直流电机控制电路

1、1 电机控制电路设计电机控制电路设计 2 6.1 直流电机控制电路设计直流电机控制电路设计 3 直流电动机是一种设计以直流电压电源工作的旋转电动机。 直流电动机有永磁直流电动机、串励和并励直流电动机。 1. 直流电动机的单极性和双极性驱动方式直流电动机的单极性和双极性驱动方式 直流电动机的驱动方式有单极性和双极性两种，当电动机 只需要单方向旋转时，采用单极性驱动方式。 单极性驱动电路如图6.1.1所示。图6.1.1（a）由模拟控制 器或微控制器的PWM信号，控制一个功率MOSFET开关 管的导通状态，在电动机两端并接一个续流二极管。功率 开关管串接在电动机下方（靠近电源地），其栅极驱动应 采用

2、低侧栅极驱动器。如果功率开关管串接在电动机上方 （靠近电源正极），其栅极驱动应采用高侧栅极驱动器。 对于高侧开关，它的栅极驱动需要附加的电平提升电路， 所以大多采用低侧驱动方式。该种电路因电流通过续流二 极管续流，时间较长，损耗较大，典型应用在小型风机、 泵的驱动。 4 （a）低侧和高侧单极性驱动 （b）快速半桥单极性驱动 图6.1.1 直流电动机单极性驱动方式 5 为避免因续流二极管续流，带来时间较长，损耗较大的缺 点，可采用图6.1.1（b）半桥驱动电路。其中的二极管 VD1、VD2实际上是DMOS管的“体”二极管，在工艺上 与DMOS管一起自动生成。这样，不必再附加续流二极管。 半桥驱动

3、电路可实现电动机的制动控制，当断开VF1停止 对电动机供电的同时，将VF2连续开通，电动机的电动势 （EMF）经VF2短路，使电动机制动。此时，如果VF2不 是连续开通，而是PWM控制，可实现电动机的软制动。 6 当电动机需要正反两个方向旋转时，采用双极性驱动方式。 由四个功率开关管组成的H桥电路的双极性驱动电路如图 6.1.2所示。 图6.1.2 基本H桥电路 7 2.直流电动机控制集成电路的品种直流电动机控制集成电路的品种 各国半导体厂商生产的直流电动机控制集成电路品种繁多，现将部分 直流电动机控制集成电路的品种介绍如下： （1）Semiconductors公司生产的直流电动机控制集成电路

4、有CS7054、 CS4124、NCV7701、MC33030等型号。CS7054/CS4124是驱动低 侧/高侧MOSFET直流电动机PWM控制器，电源电压为30V，输出峰 值电流为0.2A/0.15A，具有“休眠”模式、过电压和过电流保护功能， 采用DIP14和SO-16L封装形式。NCV7701是H桥驱动器，电源电压为 26V，输出峰值电流为2A，具有交叉导通、过电压保护、欠电压保护、 过电流保护、正反转和制动等功能，采用SO-20L封装形式。 MC33030是直流伺服电动机H桥驱动器，电源电压为36V，输出峰值 电流为1A，具有过电压保护、过电流保护、四象限控制等功能，采用 DIP16

5、封装形式。 8 （2）Allegro Microsystems公司生产的直流电动机控制集 成电路在办公自动化、工业自动化、汽车和便携式电子设 备方面得到广泛应用。其中，双全桥PWM电动机驱动器 驱动电流为500750mA，电源电压为2030V的产 品有A3965A3968、A3967；驱动电流为750mA，电 源电压为45V的产品有A2916、A2919、A6219；驱动电 流为1500mA，电源电压为50V的产品有A2917、 A3948、A3955、A3957、A3972、A3974；驱动电流为 2000mA，电源电压为50V的产品有A3952、A3958； 驱动电流为2500mA，电源电

6、压为50V/30V的产品有 A3971/A3977；驱动电流为3000mA，电源电压为50V 的产品有A3959。他们可用于微步距控制的产品有A3967、 A3973A、3955、A3957、A3972和A3977。 这些双全桥电动机驱动器也可用于步进电动机的控制和驱 动。 9 （3）ST Microelectronics公司生产的直流电动机驱动器 集成电路有L149（4A线性驱动器）、L165（3A功率运算 放大器）、L290（测速信号转换器）、L292（开关驱动 器）、L293（4通道推挽驱动器）和L298（双全桥驱动 器）。 （4）Fairchild Semi公司生产的直流电动机驱动器集

7、成电 路，其中，输出电流为1.6A，DIP封装的产品有FAN8082、 KA3082B（双向）、KA830IL；输出电流为1A，SSOP封 装的产品有 KA9258D、KA9259ED；FAN8082D（双向） 的输出电流为0.8A，SOIC封装。他们适合在VCR、CD播 放机和玩具中应用。 （5）Inf ineon公司生产的直流电动机伺服驱动器集成电 路有TLE4205、TLE4205-G TLE4206-G、TLE4209。其 中TLE4205/TLE4205-G的工作电压为632V，最大电流 为1A，工作电流为0.6A，采用P-DIP-18-3/P-DSO-20-6封 装。TLE4206

