較大功率直流電機(jī)驅(qū)動電路的方案與對策

1、較大功率直流電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計方案1引言直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn),調(diào)速平滑、方便、調(diào)速范圍廣,過載能力強(qiáng)，可以能滿足生產(chǎn)過程中自動化系統(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，其集成芯片價格昂貴。了較大功率直流電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計中可能出現(xiàn)的各種問題，于25D60-24A的直流電機(jī)驅(qū)動電路。該電路驅(qū)動功率大,用前景?；诖?，本文詳細(xì)分析和探討有針對性設(shè)計和實(shí)現(xiàn)了一款基抗干擾能力強(qiáng)，具有廣泛的應(yīng)2 H橋功率驅(qū)動電路的設(shè)計在直流

2、電機(jī)中，可以采用GTR集電極輸出型和射極輸出性驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動，但是它們都屬于不可逆變速拴阻，其電流不能反向，無制動能力，也不能反向驅(qū)動，電機(jī)只能單方向旋轉(zhuǎn)，因此這種驅(qū)動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)動電路使用最為廣泛?？赡骝?qū)動允許電流反向，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,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，一般都是配合變壓通過

3、 PWM(PulseWidth Modulation)信號占空比的調(diào)節(jié)改變電樞電上的大小，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)兩個輸入端的電里。當(dāng)開關(guān)S1和S4閉合時， 電流從電機(jī)左端流向電機(jī)的右端,電機(jī)沿一個方向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)開關(guān)S2和S3閉合時，電流從電機(jī)右端流向電機(jī)左端，電機(jī)沿另一個方向旋轉(zhuǎn)，H橋驅(qū)動原理等效電路圖如圖 1所示。圖1 H橋驅(qū)動原理電路圖2.2 開關(guān)器件的選擇及 H橋電路設(shè)計常用的電子開關(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

4、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)常會用到繼電器。三極管屬于電流驅(qū)動型器件，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 3,如果，IB* 3 >=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)，舊=IC/ 3,三極管驅(qū)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(qū)動端的要求也比較高。MOS管屬于電壓驅(qū)動型器件， 對于NMOS說， 只要柵極 電壓高于源極電壓即可實(shí)現(xiàn) NMOS勺飽和導(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

5、，對MOSf驅(qū)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(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)計中，電機(jī)工作電流為 3.8A,工作電壓24V,電機(jī)驅(qū)動的控制端為 51系列單 片機(jī)，最大灌電流為30mA.因此采用MOST作為H橋的開關(guān)器件。MOS管又有NMOS口 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)計中，采用24V單電源供電， 采用NMOSf的通斷控制白接線如圖 2所示

6、，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，NMOS管關(guān)斷。屋LOAD.<zzUUNT.KUL . r>圖2 NMOS接線圖采用PMOS管實(shí)現(xiàn)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(guān)斷。圖3 PMOS接線圖10V15V時， 要使PMOS#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較大時控制不方便。比較圖2圖3可知：NMO眩于負(fù)載的下方，而PMO項(xiàng)于負(fù)載的上方，用NMOS 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

7、示。A dT1/ -Bsrioo MOTOR - , ,-< - -, "X- 8 II B 圖4 PMOS和NMOSt構(gòu)成的H橋Q1和Q4導(dǎo)通，電機(jī)沿一個方向旋轉(zhuǎn)，Q2和Q3導(dǎo)通電機(jī)沿另一個方向旋轉(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存通和 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PMO袈比NMOS勺工作電流小， PMOS的成本高。 分別用PMOS NMOS故上管 與下管，電路

8、的對稱性不好。由于上述問題，在構(gòu)建H橋的時候僅采用 NMOS乍為功率開關(guān)器件。 用NMOS#建出的H橋如圖5所示：圖5 NMOS管構(gòu)成的H橋圖5NMOS1組成的H橋中，首先分析由Q1和Q4組成的通路， 當(dāng)Q1和Q4關(guān)斷時， A點(diǎn)的電位處于"懸浮"狀態(tài)（不確定電位為多少）（Q2和Q3也關(guān)斷）。在打開Q4之前，先 打開Q1,給Q1的G極15V的電壓，由于A點(diǎn)"懸浮"狀態(tài)，則A點(diǎn)可以是任何電平，這樣可能導(dǎo)致Q1打開失??；在打開Q4之后，嘗試才T開Q1,在Q1打開之前，A點(diǎn)為低電位， 給Q1的G極加上15V電壓，Q1打開，由于Q1飽和導(dǎo)通，A點(diǎn)的電平等于電源電壓

9、（本 系統(tǒng)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(guān)斷，Q1打開 失敗。Q2和Q3的情況與Q1和Q4相似。 要打開由NMOS勾成的H橋的上管， 必須處 理好A點(diǎn)（也就是上管的S極）"懸浮"的問題。 由于NMOS勺S極一般接地， 被稱為"浮地 ".要使上管NMOS丁開， 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(qū)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(dǎo)通。如果上管和下管同時導(dǎo)通，相當(dāng)于從電源到地短路，可能會燒

