基于A3938三相無刷直流電機驅動板的研究與設計

郭昕剛,李 航

(長春工業(yè)大學 計算機科學與工程學院，吉林 長春 130012)

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基于A3938三相無刷直流電機驅動板的研究與設計

郭昕剛,李 航

(長春工業(yè)大學 計算機科學與工程學院，吉林 長春 130012)

三相無刷直流電機是同步電機的一種，使用A3938電機控制芯片對其進行模式設置，使A3938運行在PWM模式，通過所產生的PWM信號對六組N-MOS管組成的全橋電路進行驅動，控制MOSFET的通斷,從而控制無刷直流電機的轉動。以A3938為核心的控制電路、以MOS管為主要元件的全橋驅動電路及相應的電源電路的結合實現(xiàn)了對三相無刷直流電機的驅動。

無刷直流電機; A3938; 全橋驅動電路

0 引 言

當今社會的高速發(fā)展對電子產業(yè)及機械自動化產業(yè)有著較強的依賴性，電機在工業(yè)領域有著不可動搖的地位。電機的使用已經遍及人們生活的各個領域，隨著晶體管器件和半導體器件的發(fā)展，電機衍生出了無刷直流電機這一類別，無刷直流電機不需要機械換向刷，而是以電子換向器取代機械電刷，有著其獨有的特性[1]。

無刷直流電機是同步電機的一種類型，無刷直流電機由定子、轉子和霍爾傳感器等結構組合而成，其定子產生的磁場和轉子產生的磁場頻率相同，解決了一般感應電機的頻差問題[2]。無刷直流電機又分為單相無刷直流電機、雙相無刷直流電機和三相無刷直流電機，其中以三相無刷直流電機應用較為廣泛。

三相無刷直流電機主要通過定子與轉子之間磁場的相互作用使電機產生轉動，再通過霍爾傳感器檢測轉子的位置，調節(jié)電機的轉速與轉向，可通過PWM信號的輸入實現(xiàn)對無刷直流電機的控制。

1 系統(tǒng)總體設計

本設計通過設置三相無刷直流電機的控制芯片A3938為PWM模式，產生相應的PWM信號，然后控制MOS管驅動電路，即N-MOS全橋驅動電路上下臂，實現(xiàn)電機的轉動和方向的變化。整體的系統(tǒng)運行結構如圖1所示。

圖1 三相無刷直流電機驅動系統(tǒng)總體設計框圖

本設計所驅動的電機是帶霍爾傳感器的三相無刷直流電機，通過控制驅動電路的MOS管通斷來控制相應轉子磁體，使電機發(fā)生轉動，并結合霍爾傳感器檢測轉子位置以精確控制電機轉動[3]。電機的霍爾控制如圖2所示。

圖2 霍爾傳感器測量原理

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 電源模塊設計

電源模塊作為整個驅動板的供電模塊，需要其擁有穩(wěn)定的供電性能和優(yōu)越的可靠性，在本設計中，電源電路主要通過開關電壓調節(jié)器LM2596來進行穩(wěn)壓，使輸出電壓固定在5 V。用LM2596來控制電源電路主要因為其有著眾多優(yōu)點，有很多其他器件無法比擬的優(yōu)越性[4]。首先，LM2596可以輸出3.3、5、12 V的固定電壓，這是設計中考慮到的，設計中采用12 V轉5 V的固定電壓對驅動板供電；LM2596的輸出還具有良好的線性，負載可以進行調節(jié)，并且內部的振蕩頻率較高，可達150 kHz，功耗較以前的開關電壓調節(jié)器更小而且效率更高；LM2596還具有過熱保護功能和限流保護功能，當該器件的溫度或電流達到一定峰值，會自動斷開以達到保護電路的功能；LM2596的外圍電路也十分簡單，也是設計中選擇它來控制電源的主要原因之一，只用到了幾個外圍原件，可以輕松實現(xiàn)電源電路的功能。

本設計的電源模塊原理如圖3所示。

圖3 電源模塊原理圖

外圍電路較為簡單，只需要選擇適合參數的元器件就可以控制輸出的固定電壓值。引腳1為電壓輸入引腳，通過LM2596穩(wěn)壓從引腳2輸出5 V電壓。該電源電路中的二極管的反向耐壓值需要達到最大輸入電壓的1.25倍，另外，此二極管還需要有快速恢復的功能。所需要的二極管還需要有開關速度迅速和正向壓降較低的特性，所以選擇肖特基二極管IN5824作為電源電路中的吸納二極管。圖3中C22、C24電容用來通交流隔直流，C21、C23為濾波電容，用來濾除相應的噪聲。

