前言：
在科学技术水平不断提升的过程中，技术人员在有刷直流电机的基础上研发了无刷直流电机。相比于传统的有刷直流电机，无刷直流电机具有结构简单、使用寿命长等优势，在家电、汽车等诸多领域中发挥着重要作用。但无刷直流电机的驱动电路设计仍然存在诸多问题，因此需要对驱动电路的优化设计进行深入研究。
1.无刷直流电机概述
1.1结构
作为机电一体化产品，无刷直流电机主要是由电动机主体、驱动器以及控制电路共同构成的，其中电动机的定子绕组多应用三相对称星形接法，与三相异步电动机相似，且电动机内部含有位置传感器、转子上含有永磁体；驱动器主要是由功率电子器以及集成电路构成的，可以接收电动机的信号；控制电路可以根据相应的信号进行设备控制【1】。相比于传统的有刷直流电机，无刷直流电机具有体积小、重量轻、调速范围广、可靠性强、不会产生火花等优势，在汽车、自动化、工业控制等领域中发挥着重要作用。
1.2工作原理
与有刷直流电机相比，无刷直流电机的电动机主体中包括定子、转子以及位置传感器等部分，且无刷直流电机改变了定子与转子的结构，即在定子侧设置了电枢绕组，在转子侧设置了永磁材料。其次，无刷直流电机应用了三相星形接线六状态二二导通方式。在工作过程中，驱动电路可以同时导通两只金属氧化物半导体场效晶体管，且电动机本体当中的两相定子绕组会串联通电。此外，无刷直流电机定子磁动势与转子磁动势之间的夹角一直处于60°-120°这一范围内，所以电机一直处于平均最大电磁转矩的状态中，可以带动永磁转子持续转动。
1.3驱动方式
无刷直流电机常用全控电路（如图一所示），其中T1、T3、T5上桥臂开关可以为绕组提供正向电流，T2、T4、T6上桥臂可以为绕组提供反向电流。其次，在二二导通方式下电机的导通顺序为T1T2→T2T3→T3T4→T4T5→T5T6→T6T1→T1T2【2】。所以电机一共有六种导通方式，且每隔60°（电角度）改变一次导通状态。
图一：无刷直流电机三相全控桥驱动电路
2.无刷直流电机驱动电路设计策略
2.1科学选择相关设备
在进行无刷直流电机驱动电路设计时，设计人员应科学选择功率驱动芯片与全控器件。例如，设计人员可以应用IR公司研发的IR2136驱动芯片。相比于其他驱动芯片，IR2136驱动芯片具有电路简化、集成度高等优势。其次，设计人员可以选择金属氧化物半导体场效晶体管（MOS管）当逆变电路的全控器件。所以在本设计中无刷直流电机的驱动电路主要是由驱动芯片与六只金属氧化物半导体场效晶体管共同构成的。其中，IR2136驱动芯片采用了自举技术，能够驱动所有的全控器件，对直流电源的要求相对较低。且IR2136驱动芯片不仅具备驱动功能，也具备过流保护、噪声去除等功能，所以利用这一芯片驱动全控器可以增强电机运行的稳定性【3】。
2.2光耦隔离电路设计
在明确驱动芯片以及全控器件之后，设计人员需要进行光耦隔离电路设计。在运行过程中，IR2136驱动芯片只需要接收数字信号处理器发送的信号即可，所以这一驱动芯片的运行电压与电流都比较低，属于弱电部分。而功率驱动模块需要带动定子以及转子运行，因此其运行电压与电流都比较高，属于强电部分。在这种情况下，设计人员需要在强电部分与弱电部分之间设置隔离电路，从而减小驱动放大电路对数字信号处理器的影响，增强数字信号处理器运行的安全性。而常用的隔离电路是光耦隔离电路，所以设计人员可以利用双通道光电耦合器件进行信号隔离。与其他隔离器件相比，双通道光电耦合器件的功耗相对较低，比较符合三相全控桥电路驱动信号的隔离要求，所以设计人员可优先选择这一隔离器件。
2.3三相逆变功率驱动电路设计
IR2136驱动芯片属于功率MOS管专用栅极集成驱动芯片，应用了自举技术。所以设计人员应做好驱动电路中自举电路的设计工作，并科学选择自举二极管以及自举电容。首先，在开启MOS管高端驱动之后，MOS管的漏级电压会与自举二极管的上电压相同，所以设计人员需要确保自举二极管反向承受电压的能力高于MOS管的母线电压。同时，MOS管的频率相对较高，所以应利用恢复二极管。其次，在驱动电路中设计自举电容可以为上桥臂MOS管的悬浮电源提供充足的电荷，但如果自举电容过大会影响驱动性能，若自举电容过小将无法满足驱动要求，所以设计人员需要控制好自举电容的值。从计算结果来看，设计人员应优先选择钽电容。此外，设计人员应做好三相逆变电路的设计工作。三相逆变电路主要是由三组六只MOS管构成的，每隔60°（电角度）改变一次导通状态，所以一共有六种导通状态，每种导通状态都会导通特定的两只MOS管。三相逆变电路可以在二二导通方式下进行电子换相，将直流电转变为交流电，从而驱动无刷直流电机运行。若想增强电子换相的准确性，就需要优化组合逻辑电路。在转子转动的过程中，组合逻辑电路会感受到转子的位置变化，就会通过控制电路进行换相。
2.4保护电路设计
无刷直流电机驱动电路的正常运行需要保护电路的支持，因此设计人员需要做好电流采样电路与过流保护电路的设计工作。首先，在设计电流采样电路时，设计人员应选择霍尔电流传感器，从而准确采集电流信息。在设计过程中，设计人员需要在三相全控电桥与地线之间串接霍尔电流传感器。在运行过程中，电流传感器会按照相应的比例将电流缩小为副边带电流，并通过I/V转换电路将电流输送至低通滤波器当中，利用低通滤波器对电流进行去噪处理并将电流传输至数字信号处理器中【4】。其次，设计人员可以利用驱动芯片当中的引脚进行过流保护电路设计。驱动电路处理完副边带电流时会将其传输给驱动芯片中的过流保护引脚，如果过流保护引脚的电压超过正常值，驱动芯片中的比较器就会出现动作，从而降低驱动芯片故障输出引脚的输出电平。当主控芯片接收到过流信号之后就会停止输出脉宽调制信号，继而使电机停止运转。
结语：
优化无刷直流电机的驱动电路不仅可以提升电机的运行效率，也可以改善电机的运行效果，因此需要从光耦隔离电路设计、三相逆变功率驱动电路设计以及保护电路设计等方面入手优化驱动电路，提升无刷直流电机的性能。此外，无刷直流电机专用控制芯片的价格较高，所以在后续研究过程中应利用分立器件优化大功率的无刷直流电机驱动电路设计。
参考文献：
[1]戴贻康,焦运良,范晶.H桥式电路驱动无刷直流电机的设计[J].信息技术与网络安全,2019,38(08):58-63.
[2]陈华彬,张兴华.基于IR2136与MOSFET的无刷直流电机驱动电路设计[J].现代电子技术,2019,42(04):53-56.
[3]魏崇毓,徐连伟.无刷直流电机驱动控制系统的设计与优化[J].电子设计工程,2017,25(09):113-116.
[4]邓莎,刁盛锡,林福江.12 V 1 A全集成无刷直流电机驱动电路设计[J].微电子学,2016,46(01):62-66+70.
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