直流電機(jī)變速設(shè)計(jì)

1、?；趫?chǎng)效應(yīng)管的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)游志宇，杜楊，張洪，董秀成(1西華大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610039 ；2中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所，四川成都 610209)1 引言長(zhǎng)期以來(lái)，直流電機(jī)以其良好的線性特性、優(yōu)異的控制性能等特點(diǎn)成為大多數(shù)變速運(yùn)動(dòng)控制和閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)的最佳選擇。特別隨著計(jì)算機(jī)在控制領(lǐng)域，高開(kāi)關(guān)頻率、全控型第二代電力半導(dǎo)體器件(GTR、 GTO、 MOSFET 、IGBT 等 )的發(fā)展，以及脈寬調(diào)制 (PWM) 直流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，直流電機(jī)得到廣泛應(yīng)用。為適應(yīng)小型直流電機(jī)的使用需求， 各半導(dǎo)體廠商推出了直流電機(jī)控制專(zhuān)用集成電路，構(gòu)成基于微處理器控制的直流電機(jī)伺服系統(tǒng)

2、。但是，專(zhuān)用集成電路構(gòu)成的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出功率有限，不適合大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)需求。因此采用N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)建H 橋，實(shí)現(xiàn)大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。該驅(qū)動(dòng)電路能夠滿(mǎn)足各種類(lèi)型直流電機(jī)需求，并具有快速、精確、高效、低功耗等特點(diǎn)，可直接與微處理器接口，可應(yīng)用PWM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速控制。2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路總體結(jié)構(gòu)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路分為光電隔離電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯電路、 驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大電路、電荷泵電路、 H 橋功率驅(qū)動(dòng)電路等四部分，其電路框圖如圖1 所示。-可編輯修改 -。由圖可以看出， 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路的外圍接口簡(jiǎn)單。其主要控制信號(hào)有電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向信號(hào) Dir 電機(jī)調(diào)速信號(hào) PWM 及

3、電機(jī)制動(dòng)信號(hào) Brake ，Vcc 為驅(qū)動(dòng)邏輯電路部分提供電源， Vm 為電機(jī)電源電壓， M+ 、M- 為直流電機(jī)接口。在大功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中， 將驅(qū)動(dòng)回路與控制回路電氣隔離，減少驅(qū)動(dòng)控制電路對(duì)外部控制電路的干擾。 隔離后的控制信號(hào)經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯電路產(chǎn)生電機(jī)邏輯控制信號(hào)，分別控制 H 橋的上下臂。由于H 橋由大功率 N 溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成，不能由電機(jī)邏輯控制信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)，必須經(jīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大電路和電荷泵電路對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行放大，然后驅(qū)動(dòng)H 橋功率驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。3 H 橋功率驅(qū)動(dòng)原理直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用最廣泛的就是H 型全橋式電路，這種驅(qū)動(dòng)電路方便地實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行，分別對(duì)應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)

4、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動(dòng)。H 橋功率驅(qū)動(dòng)原理圖如圖 2 所示。H 型全橋式驅(qū)動(dòng)電路的4 只開(kāi)關(guān)管都工作在斬波狀態(tài)。S1、S2 為一組， S3 、S4為一組，這兩組狀態(tài)互補(bǔ)， 當(dāng)一組導(dǎo)通時(shí)， 另一組必須關(guān)斷。 當(dāng) S1、S2 導(dǎo)通時(shí)，-可編輯修改 -。S3、S4 關(guān)斷，電機(jī)兩端加正向電壓實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動(dòng)；當(dāng)S3、S4 導(dǎo)通時(shí)， S1、S2 關(guān)斷，電機(jī)兩端為反向電壓，電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動(dòng)。實(shí)際控制中，需要不斷地使電機(jī)在四個(gè)象限之間切換，即在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間切換，也就是在 S1、 S2 導(dǎo)通且 S3、 S4 關(guān)斷到 S1、 S2 關(guān)斷且 S3、 S4 導(dǎo)通這兩種狀態(tài)間轉(zhuǎn)換。這種情況理論上要求兩組控制

