较大功率直流电机驱动电路地方案设计

1、较大功率直流电机驱动电路的设计方案1引言直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便、调速范围广，过载能力强，可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转，能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊运行要求， 因此在工业控制领域， 直流电机得到了广泛的应用。许多半导体公司推出了直流电机专用驱动芯片，但这些芯片多数只适合小功率直流电基于此，本文详细分析和探讨有针对性设计和实现了一款基抗干扰能力强，具有广泛的应机，对于大功率直流电机的驱动，其集成芯片价格昂贵。了较大功率直流电机驱动电路设计中可能出现的各种问题， 于25D60-24A的直流电机驱动电路。该电路驱动功率大, 用前景。2 H桥功率驱动电路的设计在

2、直流电机中，可以采用GTR集电极输出型和射极输出性驱动电路实现电机的驱动，但是它们都属于不可逆变速 控制，其电流不能反向，无制动能力，也不能反向驱动，电机只能单方向旋转，因此这种驱动电路受到了很大的限制。对于可逆变速 控制，H桥型互补对称式驱动电路使用最为广泛。可逆驱动允许电流反向，可以实现直流电机的四象限运行，有效实现电机的正、反转 控制。而电机速度的 控制主要有三种，调节电枢电压、减弱励磁磁通、改变电枢回路电阻。三种方法各有优缺点，改变电枢回路电阻只能实现有级调速， 减弱磁通虽然能实现平滑调速，但这种方法的调速范围不大，一般都是配合变压调速使用。 因此在直流调速系统中， 都是以变压调速为主

3、， 通过PWM(Puls( Width Modulatio n)信号占空比的调节改变电枢电压的大小，从而实现电机的平滑调速。2.1 H桥驱动原理要控制电机的正反转， 需要给电机提供正反向 电压，这就需要四路开关去控制电机两 个输入端的电压。当开关S1和S4闭合时， 电流从电机左端流向电机的右端，电机沿一个方向旋转；当开关S2和S3闭合时，电流从电机右端流向电机左端，电机沿另一个方向旋转，H桥驱动原理等效电路图如图1所示。图1 H桥驱动原理电路图22开关器件的选择及 H桥电路设计常用的电子开关器件有继电器，三极管，MOS管，IGBT等。普通继电器属机械器件，开关次数有限，开关速度比较慢。而且继电

4、器内部为感性负载，对电路的干扰比较大。但继电器可以把控制部分与被控制部分分开，实现由小信号控制大信号，高压控制中经常会用到继电器。三极管属于电流驱动型器件，设基极电流为IB,集电极电流为IC,三极管的放大系数为 3 ,如果，IB* 3 >=IC,则三极管处于饱和状态，可以当作开关使用。要使三极管处于开关状态，IB= IC/ 3 ,三极管驱动管的电流跟三极管输出端的电流成正比，如果三极管输出端电流比较大，对三极管驱动端的要求也比较高。MOS管属于电压驱动型器件，对于NMOS来说， 只要栅极 电压高于源极电压即可实现 NMOS的饱和导通，MOS管开启与关断的能量损失仅是对栅极和源极之间的寄生

5、电容的充放电，对MOSt驱动端要求不高。同时MOS端可以做到很大的电流输出，因此一般用于需要大电流的场所。IGBT则是结合了三极管和 MOS管的优点制造的器件，一般用于200V以上的情况。在本设计中，电机工作电流为 3.8A,工作电压24V,电机驱动的控制端为 51系列单 片机，最大灌电流为30mA.因此采用MOSf作为H桥的开关器件。MOS管又有NMO和 PMOS 之分，两种管子的制造工艺不同，控制方法也不同。 NMOS导通要求栅极电压大于源极电压(10V-15V),而PMOS的导通要求栅极电压小于源极电压 (10V-15V)。在本设计中，采用24V单电源供电， 采用NMOS管的通断控制的接

6、线如图 2所示，只要G极电压在10-15V 的范围内，NMOS即可饱和导通， G极电压为0时，NMOS管关断。rr-ra.dah * <>' - S * a LOAD- 彳LXJN1KUL I、NITIOS 2eg.is- “图2 NMOS接线图VCC时采用PMOS管实现通断控制时，其接线如图3所示，G极电压等于电源电压PMOS关断。是在电源2图3可图3 PMOS接线图10V15V时， 要使PMOS导通则G极电压为VCC-15V. PMOS的导通与关断,比较图电压VCC与VCC-15V之间切换，当电源电压 VCC较大时控制不方便。知：NMOS位于负载的下方，而PMOS位于负

7、载的上方，用NMOS和PMOS,替换掉图1中的开关， 就可以组成由 MOS管组成的H桥，如图4所示。i BSriOD/jn述Mt-1 - J 'BSTI co图4 PMOS和NMOS管构成的H桥Q1和Q4导通，电机沿一个方向旋转，Q2和Q3导通电机沿另一个方向旋转。在本系统中，电机的工作电压为 24V,即电源电压为24V,则要控制H桥的上管（PMOS导通和关断的电压分别为 24V-15V=9V和24V,而对于下管（NMOS来说， 导通与关断电压分别为 15V和0V,要想同时打开与关断上、下两管，所用的控制电路比较复杂。而且，相同工艺做出的PMOS要比 NMOS的工作电流小，PMOS的成

