电动车用永磁同步电机MOSFET驱动硬件系统设计＊

周康，王伟炳，巢靖，邓孝华，叶欣，李倩

（南京工程学院电力工程学院，江苏 南京 210000）

电动汽车具有环保、结构简单、加速快、成本低、维护方便、噪声小等优点，随着电动汽车的飞速发展，它已成为汽车行业中不可或缺的一部分[1]。

近年来微电子、电力电子、新型电机控制理论和稀土永磁材料飞速发展，加速了永磁同步电动机的推广和应用。这一电机具有体积小、损耗低、效率高等优点，能够满足节能环保的要求[2]。其高效率、高功率密度、转矩／惯性比高、无转子损耗的特点，被广泛运用于各种工业运动控制之中[3]，且非常适合用作电动汽车的驱动电机。

任何电机的电磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互作用产生的。永磁同步电机里电枢磁场和永磁磁场空间上相差90度电角度时电磁转矩最大。目前的交流电机控制方法有恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制等，本文设计的MOSFET驱动硬件系统可采用以上控制方法。

本文基于TMS320F28335DSP设计了永磁同步电机控制系统MOSFET驱动硬件系统。其中硬件部分包括74LCX244T缓冲放大器、HCPL－4504高速隔离光耦、CD4049UBC反向缓冲器、IR2101功率驱动器等电路的设计。随之进行了永磁同步电机控制系统MOSFET驱动硬件由软件程序控制电机的实验，得到的驱动波形和电流波形验证了本文设计的可行性。

1 硬件系统原理图

1．1 IR2101 驱动电路

整个设计中最重要的一环是IR2101上管驱动电源自举电路，它由快恢复二极管FR107、10UF储存电荷电容及0．1UF滤波电容组成，如图1所示。三相的另外两相与图1相同[4]，三相的下桥臂MOSFET都与15V电源的公共地COM相连，三相的上桥臂MOSFET都与各自举电容的地相连，工作时由自举电容进行供电。通过HO、LO控制右侧MOSFET，注意两个MOSFET源极的不同，上管栅、源极分别与HO、VB相连，下管的栅、源极分别与LO、COM相连。VS独立于COM端。HIN高电平时，VB、HO导通，HIN低电平时，HO、VS导通。IR2101输入和输出是同相的，LIN高电平时，LO输出为高，LIN低电平时，LO输出为低。Q1导通时，储能电容C7处于放电状态，电流流向如红线所示；Q2导通时，C7处于充电状态，电流流向如绿线所示。对于D1，必须是快恢复二极管，因此选用FR107，其耐压等级达到了1000V，因为上管导通时D1阴极对地电压为三相逆变直流侧高电压与10UF储存电荷电容电压之和，而其阳极对地电压为15V，反向电压基本等于逆变直流电压，因此必须具有高的反向耐压等级。

图1 IR2101的外部接线原理图

图1中其它元件的作用：Vcc给IR2101供电，是15V驱动电源；R33为10Ω限流电阻；D2保证栅极低电平时快速放电，选用1N4148高速开关二极管；R21、R24为33Ω的电阻，用于抑制栅极电压振荡。

1．2 缓冲器电路

由DSP手册可知[5]，DSP的输出除了Group2部分，其他输出的能力只有“±4mA”，达不到驱动要求，因此需要通过缓冲器对信号进行放大。本设计选用八输入三态同相缓冲器74LCX244T，输出可以达到“±24mA”，得到的电流由 DRI输出，给到HCPL－4504高速光耦，如图2所示。图中OE1和OE2为使能端，下拉到低电平使能。VCC的电压范围为2．0V－3．6V，本设计的3．3V供电是满足要求的。

图2 （a）74LCX244T外部接线图；（b）7柱接线端子

DSP最小系统与驱动系统接线端子如图2（b）所示，三态缓冲器的输入电压与PWM的输出电压一致。7个接线端子把DSP的信号传送给缓冲器74LCX244T。

1．3 HCPL－4504（三相）

HCPL－4504是高速光电耦合芯片，用以实现精确的光电信号转换。主要作用是隔离（光隔离），将DSP的弱电信号和主电路（电机）部分的强电信号隔离开来。HCPL－4504功能如图3所示，当左侧DRI1为高电平导通时，右侧VO口对地接通，输出电压被下拉至0V。当左侧DRI1为低电平时，右侧三极管不通，输出处电压被上拉至15V，VO与Vcc一致，如图4所示。

图3 HPCL－4504的功能

图4 HPCL－4504的外部接线原理图

图4中C1选用0．1uf的电容，起滤波作用；R3的作用是给2，3两个引脚提供正向导通电压，选用阻值为1K的电阻；根据HCPL－4504的工作特性，输入二极管的导通电流设定为IF＝12mA，则R6由下式计算：

式中：VF为输入二极管的导通压降典型值

1．4 CD4049UBC

因为HCPL－4504驱动能力弱，上升沿下降沿不够陡峭，不利于MOSFET快速开通。且其输出与输入是反相的，采用反相器可以获得和输入PWM同相的信号。本设计选用兼有缓冲、整形和保证信号逻辑一致作用的CD4049UBC反相缓冲器，其内部原理图如图5所示。

图5 CD4049UBC的内部原理图

2 实验平台及实验波形

2．1 实验平台

永磁同步电机MOSFET驱动系统实验平台如图6所示，图中包括了三相MOSFET驱动系统、TMS320F28335DSP最小系统、霍尔电流传感器，驱动功率为750W、转速3000转／分钟的永磁同步电机（80－024－30F）、磁粉制动器负载（型号FZ－25－D），转矩转速传感器（JC0）以及仿真器（XDS100V2 EMULATOR）。

图6 永磁同步电机MOSFET驱动系统实验平台

2．2 PWM 输出波形

TMS320F28335DSP输出的一路PWM波形如图7（a）所示；图7（b）为 HCPL－4504 的输出信号，可以看出其上升沿过长；图7（c）为CD4049UBC的输出波形，其上升沿和下降沿都很陡峭，有利于快速开通和关断MOSFET；图7（d）为电机电流波形。

图7 （a）TMS320F28335DSP输出的PWM波形；

3 结论

本文基于TMS320F28335DSP设计了永磁同步电机控制系统MOSFET驱动硬件。其中包括三相逆变电路单电源供电的IR2101驱动MOSFET电路；匹配合适驱动能力的74LCX244T缓冲器电路；隔离控制和主电路的HCPL－4504高速光耦电路；保证PWM信号与驱动信号相位一致且具有缓冲和整形作用的CD4049UBC反相缓冲器。最后可由软件部分控制永磁同步电机的输出转速，通过实验验证了本设计的可行性。本设计的优点在于：3个IR2101驱动6个MOSFET只需要用到一个公共电源（15V），即一个电源就能实现三相逆变驱动。