無刷直流力矩電機以其高轉矩密度、響應快、壽命長等優點，在機器人、精密儀器、航空航天等領域得到廣泛應用。其高效可靠運行的核心在于精確的電子換相控制。本文聚焦于采用UGN3175鎖存型霍爾集成電路，設計并研發一套結構清晰、性能穩定的無刷力矩電機驅動電路，旨在實現電機的高性能驅動與控制。

一、系統總體設計思路

整個驅動系統采用典型的三相全橋拓撲結構，由電源模塊、霍爾位置檢測模塊、控制邏輯模塊和功率驅動模塊構成。其核心工作原理是：通過安裝在電機定子上的三個UGN3175霍爾傳感器，實時檢測永磁轉子的磁場位置，輸出三路相位差120°電角度的方波信號（HA, HB, HC）。這些信號被送入控制邏輯電路，經過譯碼與處理后，生成六路具有嚴格時序邏輯的PWM（脈寬調制）驅動信號。這些信號最終控制三相全橋逆變電路中的六個功率MOSFET（或IGBT）的導通與關斷，從而在電機三相繞組中產生按序旋轉的磁場，牽引永磁轉子持續轉動，并輸出平穩力矩。

二、關鍵模塊設計與實現

1. 霍爾位置檢測模塊
UGN3175是一款單極鎖存型霍爾效應傳感器集成電路。當施加的南極磁場強度超過工作點（Bop）時，其輸出端導通（低電平）；當磁場減弱至釋放點（Brp）并轉為北極磁場時，輸出關斷（高電平）。這種“鎖存”特性使其非常適合用于檢測磁極的交替變化。

設計要點：將三片UGN3175以120°機械角度間隔安裝在電機定子端部，使其敏感面正對轉子磁鋼。需為其提供穩定的4.5V至24V工作電壓，輸出端通常通過上拉電阻接至邏輯電源。為確保信號質量，在傳感器電源引腳附近需加裝去耦電容，輸出信號可經施密特觸發器整形后送入邏輯電路，以增強抗干擾能力。

2. 控制邏輯與PWM生成模塊
此模塊接收三路霍爾信號，并完成兩項核心功能：換相邏輯譯碼和PWM調制。

換相邏輯譯碼：根據三路霍爾信號的6種有效組合（001, 010, 011, 100, 101, 110），通過邏輯電路（如CPLD、單片機或專用集成芯片如MC33035）譯碼出對應三相橋臂上、下管的6路導通狀態，確保任何時刻只有不同橋臂的一個上管和一個下管導通，形成電流通路。

PWM調制：為實現調速和力矩控制，需對換相信號進行脈寬調制。通常采用速度/力矩指令（電壓信號）與三角波（或鋸齒波）比較的方式生成PWM波，再與換相邏輯信號進行“與”運算，得到最終施加于各功率管的、既符合換相時序又受占空比調制的驅動信號。PWM頻率需根據電機電感和開關損耗權衡選擇，通常在10kHz至20kHz之間。

3. 功率驅動與保護模塊
功率驅動級采用三相全橋電路，由六只N溝道功率MOSFET及其驅動芯片（如IR2101、IR2184等半橋驅動器）構成。驅動芯片負責將邏輯電平的PWM信號放大，提供足夠的電流和電壓以快速開通和關斷MOSFET，并實現高低側驅動的電平移位。

關鍵保護設計：

• 死區時間插入：在控制邏輯中，必須為同一橋臂上下管的驅動信號設置微秒級的死區時間，防止上下管直通造成短路。

• 過流保護：在直流母線上串聯采樣電阻，通過比較器監控電流。一旦超過設定閾值，立即封鎖所有驅動信號。

• 電源濾波與緩沖：直流母線需并聯大容量電解電容和高頻薄膜電容以平滑電壓、吸收尖峰。每個MOSFET的漏極和源極之間可并聯RC吸收網絡，以抑制開關過程中的電壓尖峰。

三、研發調試與性能優化

電路設計完成后，需經歷PCB布局、制板、焊接與系統調試。調試應遵循先靜態后動態、先低壓后高壓的原則：

1. 首先在不接電機的情況下，通電檢查電源、霍爾傳感器輸出是否正常。手動旋轉電機轉子，用示波器觀察三路霍爾信號是否符合120°相位關系。
2. 然后驗證控制邏輯輸出的六路驅動信號時序是否正確，是否存在直通風險，死區時間是否足夠。
3. 連接電機進行空載和加載測試。使用電流探頭監測相電流波形，優化PWM頻率和死區時間，使電流波形正弦度好、脈動小。
4. 進行力矩響應測試和調速范圍測試，通過調整PID控制參數（若采用閉環控制）優化系統的動態性能。

四、

采用UGN3175鎖存型霍爾集成電路作為位置傳感器，結合合理的邏輯控制與功率驅動設計，能夠構建一套成本適中、可靠性高的無刷力矩電機驅動電路。該方案硬件結構清晰，位置檢測準確，為實現電機的平穩啟動、寬范圍調速和精準力矩控制奠定了堅實基礎。在研發過程中，精細的PCB布局（特別是大電流路徑與信號地的分離）、完善的保護機制以及耐心的系統調試，是確保驅動電路長期穩定運行的關鍵。可在此基礎上集成單片機實現更復雜的控制算法（如FOC），以進一步提升系統性能。