較大功率直流電機驅動電路的方案與對策

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1、較大功率直流電機驅動電路的設計方案1引言直流電機具有優良的調速特性，調速平滑、方便、調速范圍廣，過載能力強，可以 實現頻繁的無級快速啟動、制動和反轉，能滿足生產過程中自動化系統各種不同的特殊運 行要求，因此在工業控制領域,直流電機得到了廣泛的應用。許多半導體公司推出了直流電機專用驅動芯片,但這些芯片多數只適合小功率直流電 機，對于大功率直流電機的驅動，其集成芯片價格昂貴?；诖?，本文詳細分析和探討 了較大功率直流電機驅動電路設計中可能出現的各種問題，有針對性設計和實現了一款基 于25D60-24A的直流電機驅動電路。該電路驅動功率大，抗干擾能力強，具有廣泛的應 用前景。2 H橋功率驅動電路的設

2、計在直流電機中，可以采用GTR集電極輸出型和射極輸出性驅動電路實現電機的驅動， 但是它們都屬于不可逆變速控制,其電流不能反向，無制動能力，也不能反向驅動，電 機只能單方向旋轉，因此這種驅動電路受到了很大的限制。對于可逆變速控制，H橋型互 補對稱式驅動電路使用最為廣泛?？赡骝寗釉试S電流反向，可以實現直流電機的四象限運 行，有效實現電機的正、反轉控制。而電機速度的控制主要有三種，調節電樞電壓、減 弱勵磁磁通、改變電樞回路電阻。三種方法各有優缺點，改變電樞回路電阻只能實現有級 調速，減弱磁通雖然能實現平滑調速，但這種方法的調速范圍不大，一般都是配合變壓 調速使用。因此在直流調速系統中，都是以變壓調速

3、為主，通過PWM(Pulse Width Modula ti on)信號占空比的調節改變電樞電壓的大小,從而實現電機的平滑調速。2.1 H橋驅動原理要控制電機的正反轉，需要給電機提供正反向電壓，這就需要四路開關去控制電機兩 個輸入端的電壓。當開關S1和S4閉合時，電流從電機左端流向電機的右端，電機沿一 個方向旋轉;當開關S2和S3閉合時，電流從電機右端流向電機左端，電機沿另一個方向 旋轉，H橋驅動原理等效電路圖如圖1所示。圖1H橋驅動原理電路圖2.2開關器件的選擇及H橋電路設計常用的電子開關器件有繼電器，三極管，MOS管，IGBT等。普通繼電器屬機械器 件，開關次數有限，開關速度比較慢。而且繼

4、電器內部為感性負載，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，實現由小信號控制大信號，高壓控制 中經常會用到繼電器。三極管屬于電流驅動型器件，設基極電流為IB,集電極電流為IC, 三極管的放大系數為B，如果，IB*B=IC,則三極管處于飽和狀態，可以當作開關使用。 要使三極管處于開關狀態，IB= IC/B，三極管驅動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，對三極管驅動端的要求也比較高。MOS管屬于電壓 驅動型器件，對于NMOS來說，只要柵極電壓高于源極電壓即可實現NMOS的飽和導通， MOS管開啟與關斷的能量損失僅是對柵極和源極之間的寄生電容的充放

5、電，對MOS管驅動 端要求不高。同時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則是結合了三極管和MOS管的優點制造的器件，一般用于200V以上的情況。在本設計中，電機工作電流為3.8A,工作電壓24V,電機驅動的控制端為51系列單 片機，最大灌電流為30mA.因此采用MOS管作為H橋的開關器件。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導通要求柵極電壓大于源極電 壓(10V-15V),而PMOS的導通要求柵極電壓小于源極電壓(10V-15V)。在本設計中，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，

6、只要G極電壓在10-15V 的范圍內，NMOS即可飽和導通，G極電壓為0時，NMOS管關斷。Csl2LOAD-aCUNIROL -Sos圖2 NMOS接線圖Q1.PMOS采用PMOS管實現通斷控制時，其接線如圖3所示，G極電壓等于電源電壓VCC時 PMOS關斷。CONTROL D-S LOAD, a圖3 PMOS接線圖10V15V時，要使PMOS導通則G極電壓為VCC-15V. PMOS的導通與關斷，是在電源 電壓VCC與VCC-15V之間切換，當電源電壓VCC較大時控制不方便。比較圖2圖3可知：NMOS位于負載的下方，而PMOS位于負載的上方，用NMOS和PMOS,替換掉圖1中 的開關，就可