5、信號(hào)完全互補(bǔ)，但是由于實(shí)際的開(kāi)關(guān)器件都存在導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間， 絕對(duì)的互補(bǔ)控制邏輯會(huì)導(dǎo)致上下橋臂直通短路。為了避免直通短路且保證各個(gè)開(kāi)關(guān)管動(dòng)作的協(xié)同性和同步性，兩組控制信號(hào)理論上要求互為倒相，而實(shí)際必須相差一個(gè)足夠長(zhǎng)的死區(qū)時(shí)間，這個(gè)校正過(guò)程既可通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)，即在上下橋臂的兩組控制信號(hào)之間增加延時(shí)，也可通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。圖 2 中 4 只開(kāi)關(guān)管為續(xù)流二極管，可為線圈繞組提供續(xù)流回路。當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流通過(guò)主開(kāi)關(guān)管流過(guò)電機(jī)。 當(dāng)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)， 電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子電流必須通過(guò)續(xù)流二極管流通， 否則電機(jī)就會(huì)發(fā)熱， 嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀。4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)-可編輯修改 -。由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)

6、控制電路框圖可以看出驅(qū)動(dòng)控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要由四部分電路構(gòu)成，其中光電隔離電路較簡(jiǎn)單，在此不再介紹， 下面對(duì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路的其他部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。4.1 H 橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)在直流電機(jī)控制中常用H 橋電路作為驅(qū)動(dòng)器的功率驅(qū)動(dòng)電路。由于功率MOSFET 是壓控元件，具有輸入阻抗大、開(kāi)關(guān)速度快、無(wú)二次擊穿現(xiàn)象等特點(diǎn)，滿(mǎn)足高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作需求，因此常用功率MOSFET 構(gòu)成 H 橋電路的橋臂。 H 橋電路中的 4 個(gè)功率 MOSFET 分別采用 N 溝道型和 P 溝道型，而 P 溝道功率 MOSFET一般不用于下橋臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這樣就有兩種可行方案：一種是上下橋臂分別用2個(gè) P 溝道功率 MOSFE

7、T 和 2 個(gè) N 溝道功率 MOSFET ；另一種是上下橋臂均用N 溝道功率 MOSFET 。相對(duì)來(lái)說(shuō)，利用 2 個(gè) N 溝道功率 MOSFET 和 2 個(gè) P 溝道功率 MOSFET 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方案，控制電路簡(jiǎn)單、成本低。但由于加工工藝的原因， P 溝道功率 MOSFET的性能要比 N 溝道功率 MOSFET 的差，且驅(qū)動(dòng)電流小，多用于功率較小的驅(qū)動(dòng)電路中。而 N 溝道功率 MOSFET ，一方面載流子的遷移率較高、頻率響應(yīng)較好、跨導(dǎo)較大；另一方面能增大導(dǎo)通電流、減小導(dǎo)通電阻、降低成本，減小面積。綜合考慮系統(tǒng)功率、可靠性要求，以及N 溝道功率 MOSFET 的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用4 個(gè)相同的

8、N 溝道功率 MOSFET 的 H 橋電路，具備較好的性能和較高的可靠性，并具有較大的驅(qū)動(dòng)電流。其電路圖如圖3 所示。圖中 Vm 為電機(jī)電源電壓， 4-可編輯修改 -。個(gè)二極管為續(xù)流二極管，輸出端并聯(lián)一只小電容C6 ，用于降低感性元件電機(jī)產(chǎn)生的尖峰電壓。4.2 電荷泵電路設(shè)計(jì)電荷泵的基本原理是通過(guò)電容對(duì)電荷的積累效應(yīng)而產(chǎn)生高壓，使電流由低電勢(shì)流向高電勢(shì)。最早的理想電荷泵模型是J.Dickson 在 1976 年提出的，當(dāng)時(shí)這種電路是為可擦寫(xiě) EPROM 提供所需電壓。后來(lái)J.Witters ，Toru Tranzawa等人對(duì)J.Dickson 的電荷泵模型進(jìn)行改進(jìn)，提出了比較精確的理論模型，并

