大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于直流電機(jī)H 橋的驅(qū)動(dòng)和控制原理， 本文詳細(xì)分析和探討了電路設(shè)計(jì)過程中可能出現(xiàn)的各種問題， 提出了切實(shí)可行的解決手段。 該電路采用NMOS場效應(yīng)管作為功率輸出器件， 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了較大功率的直流電機(jī)H 橋驅(qū)動(dòng)電路，并對額定電壓為24 伏， 額定電流為3.8A 的25D60-24A 直流電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制， 電路的抗干擾能力強(qiáng)， 魯棒性好。

1 引言

直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性， 調(diào)速平滑、方便、調(diào)速范圍廣， 過載能力強(qiáng)， 可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)， 能滿足生產(chǎn)過程中自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求， 因此在工業(yè)控制領(lǐng)域， 直流電機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。

許多半導(dǎo)體公司推出了直流電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片， 但這些芯片多數(shù)只適合小功率直流電機(jī)， 對于大功率直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)， 其集成芯片價(jià)格昂貴。 基于此， 本文詳細(xì)分析和探討了較大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的各種問題， 有針對性設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一款基于25D60-24A 的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。 該電路驅(qū)動(dòng)功率大， 抗干擾能力強(qiáng)， 具有廣泛的應(yīng)用前景。

2 H 橋功率驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

在直流電機(jī)中， 可以采用GTR 集電極輸出型和射極輸出性驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)， 但是它們都屬于不可逆變速控制， 其電流不能反向， 無制動(dòng)能力， 也不能反向驅(qū)動(dòng)， 電機(jī)只能單方向旋轉(zhuǎn)， 因此這種驅(qū)動(dòng)電路受到了很大的限制。對于可逆變速控制， H 橋型互補(bǔ)對稱式驅(qū)動(dòng)電路使用最為廣泛?？赡骝?qū)動(dòng)允許電流反向， 可以實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行， 有效實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)控制。 而電機(jī)速度的控制主要有三種， 調(diào)節(jié)電樞電壓、減弱勵(lì)磁磁通、改變電樞回路電阻。 三種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)， 改變電樞回路電阻只能實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速， 減弱磁通雖然能實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速， 但這種方法的調(diào)速范圍不大， 一般都是配合變壓調(diào)速使用。 因此在直流調(diào)速系統(tǒng)中， 都是以變壓調(diào)速為主， 通過PWM(Pulse Width Modulation)信號占空比的調(diào)節(jié)改變電樞電壓的大小， 從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平滑調(diào)速。

2.1 H 橋驅(qū)動(dòng)原理

要控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)， 需要給電機(jī)提供正反向電壓， 這就需要四路開關(guān)去控制電機(jī)兩個(gè)輸入端的電壓。 當(dāng)開關(guān)S1 和S4 閉合時(shí)， 電流從電機(jī)左端流向電機(jī)的右端， 電機(jī)沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn);當(dāng)開關(guān)S2 和S3 閉合時(shí)， 電流從電機(jī)右端流向電機(jī)左端， 電機(jī)沿另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)， H 橋驅(qū)動(dòng)原理等效電路圖如圖1 所示。

圖1 H 橋驅(qū)動(dòng)原理電路圖

2.2 開關(guān)器件的選擇及H 橋電路設(shè)計(jì)