7、以組成由MOS管組成的H橋，如圖4所示。A圖4 PMOS和NMOS管構成的H橋Q1和Q4導通，電機沿一個方向旋轉，Q2和Q3導通電機沿另一個方向旋轉。在本 系統中，電機的工作電壓為24V,即電源電壓為24V,則要控制H橋的上管(PMOS)導通和 關斷的電壓分別為24V-15V=9V和24V,而對于下管(NMOS)來說，導通與關斷電壓分別為 15V和0V,要想同時打開與關斷上、下兩管，所用的控制電路比較復雜。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，在構建H橋的時候僅采用NMOS作為功率 開關

8、器件。用NMOS搭建出的H橋如圖5所示：DQ2.BST72 .u.Q4.BST72 .圖5 NMOS管構成的H橋圖5NMOS管組成的H橋中，首先分析由Q1和Q4組成的通路，當Q1和Q4關斷時, A點的電位處于懸浮狀態（不確定電位為多少）（Q2和Q3也關斷）。在打開Q4之前，先 打開Q1,給Q1的G極15V的電壓，由于A點懸浮狀態，則A點可以是任何電平，這 樣可能導致Q1打開失敗;在打開Q4之后，嘗試打開Q1,在Q1打開之前，A點為低電位, 給Q1的G極加上15V電壓，Q1打開，由于Q1飽和導通，A點的電平等于電源電壓（本 系統中電源電壓為24V），此時Q1的G極電壓小于Q1的S極電壓，Q1關斷

9、，Q1打開 失敗。Q2和Q3的情況與Q1和Q4相似。要打開由NMOS構成的H橋的上管，必須處 理好A點（也就是上管的S極）懸浮的問題。由于NMOS的S極一般接地，被稱為浮地 .要使上管NMOS打開，必須使上管的G極相對于浮地有10-15V的電壓差，這就需要 采用升壓電路。2.3 H橋控制器在H橋的驅動中，除了考慮上管的升壓電路外，還要考慮到在H橋同臂的上管和下管 （如圖5中的Q1和Q3）不能同時導通。如果上管和下管同時導通，相當于從電源到地短 路，可能會燒毀MOS管或電源，即使很短時間的短路現象也會造成MOS的發熱。在功率 控制中一般采用在兩次狀態轉變中插入死區的方法來防止瞬時的短路。在選擇H

10、橋控制 器的時候最好滿足上述兩種邏輯條件，又用足夠大的驅動電流來驅動NMOS。本系統中采用IR2103作為NMOS控制器,IR2103內部集成升壓電路，外部僅需要 一個自舉電容和一個自舉二極管即可完成自舉升壓。IR2103內部集成死區升成器，可以在每次狀態轉換時插入死區，同時可以保證上、下兩管的狀態相反。IR2103和NMOS組 成的H橋半橋電路如下圖6所示：圖6 IR2103和NMOS管構成的H橋半橋電路由IR2103的應用手冊中得知自舉電容選擇取決于以下幾個因素：1.要求增強MGT的 門電壓，2.用于高端驅動電路的IQBS -靜態電流，3.電平轉換器的內部電流，4. MGT- 柵-源正向漏

11、電流，5.自舉電容漏電流。其中因素5僅與自舉電容是電解電容時有關，如 果采用其他類型的電容，則可以忽略。最小自舉電容值可以通過以下公式(1)計算得到：C Q 十 A?比血踴Q 十 厶加伽的其中：Qg =高端FET的門電荷，f =工作頻率，ICbs (leak)=自舉電容漏電流， Iqbs (max)=最大VBS靜態電流，VCC =邏輯電路部分的電壓源，Vf =自舉二極管的正 向壓降，VLS =低端FET或者負載上的壓降，VMin = VB與VS之間的最小電壓，Qls = 每個周期的電平轉換所需要的電荷(對于500V/600VMGD來說，通常為5nC,而1200 VMGD 為 20 nC。圖中D