9、通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以證實(shí)提出了相關(guān)理論公式。隨著集成電路的不斷發(fā)展，基于低功耗、 低成本的考慮，電荷泵在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。簡(jiǎn)單電荷泵原理電路圖如圖4 所示。電容 C1 的 A 端通過(guò)二極管 D1 接 Vcc ，電容 C1 的 B 端接振幅 Vin 的方波。當(dāng) B 點(diǎn)電位為 0 時(shí)， D1 導(dǎo)通， Vcc 開(kāi)始對(duì)電容 C1 充電，直到節(jié)點(diǎn) A 的電位達(dá)到 Vcc ；當(dāng) B 點(diǎn)電位上升至高電平Vin 時(shí)，因?yàn)殡娙輧啥穗妷翰荒芡蛔?，此時(shí)A 點(diǎn)電位上升為 Vcc+Vin 。所以， A 點(diǎn)的電壓就是一個(gè)方波，最大值是Vcc+Vin ，最小值是 Vcc( 假設(shè)二極管為理想二極管)。A 點(diǎn)的方波經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的

10、整流濾波，可提供高于Vcc 的電壓。-可編輯修改 -。在驅(qū)動(dòng)控制電路中， H 橋由 4 個(gè) N 溝道功率 MOSFET 組成。若要控制各個(gè)MOSFET ，各 MOSFET 的門(mén)極電壓必須足夠高于柵極電壓。通常要使MOSFET完全可靠導(dǎo)通，其門(mén)極電壓一般在10 V 以上，即 VCS10 V 。對(duì)于 H 橋下橋臂，直接施加 10 V 以上的電壓即可使其導(dǎo)通；而對(duì)于上橋臂的2 個(gè) MOSFET ，要使 VGS10 V ，就必須滿(mǎn)足 VGVm+10 V，即驅(qū)動(dòng)電路必須能提供高于電源電壓的電壓，這就要求驅(qū)動(dòng)電路中增設(shè)升壓電路，提供高于柵極10 V 的電壓。考慮到 VGS 有上限要求，一般 MOSFET

11、導(dǎo)通時(shí) VGS 為 10 V 15 V ，也就是控制門(mén)極電壓隨柵極電壓的變化而變化，即為浮動(dòng)?xùn)膨?qū)動(dòng)。 因此在驅(qū)動(dòng)控制電路中設(shè)計(jì)電荷泵電路，用于提供高于Vm 的電壓 Vh ，驅(qū)動(dòng)功率管的導(dǎo)通。其電路原理圖如圖 5 所示。電路中 A 部分是方波發(fā)生電路，由RC 與反相施密特觸發(fā)器構(gòu)成，產(chǎn)生振幅為Vin=5 V的方波。B 部分是電荷泵電路， 由三階電荷泵構(gòu)成。 當(dāng) a 點(diǎn)為低電平時(shí)，二極管 D1 導(dǎo)通電容 C1 充電，使 b 點(diǎn)電壓 Vb=Vm-Vtn；當(dāng) a 點(diǎn)為高電平時(shí)，由于電容 C1 電壓不能突變，故b 點(diǎn)電壓 Vb=Vm+Vin-Vtn，此時(shí)二極管 D2導(dǎo)通，電容 C3 充電，使 c 點(diǎn)電壓