10、毀MOS管或電源，即使很短時間的短路現(xiàn)象也會造成MOS勺發(fā)熱。 在功率控制中一般采用在兩次狀態(tài)轉(zhuǎn)變中插入"死區(qū)”的方法來防止瞬時的短路。在選擇 H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(qū)動電流來驅(qū)動NMO S本系統(tǒng)中采用IR2103作為NMOS捽制器.IR2103內(nèi)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(nèi)部集成死區(qū)升成器，可以IR2103 和 NMO訓(xùn)在每次狀態(tài)車t換時插入"死區(qū)"，同時可以保證上、下兩管的狀態(tài)相反。成的H橋半橋電路如下圖 6所示：圖6 IR2103和NMOSf構(gòu)成的H橋半橋電路由IR21

11、03的應(yīng)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(qiáng)MGT的門電壓，2.用于高端驅(qū)動電路的IQBS -靜態(tài)電流，3.電平轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部電流，4. MGT- 柵-源正向漏電流，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(guān)， 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：其中：Qg =高端FET的門電荷，f = 工作頻壁，ICbs (leak)=自舉電容漏電流，Iqbs (max)=最大VBS靜態(tài)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(fù)載上的壓降，VMin = VB與VS之間的最

12、小電壓，Qls =每個周期的電平轉(zhuǎn)換所需要的電荷(對于500V/600V MGD來說，通常為5nC,而1200 V MGD為 20 nC 。圖中D1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(guān).電容取值越大工作頻至越低。電容的漏電流對系統(tǒng)的性 能有很大影響。自舉二極管要承受系統(tǒng)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(guān)速度也直接影響系統(tǒng)的工作頻至，一般選用超快恢復(fù)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(guān)斷的過程中

13、，由于下管中的寄生二極管，會產(chǎn)后續(xù)流，使VS端產(chǎn)生負(fù)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端加入續(xù)流二極管。 如 下圖所示：圖8在IR2103中加入續(xù)流二極管電路。圖中D2即為續(xù)流二極管，續(xù)流二極管采用普通二極管即可，但VS電壓恢復(fù)越快，自舉電容過充現(xiàn)象越不明顯，本系統(tǒng)采用1N4148作為續(xù)流二極管。由干驅(qū)動器和MOSFET柵極之間的引線、地回路的引線等所產(chǎn)生的電感，以及IC和FET內(nèi)部的寄生電感，在開啟日會在MOSFET柵極出現(xiàn)振鈴,一方面增加MOSFET的開關(guān)損耗，同時EMC方面不好控制。 在MOSFET的柵極和驅(qū)動IC的輸出之

14、間串聯(lián)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(diào)節(jié) MOSFET的開關(guān)速度, 減少 柵極出現(xiàn)的振鈴現(xiàn)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(guān)速度， 但卻能減少EMI,使柵極穩(wěn)定。3 me圖9消除振鈴電路。MOS管的關(guān)斷時間要比開啟時間慢（開啟充電，關(guān)斷放電），因此就要改變 MOS管的 關(guān)斷速度，可以在柵極電阻上反向并聯(lián)一個二極管（如圖9中A所示），當(dāng)MOS管關(guān)斷時，二極管導(dǎo)通， 將柵極電阻短路從而減少放電時間。由于VS端可能出現(xiàn)負(fù)電壓， 在VS端串入一個合適的電阻，可以在產(chǎn)生負(fù)電壓時起到限流作用，針對負(fù)載電機(jī)為感性

15、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:圖10限流去耦電路。圖中C7為局部去藕電容，可以取100uF, C6為輸出電容，根據(jù)負(fù)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PWMK的占空比接近100%且不能達(dá)到100%.但這不影響電機(jī)的正常工作，因?yàn)殡姍C(jī)本身固有的特性，電機(jī)有一個較小的飽和區(qū)，即或占空比增大，其轉(zhuǎn)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(qū)動器性能進(jìn)行測試,選用25D60-24V的直流電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制控制，電機(jī)的額定功率為60W,額定轉(zhuǎn)速為2800rpm,額定電壓為24V,額定電流為3.8A.其電機(jī)的最 高轉(zhuǎn)速可達(dá)2910rpm,電機(jī)啟動的最低轉(zhuǎn)速為 44rpm,堵轉(zhuǎn)時無明顯發(fā)熱現(xiàn)象。為了測試電路工作的穩(wěn)定性，連續(xù)三天電機(jī)工作 8小時以上，電路的發(fā)熱較??；為了測試電路的抗沖擊，抗干擾能力，系統(tǒng)在開與關(guān)之間連續(xù)進(jìn)