8、-G/TLE4209的工作电压为818V，最大电 流为1A，工作电流为0.8A，采用P-DSO-14-8/P-DIP-8-4 封装。他们都具有对地短路保护。 10 （6）ROHM公司生产的直流电动机驱动器集成电路有驱 动一个和驱动两个电动机的两种类型。驱动一个电动机的 是一个H桥输出，输出电压可由引脚输入设定。驱动两个 电动机的采用6个开关管构成3个半桥，其中一个半桥是共 用的。 a. 驱动一个电动机的产品，其中最大输出电流为0.5A，电 源电压为4.515V的有BA6208/F；最大输出电流为0.7A， 电源电压为4.515V的有BA6218、BA6418；最大输出 电流为1A，电源电压为4

9、.515V的有BA6955N、 BA6956AN、BA6283N、BA6285FS/FP、BA6286/N、 BA6287F、BA6288FS、BA6418F；而BA6229的最大输 出电流为1.2A，电源电压为823V；BA6209/N的最大输 出电流为1.6A，电源电压为618V；BA6219B/BFP-Y的 最大输出电流为2.2A，电源电压为818V。 b.驱动两个电动机的产品，其中，最大输出电流为1A，电 源电压为818V的有BA6246N、BA6247NFP-Y、 BA6259N；而BA6239A/AN的最大输出电流为1.2A，电源 电压为818V；BA6238A/AN的最大输出电流

10、为1.6A， 电源电压为818V。 11 （7）TOSHIBA公司生产的直流电动机驱动器集成电路电 源电压在25V以下的有TA7257P、TA91P、TA33F、 TA8401TA8409、TB6552FL/FN等型号，最大输出电流 0.51.5A；30V以上的有TA8428F/K、TA8429、 TA8440H、TB6549F/P，最大输出电流2.44.5A。 （8）三菱电机公司生产直流伺服电动机控制器集成电路 有M51971P/L、M51660L；直流双向电动机驱动器集成 电路有M54641FP/L、M54687FP，并具有制动功能。 （9）SANYO公司生产的单向直流电动机驱动器集成电路

11、 有LA5527、LA5528N/NM、LA5586； 双向直流电动机驱动器集成电路有LA550、LB1630、 LB1634、LB1638、LB1640LB1651、LB1830、 LB1832LB1843、LB1930LB1947T等。CD，四通道 电动机驱动器有LB8106MLB8109M、LV8200W、 LV8206T等。 12 （10）Texas Instruments和 MOTOROLA公司提供多通道 的低侧开关驱动器、高侧开关驱动器、高侧和低侧（半桥） 开关驱动器、H桥开关驱动器产品，可用于直流电动机的 驱动控制。 13 6.1.1 基于TPIC2101的直流电机速度控制电路

12、1. TPIC2101的主要技术性能与特点的主要技术性能与特点 TPIC2101是Texas Instruments公司生产的控制直流电动 机的单片集成电路，输出可驱动外接N沟道MOSFET或 IGBT，利用模拟电压信号或PWM信号可调节电动机速度。 TPIC2101也可用来控制白炽灯、螺线管线圈等感性负载。 TPIC2101有正常运转、睡眠和故障三种运行状态。在正 常运转状态，接收输入指令控制电动机转速；在睡眠状态， 栅极驱动端（GD）保持为低电平，整个芯片电流降到 200A；在故障状态，当芯片检测到过电压、过电流等故 障后，进入保护状态。有自动和手动两种速度控制模式， 自动模式（auto

13、mode）接收0100%PWM信号，手动 模式（manual mode）接收02.2V差动电压。工作电压 范围为816V，驱动输出电流能力为50mA，工作环境温 度为-40+105。 14 2. TPIC2101的引脚功能与封装形式的引脚功能与封装形式 TPIC2101采用DIP-14（N）或者SOIC-14（D）封装，引 脚封装形式如图6.1.1所示。各个引脚功能如表6.1.1所列。 图6.1.1 TPIC2101引脚封装形式 15 3. TPIC2101的内部结构的内部结构 TPIC2101的内部结构方框图如图6.1.2所示，芯片内部包 含有自动和手动输入配置（AUTO and MAN I