常用的電子開關(guān)器件有繼電器， 三極管， MOS 管， IGBT 等。 普通繼電器屬機(jī)械器件， 開關(guān)次數(shù)有限， 開關(guān)速度比較慢。 而且繼電器內(nèi)部為感性負(fù)載， 對電路的干擾比較大。 但繼電器可以把控制部分與被控制部分分開， 實(shí)現(xiàn)由小信號控制大信號， 高壓控制中經(jīng)常會(huì)用到繼電器。 三極管屬于電流驅(qū)動(dòng)型器件， 設(shè)基極電流為IB, 集電極電流為IC, 三極管的放大系數(shù)為β， 如果， IB*β>=IC, 則三極管處于飽和狀態(tài)， 可以當(dāng)作開關(guān)使用。 要使三極管處于開關(guān)狀態(tài)， IB= IC/β， 三極管驅(qū)動(dòng)管的電流跟三極管輸出端的電流成正比， 如果三極管輸出端電流比較大， 對三極管驅(qū)動(dòng)端的要求也比較高。 MOS 管屬于電壓驅(qū)動(dòng)型器件， 對于NMOS 來說， 只要柵極電壓高于源極電壓即可實(shí)現(xiàn)NMOS 的飽和導(dǎo)通， MOS 管開啟與關(guān)斷的能量損失僅是對柵極和源極之間的寄生電容的充放電， 對MOS管驅(qū)動(dòng)端要求不高。 同時(shí)MOS 端可以做到很大的電流輸出， 因此一般用于需要大電流的場所。 IGBT 則是結(jié)合了三極管和MOS 管的優(yōu)點(diǎn)制造的器件， 一般用于200V 以上的情況。

在本設(shè)計(jì)中， 電機(jī)工作電流為3.8A, 工作電壓24V, 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制端為51 系列單片機(jī)， 最大灌電流為30mA. 因此采用MOS管作為H橋的開關(guān)器件。 MOS管又有NMOS和PMOS之分， 兩種管子的制造工藝不同， 控制方法也不同。 NMOS 導(dǎo)通要求柵極電壓大于源極電壓(10V-15V)， 而PMOS 的導(dǎo)通要求柵極電壓小于源極電壓(10V-15V)。 在本設(shè)計(jì)中， 采用24V 單電源供電， 采用NMOS 管的通斷控制的接線如圖2 所示， 只要G 極電壓在10-15V 的范圍內(nèi)， NMOS 即可飽和導(dǎo)通， G 極電壓為0 時(shí)， NMOS 管關(guān)斷。

圖2 NMOS 接線圖

采用PMOS 管實(shí)現(xiàn)通斷控制時(shí)， 其接線如圖3 所示， G 極電壓等于電源電壓VCC 時(shí)PMOS 關(guān)斷。

圖3 PMOS 接線圖

10V15V 時(shí)， 要使PMOS 導(dǎo)通則G 極電壓為VCC-15V. PMOS 的導(dǎo)通與關(guān)斷， 是在電源電壓VCC 與VCC-15V 之間切換， 當(dāng)電源電壓VCC 較大時(shí)控制不方便。 比較圖2 圖3 可知：NMOS位于負(fù)載的下方， 而PMOS 位于負(fù)載的上方， 用NMOS 和PMOS, 替換掉圖1 中的開關(guān)， 就可以組成由MOS 管組成的H 橋， 如圖4 所示。

圖4 PMOS 和NMOS 管構(gòu)成的H 橋

Q1 和Q4 導(dǎo)通， 電機(jī)沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)， Q2 和Q3 導(dǎo)通電機(jī)沿另一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)。 在本系統(tǒng)中， 電機(jī)的工作電壓為24V, 即電源電壓為24V, 則要控制H 橋的上管(PMOS)導(dǎo)通和關(guān)斷的電壓分別為24V-15V=9V 和24V, 而對于下管(NMOS)來說， 導(dǎo)通與關(guān)斷電壓分別為15V 和0V, 要想同時(shí)打開與關(guān)斷上、下兩管， 所用的控制電路比較復(fù)雜。 而且， 相同工藝做出的PMOS 要比NMOS 的工作電流小， PMOS 的成本高。 分別用PMOS 和NMOS 做上管與下管， 電路的對稱性不好。 由于上述問題， 在構(gòu)建H 橋的時(shí)候僅采用NMOS 作為功率開關(guān)器件。 用NMOS 搭建出的H 橋如圖5 所示：