12、1為自舉二極管，C4為自舉電容。并不是電容的值越大就越好，電容的取值 和IR2103的工作頻率密切相關，電容取值越大工作頻率越低。電容的漏電流對系統的性 能有很大影響。自舉二極管要承受系統所有的電壓，自舉二極管的前向壓降也影響著自舉 電容的選擇，同時自舉二極管的開關速度也直接影響系統的工作頻率，一般選用超快恢復 二極管。由示波器獲得自舉電路升壓波形如下圖7所示：圖7自舉電路升壓波形圖中B部分為自舉升壓后VB端的電壓，圖中A部分是由于在上管關斷的過程中，由 于下管中的寄生二極管，會產后續流，使VS端產生負電壓，從而使電容過充。要削弱 電容的過充可采用0.47uF以上的自舉電容，同時可以在地與VS

13、端加入續流二極管。如 下圖所示：+15VVCCVBHINHOUNVSCOMLOU21234圖8在IR2103中加入續流二極管電路。圖中D2即為續流二極管，續流二極管采用普通二極管即可，但VS電壓恢復越快，自 舉電容過充現象越不明顯，本系統采用1N4148作為續流二極管。由于驅動器和MOSFET柵極之間的引線、地回路的引線等所產生的電感，以及IC和 FET內部的寄生電感，在開啟時會在MOSFET柵極出現振鈴，一方面增加MOSFET的開關 損耗，同時EMC方面不好控制。在MOSFET的柵極和驅動IC的輸出之間串聯一個電阻（如圖9中B所示）。這個電阻稱為柵極電阻，其作用是調節MOSFET的開關速度，

14、減少 柵極出現的振鈴現象，減小EMI,也可以對柵極電容充放電起限流作用。該電阻的引入減 慢了 MOS管的開關速度，但卻能減少EMI,使柵極穩定。圖9消除振鈴電路。MOS管的關斷時間要比開啟時間慢（開啟充電，關斷放電），因此就要改變MOS管的 關斷速度，可以在柵極電阻上反向并聯一個二極管（如圖9中A所示），當MOS管關斷時, 二極管導通，將柵極電阻短路從而減少放電時間。由于VS端可能出現負電壓，在VS端 串入一個合適的電阻，可以在產生負電壓時起到限流作用，針對負載電機為感性器件，在 H橋的輸出端并一個小電容，并在局部供電部分加一個去藕電容十分必要。其電路如下圖 所示：HBRI_+24VDS亠亠.

15、HE：RI GNDQ2 E：ST72HE：F：.I_+24VJ1-1Q3 -C6BST72圖中C7為局部去藕電容，可以取lOOuF, C6為輸出電容，根據負載取值。由于采 用電容式自舉電路，電容在工作的過程中會自行放電，所以PWM波的占空比接近100%但 不能達到100%.但這不影響電機的正常工作，因為電機本身固有的特性，電機有一個較 小的飽和區，即或占空比增大，其轉速也不會有明顯的變化。因此上述電路完全滿足工 作的需要。3硬件測試為了對驅動器性能進行測試，選用25D60-24V的直流電機進行閉環控制控制，電機 的額定功率為60W,額定轉速為2800rpm,額定電壓為24V,額定電流為3.8A

16、.其電機的最 高轉速可達2910rpm,電機啟動的最低轉速為44rpm,堵轉時無明顯發熱現象。為了測試電 路工作的穩定性，連續三天電機工作8小時以上，電路的發熱較小;為了測試電路的抗沖 擊，抗干擾能力，系統在開與關之間連續進行多次切換，電路工作沒有出現任何故障； 另外系統在突然增加負載的情況下也能正常工作。因此完全滿足驅動的需要，而且設計過 程中，為防止啟動和制動電流的驟然升高，電路有較大的電流冗余，電路中最高電流可 以達到8A,有效地保證了電路工作的穩定性，并具有很強的抗干擾能力。4結論本文設計并實現了一種較大功率直流電機驅動電路，從器件的選擇到系統的實現，詳 細分析和探討了電路設計過程中可能出現的各種問題，并通過理論計算和工程實踐解決上 述問題。該電路魯棒性強，實用性廣，尤其適合驅動較大功率的直流電機。