較大功率直流電機驅動電路地方案設計

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(yōu)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(tǒng)各種不同的特殊運行要求， 因此在工業(yè)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基于此，本文詳細分析和探討有針對性設計和實現了一款基抗干擾能力強，具有廣泛的應機，對于大功率直流電機的驅動，其集成芯片價格昂貴。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， 于25D60-24A的直流電機驅動電路。該電路驅動功率大, 用前景。2 H橋功率驅動電路的設計在

2、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(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，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(tǒng)中， 都是以變壓調速為主

3、， 通過PWM(Puls( Width Modulatio n)信號占空比的調節(jié)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1 H橋驅動原理電路圖22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。而且繼電

4、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 3 ,如果，IB* 3 >=IC,則三極管處于飽和狀態(tài)，可以當作開關使用。要使三極管處于開關狀態(tài)，IB= IC/ 3 ,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

5、電容的充放電，對MOSt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(yōu)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MOSf作為H橋的開關器件。MOS管又有NMO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

6、線如圖 2所示，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。rr-ra.dah * <>' - S * a LOAD- 彳LXJN1KUL I、NITIOS 2eg.is- “圖2 NMOS接線圖VCC時采用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PMOS關斷。是在電源2圖3可圖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,比較圖電壓VCC與VCC-15V之間切換，當電源電壓 VCC較大時控制不方便。知：NMOS位于負載的下方，而PMOS位于負

7、載的上方，用NMOS和PMOS,替換掉圖1中的開關， 就可以組成由 MOS管組成的H橋，如圖4所示。i BSriOD/jn述Mt-1 - J 'BSTI co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(tǒng)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

8、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作為功率開關器件。用NMOS搭建出的H橋如圖5所示：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(tài)（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(tài)，則A點可以是任何電平，這樣可能導致Q1打開失??；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

9、壓（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關斷，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勺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，

10、 即使很短時間的短路現象也會造成MOS的發(fā)熱。 在功率控制中一般采用在兩次狀態(tài)轉變中插入”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，又用足夠大的驅動電流來驅動NMOS本系統(tǒng)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(qū)升成器，可以在每次狀態(tài)轉換時插入"死區(qū)",同時可以保證上、下兩管的狀態(tài)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

11、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(tài)電流，3.電平轉換器的內部電流，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， 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：r r 0 十勺曾血益+ O +（摳卅）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(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或者負載上的壓降，VMin = VB

12、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/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，電容取值越大工作 頻率越低。 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速度也直接影響系統(tǒng)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

13、管關斷的過程中，由于下管中的寄生二極管，會產后續(xù)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電壓恢復越快， 自舉電容過充現象越不明顯，本系統(tǒng)采用1N4148作為續(xù)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

14、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(jié) MOSFET的開關速度， 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(wěn)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

15、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：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(qū)，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(huán)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.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(fā)熱現象。為了測試電路工作的穩(wěn)定性，連續(xù)三天電機工作 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)在開與關之間連續(xù)進