2.2 控制模塊設計

A3938控制模塊如圖4所示。

圖4 A3938控制模塊原理圖

控制模塊是本項目設計的核心模塊，主要通過設置A3938控制芯片為PWM模式來對整個硬件系統(tǒng)進行控制。A3938是一個三相功率MOS控制器，主要對無刷直流電機進行控制，可以用于使用脈沖寬度調制電流來進行控制的三相無刷直流電機的驅動。A3938工作的最高電壓為50 V。經過A3938的控制輸出三組MOSFET驅動信號。A3938還對電源模塊提供的5 V電壓進行升壓處理，輸出15 V的電壓為后續(xù)的MOSFET驅動電路提供驅動條件。A3938還可以連接霍爾傳感器，利用霍爾傳感器來檢測直流電機的轉動位置[5-6]，通過PWM信號的輸出，調節(jié)PWM的占空比改變電機的轉速，通過DIR引腳可以改變電機的轉動方向(見圖4)。結合霍爾傳感器的控制就能使電機穩(wěn)定轉動。A3938輸出的電壓范圍是12～50 V，其內部提供的5 V邏輯電壓能控制MOSFET的保護和掉電功能。A3938的內部電路保護功能可防止滯后過熱帶來的損壞和電流交叉產生的影響[7]。

圖4中REF引腳接的是參考電壓，用于內部電流保護，當驅動電流經過電路時與預設的電壓值進行比較，超過預設電壓會自動斷開。H1、H2、H3引腳用于連接霍爾傳感器，控制與檢測電機轉子的位置。MODE引腳用于選擇工作模式，MODE=1，BRKSEL=0，即JP2的2引腳和3引腳短接，JP1跳線不連。RESET引腳為使能引腳，用于對芯片進行使能。設置為1時,電機慣性轉動或者減速轉動，設置為0時，則允許G端控制，在本設計中通過MOS管驅動電路的柵極驅動，所以設置為0。SENSE引腳外接一個轉換電阻，當MOSFET驅動電路的上下臂MOS同時導通時,傳感器會感應到大電流，可以防止MOS的短接，起到保護電路的作用。GHA、GHB、GHC引腳連接的是MOS管驅動電路的G端驅動高電平，即這3個引腳連接全橋驅動電路的上臂MOS管的柵極。而GLA、GLB、GLC引腳連接的是MOS管驅動電路的G端低電平，即這3個引腳連接全橋驅動電路下臂MOS管的柵極。SA、SB、SC引腳用于連接電機端子，SA連接motor A、SB連接motor B、SC連接motor C，用于控制電機的3個端子，產生所需要的轉動次序。

2.3 驅動模塊設計

驅動模塊主要通過三組MOS管來實現(xiàn)MOS控制電路，即全橋驅動電路，如圖5所示。

圖5 全橋驅動電路原理圖

一個三相全橋電路的安排是用于電機控制器和電機之間的功率接口，相比于半橋電路，選擇全橋電路是因為它擁有更高的扭矩輸出能力[8]，選擇電橋電路的目的是按電機真值表的要求使電機的3個端子接通電流。

2.4 實物演示

實物圖如圖6所示。

圖6 實物圖

3 結 語

實現(xiàn)基于A3938的三相無刷直流電機驅動板設計，A3938電機驅動芯片對整個系統(tǒng)進行控制，利用全橋電路對直流電機進行驅動，其優(yōu)點在于使用驅動芯片A3938來控制電路，易于集成控制，大大降低了普通驅動電路的控制難度，在一個集成度更高的器件上實現(xiàn)控制功能。同時，高集成度也提高了控制的效率，更加適合生產工作時對效率的要求。

[1] 夏長亮.無刷直流電機控制系統(tǒng)[M].北京：科學出版社，2009.

[2] 張琛.直流無刷電動機原理及應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

[3] Sun Jun Park. A new approachfor minimum-torque-ripple maximum-efficiency control of BLDC motor [J]. IEEE Trans. Ind. Elect.,2000,47(1)：109-114.

[4] Daniel Torres. Sensorless control of a brushless DC motor [J]. Control Engineering,2010,57(4):54-57.

[5] 楊影,阮毅,陶生桂，等.一種新型無刷直流電機轉子位置檢測方法[J].電機與控制學報.2010,14(2):60-64.

[6] 孫雅雯.一種新型無刷直流電機驅動板的設計[J].科技風,2013,24:27-28.

[7] 安志勇,楊帆，曹秒,等.一種基于STC單片機和絕對式編碼器的步進電機控制方法[J].長春工業(yè)大學學報:自然科學版，2013,34(1):64-67.

[8] 李偉東,唐萬軍,龐佑兵.一種低功耗的三項無刷電機驅動控制器設計[J].微電子學,2010,40(2):252-255.

Research and design of three-phase brushless dc motor drive board based on A3938

GUO Xingang,LI Hang

(School of Computer Science and Engineering,Changchun University of Technology,Changchun 130012，China)

Three-phase brushless dc motor is a kind of synchronous motor,using the motor control chip A3938 and set the pattern ,making the A3938 at PWM mood. With the three pair of PWM signals,it can drive the full-bridge circuit which is made of N-MOS. More than that,the circuit control MOSFET on and off,this leads to the running of motor. A3938 is the core of the circuit and combine with the full-bridge circuit and the power supply circuit,the drive of three-phase brushless dc motor is realized.

brushless dc motor; A3938; full-bridge drive circuit.

2016-04-23

吉林省教育廳基金資助項目(2014137)

郭昕剛(1979-)，男，漢族，吉林長春人，長春工業(yè)大學副教授,碩士，主要從事嵌入式系統(tǒng)設計方向研究,E-mail:6889068@qq.com.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.5.12

TP 331.2

A

1674-1374(2016)05-0474-05