号。

2.2 MOSFET保护电路设计

对于现在传统的三相直流无刷电机，一般采用三相六状态[10]，120度导通方式，其换相电路开关器件采用MOSFET器件，开关器件动作的实现需要独立的驱动电路，且供电电源相互隔离。其结构如图3所示。6只MOSFET功率管作为开关器件使用，构成三相桥式结构。若是将他们根据一定的组合方法和频率进行开关，则能对三相无刷直流电机进行驱动。

表1 三相六状态

功率MOSFET的导通顺序如表1所示，系统采用三相六状态的控制方法，由于每周的运动需经历六次换相，每一相都有一个上桥臂和一个下桥臂为导通状态，但每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。在每一个阶段，根据不同的功率MOSFET的导通，电流在电机中不同的方向流经不同的线圈，不断的产生旋转磁势，从而推动电机的转子转动[11]。

由于MOSFET管承受短时过载能力比较小，特别在高频的应用场合，必须对功率MOSFET管设计合理的保护电路，以便提高器件的可靠性[12]。对功率MOSFET驱动保护电路设计时，首先，采用MOS驱动器的输出与MOS管之间串联电阻的方法，避免在功率管在导通和快速关闭时，由于漏极电压的震荡频率造成的di/dt过高而误导通的现象。如图3所示，R4～R9是MOSFET的门极驱动电阻。其次，MOS管栅极可以采用并联电阻的方式来释放栅极电荷，防止栅源极之间过电压。为了防止漏源极之间过电压，通常采用C缓冲电路等保护措施。设计MOSFET保护电路如图4所示，I_SEN信号为MOSFET上获取的电流信号，当电流过大或者发生短路时，I_SEN会迅速增加并超过额定值，造成MOSFET器件烧毁。因此增加了MOSFET的电路保护电路，经过U5（放大器），转换为电压保护电路。

图4 MOSFET保护电路

3 控制系统软件设计

本系统设计中采用美国Keil Software公司的Keil μVision4集成开发环境，使用C语言进行程序设计。在主程序中，执行每个模块的初始化程序和调节速度，根据控制信号的不同，可执行3种动作：制动停止、自然结束以及反转和加减速。制动停止即紧急停止，再遇特殊情况下启动，一般情况选择默认的自然结束。

霍尔信号的电子传感器是依据电磁感应原理，利用霍尔元件的集成电路完成电子定子或者转子的测速[13]。主要原理就是：转子的磁极掠过霍尔原件时，根据转子当前磁极的极性霍尔元件会输出对应的高或低电平，这样只要根据霍尔元件产生的电平时序就可以判断当前转子的位置，并相应的对定子绕组进行通电[14-15]。霍尔信号直接与施密特电路连接，对高电平进行计数以便判断此时电机的速度及转向。

根据监听外部控制信号，判断是否有控制信号，当监听到控制信号后，根据控制信号的控制指令，调用PID算法[16-17]，调整PWM信号的占空比，将新的占空比赋给各个MOSFET功率管，产生相应动作指令。

图5 主程序流程图

4 结 论

文中设计了一种通过专用驱动芯片FAN73892驱动功率MOSFET的电机驱动系统，不仅能够实现电机驱动功能，还能有效地防止电机过流以及直通现象的发生，能有效的提高系统的可靠性。从硬件部分和软件流程两方面对电机驱动系统进行设计。硬件部分，介绍了FAN73892驱动芯片和MOSFET保护电路两部分设计电路，软件部分简要介绍了程序流程图。经过实际的组装及测试，电机实现了平稳运转，并可以调速，反转，制动停止，具有良好的通用性，可为直流无刷电机驱动技术的实际应用参考。

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Design and optimization of brushless DC motor drive control system

WEI Chong-yu，XU Lian-wei
（Institue of Infromation Science and Technology，Qingdao University of Science&Technology，Qingdao 266061，China）

The brushless DC motor in recent years has been used widely.It has high efficiency and energy saving，easy maintenance and simple control features.Research on MOSFET power tube short-term overload capacity is relatively small and unstable based on motor speed control.The design of a motor drive circuit based on FAN73892 driver chip design and optimization.Combined with the hardware circuit and software design scheme of the motor drive system.The main realization of such a design.The protection circuit of MOSFET and the design of motor drive circuit using FAN73892 drive chip are mainly realized.Through the test，verify the design scheme of driver chip based on FAN73892 The overall performance of the motor drive system is optimized，and the practical reliability of the system is improved.

brushless DC motor；FAN73892；MOSFET protection；drive circuit

TN081

A

1674-6236（2017）09-0113-04

2016-04-01稿件编号：201604013

魏崇毓（1957—），男，江苏徐州人，博士，教授。研究方向：通信与电子系统。