14、nput Config）、睡眠、自动和手动工作逻辑（Sleep、AUTO and MAN Logic）、振荡器和斜坡电压波形发生器 （Oscillator and Voltage Ramp Waveform Generator）、 栅极驱动（Gate Drive）、能隙电源（Bandgap）等电路。 16 图6.1.2 TPIC2101内部结构方框图 17 4. TPIC2101的应用电路设计的应用电路设计 TPIC2101构成的直流电动PWM速度控制电路如图6.1.3所 示，TPIC2101输出GD脚接到一个NMOS开关管的栅极 （IRF530），以低侧驱动方式驱动电动机，VD1 （MBR1

15、045）是续流二极管，外接电源电压Vbat，控制 输入端MAN和AUTO连接到外部控制电路，推荐的外接元 件数值如表6.1.2所列。 18 图6.1.3 TPIC2101构成的直流电动机PWM速度控制电路 19 在自动控制模式（见图6.1.4），频率约为100Hz PWM控 制信号经NPN晶体管送入AUTO引脚端（集电极开路）， 经内部处理后从SPEED引脚端输出，经RC积分在INT引 脚端产生随AUTO输入的PWM信号的占空比变化的直流电 压信号，在GD端对应输出的占空比变化的PWM信号。可 以通过改变供电电压Vbat的方法，调节输出PWM信号的 占空比来保持电动机电压恒定。在自动模式，输出

16、PWM 信号的占空比与电源电压Vbat的关系如式6.1.1所示。 20 图6.1.4 自动控制模式电路 21 在自动模式，使用不同的电源电压Vbat，输入PWM信号 对应输出PWM信号的占空比的关系曲线如图6.1.5所示。 图6.1.5在自动模式，使用不同的电源电压Vbat，输入PWM信号对应输出PWM信号占空比的关系曲线 22 在手动模式（见图6.1.6）， MAN连接到电压Vbat （5.5V），芯片内部CCS电路使MAN和AUTO脚间流过 2mA的恒定电流，利用图6.1.6所示的一个手动可调1k电 位器，就能产生约02.2V电压的变化（此时NPN管应截 止）。在手动控制模式，输入电压信号

17、对应输出PWM信 号的占空比与电源电压Vbat的关系如式6.1.2所示。 23 图6.1.6 手动控制模式电路 24 在手动控制模式，使用不同的电源电压Vbat，输入电压信 号对应输出PWM信号的占空系数的关系曲线如图6.1.7所 示。 图6.1.7 在手动模式，使用不同的电源电压Vbat，输入电压信号对应输出PWM信号的占空比的关系曲线 25 TPIC2101具有欠电压保护功能，当电压Vbat低于8V时， 芯片进入睡眠模式，输出维持低电平。当Vbat增加，到高 于电压阀值（约7V）大约1V以上，自动恢复正常。 TPIC2101具有过电压保护功能，其门限设定在1720V 之间，典型值为18.5

18、V，用户不可更改。当内部检测Vbat 高于门限电压时，进入故障状态。当Vbat回降到比门限电 压低0.51V，自动恢复正常。 26 TPIC2101具有过电流保护功能，当GD引脚端是低电平时， 内部电路维持ILS引脚端为低电平。如果GD引脚端为高电 平，限流检测ILS端可能高于限流基准ILR端，内电路将 INT引脚端电压拉低（通过内部低于500电阻），命令 GD端输出占空比降低，从而限制了输出电流和芯片的损 耗。上述情况最低可设置持续8192个时钟周期，如果设置 8个8192个时钟周期，到达65536个时钟周期时，芯片将 自动进入过电流保护状态，GD脚维持低电平。然后，一 个自动恢复重新开始。

19、但是，如果过电流故障条件还存在， 则故障保护状态保持。 27 6.1.2 基于M51660L的直流电机伺服控制器电路 1. M51660L的主要技术性能和特点的主要技术性能和特点 M51660L是三菱电机公司生产的直流伺服电动机控制集成 电路，芯片内部含有稳压器和差动放大器电路，工作电源 电压为3.55V，工作电流输出开路时最大为5mA，输出 导通时为20mA；输出低电平电压最大为0.2V （IOSINK=100mA），输出高电平电压最低为3.4V；驱动 外部PNP晶体管的驱动电流为30mA；内部稳压器电压为 2.32.6V；稳压器输出电流为3.0mA。 28 2. M51660L的引脚功能与

20、封装形式的引脚功能与封装形式 M51660L采用Outline 14P5A封装，引脚封装形式如图 6.1.8所示，各个引脚功能如表6.1.3所列。 图6.1.8 M51660L引脚封装形式 29 3. M51660L的内部结构的内部结构 M51660L的内部结构方框图如图6.1.9所示，芯片内部包 含有控制逻辑电路（Control logic circuit）、触发器 （Flip-flop）、输出驱动电路（Output drive circuit）、单 稳态多谐振荡器（One-shot multivibrator）、脉冲展宽电 路（Pulse stretcher）、稳压器（Voltage regulating circuit）等电路。 30 图6.1.9 M51660L内部结构图