12、 Vx=Vm+Vin-2Vtn；當(dāng) a 點(diǎn)再為低電平時(shí)，二極管 D1 、 D3 導(dǎo)通，分別對(duì)電容C1、C2 充電，使得 d 點(diǎn)電壓Vd=Vm+Vin-3Vtn；當(dāng) a 點(diǎn)再為高電平時(shí)，由于電容C2 電壓不能突變，故d點(diǎn)電壓變?yōu)?Vd=Vm+2Vin-3Vtn，此時(shí)二極管 D2 、D4 導(dǎo)通，分別對(duì)電容C3 、-可編輯修改 -。c4 充電，使 e 點(diǎn)電壓 Ve=Vm+2Vin-4Vtn。這樣如此循環(huán)，便在g 點(diǎn)得到比Vm 高的電壓 Vh=Vm+3Vin-6tn=Vm+11.4 V。其中 Vm 為二極管壓降，一般取 0.6 V 。從而保證 H 橋的上臂完全導(dǎo)通。4.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯與放大電路設(shè)計(jì)直

13、流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯及放大電路主要實(shí)現(xiàn)外部控制信號(hào)到驅(qū)動(dòng) H 橋控制信號(hào)的轉(zhuǎn)換及放大。控制信號(hào)Dir 、PWM 、Brake 經(jīng)光電隔離電路后，由門(mén)電路進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生4 個(gè)控制信號(hào) M1 、M2 、 M3 、M4 ，然后經(jīng)三極管放大，產(chǎn)生控制H 橋的 4 個(gè)信號(hào) M1 、M2 、M3 、M4 。其電路原理圖如圖 6 所示。其中 Vh 是 Vm 經(jīng)電荷泵提升的電壓， Vm 為電機(jī)電源電壓。電機(jī)工作時(shí)， H 橋的上臂處于常開(kāi)或常閉狀態(tài)，由 Dir 控制，下臂由 PWM 邏輯電平控制，產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的控制電壓。該方案中，上臂MOSFET 只有在電機(jī)換向時(shí)才進(jìn)行開(kāi)關(guān)切換， 而電機(jī)的換向頻

14、率極低， 低端由邏輯電路直接控制，邏輯電路的信號(hào)電平切換較快， 可以滿(mǎn)足不同頻率要求。 該電路還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)， 由于上臂開(kāi)啟較慢， 而下臂關(guān)斷較快， 所以，實(shí)際控制時(shí)換向不會(huì)出現(xiàn)上下臂瞬間同時(shí)導(dǎo)通現(xiàn)象，減小了換向時(shí)電流沖擊，提高了MOSFET 的壽命。-可編輯修改 -。5 直流電機(jī) PWM 調(diào)速控制直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=(U-IR)/K其中 U 為電樞端電壓， I 為電樞電流， R 為電樞電路總電阻， 為每極磁通量，K 為電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制可分為勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。勵(lì)磁控制法是控制磁通，其控制功率小， 低速時(shí)受到磁飽和限制， 高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，而且由于勵(lì)

15、磁線圈電感較大動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法用得很少。大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合都使用電樞電壓控制法。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，改變電樞電壓可通過(guò)多種途徑實(shí)現(xiàn)，其中PWM( 脈寬調(diào)制 )便是常用的改變電樞電壓的一種調(diào)速方法。PWM 調(diào)速控制的基本原理是按一個(gè)固定頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)接通和斷開(kāi)的時(shí)間比(占空比 )來(lái)改變直流電機(jī)電樞上電壓的占空比 ，從而改變平均電壓，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)其速度增加，電機(jī)斷電時(shí)其速度減低。 只要按照一定的規(guī)律改變通、 斷電的時(shí)間，即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 而且采用 PWM 技術(shù)構(gòu)成的無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng) 啟停時(shí)對(duì)直流系統(tǒng)無(wú)沖擊，并且具有啟動(dòng)功耗小、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。-可編輯修改 -。設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為Vmax ，且設(shè)占空比為D=t T，則電機(jī)的平均速度 Vd 為：Vd=VmaxD由公式可知，當(dāng)改變占空比D=t T 時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度Vd ，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格地講，平均速度與占空比D 并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可將其近似地看成線性關(guān)系。在直