8、本高。 分别用PMOS和NMOS做上管与下管，电路的对称性不好。由于上述问题，在构建H桥的时候仅采用 NMOS作为功率开关器件。用NMOS搭建出的H桥如图5所示：图5 NMOS管构成的H桥图5NMOS管组成的H桥中，首先分析由Q1和Q4组成的通路，当Q1和Q4关断时，A点的电位处于”悬浮”状态（不确定电位为多少）（Q2和Q3也关断）。在打开Q4之前，先 打开Q1,给Q1的G极15V的电压，由于A点”悬浮”状态，则A点可以是任何电平，这样可能导致Q1打开失败；在打开Q4之后，尝试打开Q1,在Q1打开之前，A点为低电位， 给Q1的G极加上15V电压，Q1打开，由于Q1饱和导通，A点的电平等于电源电

9、压（本 系统中电源电压为 24V），此时Q1的G极电压小于 Q1的S极电压，Q1关断，Q1打开 失败。Q2和Q3的情况与Q1和Q4相似。 要打开由NMOS构成的H桥的上管， 必须处 理好A点（也就是上管的S极）"悬浮”的问题。 由于NMOS勺S极一般接地， 被称为”浮地 ".要使上管NMOS打开， 必须使上管的 G极相对于浮地有 10-15V的电压差，这就需要采用升压电路。2.3 H桥控制器在H桥的驱动中， 除了考虑上管的升压电路外，还要考虑到在H桥同臂的上管和下管（如图5中的Q1和Q3）不能同时导通。如果上管和下管同时导通，相当于从电源到地短路，可能会烧毁MOS管或电源，

10、 即使很短时间的短路现象也会造成MOS的发热。 在功率控制中一般采用在两次状态转变中插入”死区”的方法来防止瞬时的短路。在选择 H桥控制器的时候最好满足上述两种逻辑条件，又用足够大的驱动电流来驱动NMOS本系统中采用IR2103作为NMOS控制器，IR2103内部集成升压电路，外部仅需要一个自举电容和一个自举二极管即可完成自举升压。IR2103内部集成死区升成器，可以在每次状态转换时插入"死区",同时可以保证上、下两管的状态相反。 IR2103和NMOS组成的H桥半桥电路如下图 6所示：-图6 IR2103和NMOS管构成的H桥半桥电路由IR2103的应用手册中得知自举电容

11、选择取决于以下几个因素：1.要求增强MGT的门电压，2.用于高端驱动电路的IQBS -静态电流，3.电平转换器的内部电流，4. MGT- 栅-源正向漏电流，5.自举电容漏电流。其中因素5仅与自举电容是电解电容时有关， 如 果采用其他类型的电容， 则可以忽略。最小自举电容值可以通过以下公式 （1）计算得到：r r 0 十勺曾血益+ O +（抠卅）其中：Qg =高端FET的门电荷，f= 工作频率，ICbs （leak）= 自举电容漏电流， Iqbs （max）=最大VBS静态电流，VCC =逻辑电路部分的电压源，Vf =自举二极管的正向压降，VLS =低端FET或者负载上的压降，VMin = VB

12、与VS之间的最小电压，Qls =每个周期的电平转换所需要的电荷（对于500V/600V MGD来说，通常为5nC,而1200 V MGD为 20 nC。图中D1为自举二极管，C4为自举电容。 并不是电容的值越大就越好，电容的取值和IR2103的工作频率密切相关，电容取值越大工作 频率越低。 电容的漏电流对系统的性能有很大影响。自举二极管要承受系统所有的电压，自举二极管的前向压降也影响着自举电容的选择，同时自举二极管的开关速度也直接影响系统的工作频率，一般选用超快恢复二极管。由示波器获得自举电路升压波形如下图7所示：图7自举电路升压波形图中B部分为自举升压后 VB端的电压， 图中A部分是由于在上

13、管关断的过程中，由于下管中的寄生二极管，会产后续流，使VS端产生负电压， 从而使电容过充。 要削弱电容的过充可采用 0.47UF以上的自举电容， 同时可以在地与 VS端加入续流二极管。 如 下图所示：图8在IR2103中加入续流二极管电路。图中D2即为续流二极管， 续流二极管采用普通二极管即可，但VS电压恢复越快， 自举电容过充现象越不明显，本系统采用1N4148作为续流二极管。由于驱动器和MOSFET栅极之间的引线、地回路的引线等所产生的电感，以及IC和FET内部的寄生电感，在开启时会在MOSFET栅极出现振铃，一方面增加MOSFET的开关 损耗，同时EMC方面不好控制。 在MOSFET的栅

14、极和驱动IC的输出之间串联一个电阻（如图9中B所示）。这个电阻称 为"栅极电阻",其作用是调节 MOSFET的开关速度， 减少 栅极出现的振铃现象， 减小EMI,也可以对栅极电容充放电起限流作用。该电阻的引入减慢了 MOS管的开关速度， 但却能减少EMI,使栅极稳定。图9消除振铃电路。MOS管的关断时间要比开启时间慢（开启充电，关断放电），因此就要改变 MOS管的 关断速度，可以在栅极电阻上反向并联一个二极管（如图9中A所示），当MOS管关断时，二极管导通， 将栅极电阻短路从而减少放电时间。由于VS端可能出现负电压， 在VS端串入一个合适的电阻，可以在产生负电压时起到限流作

15、用，针对负载电机为感性器件，在H桥的输出端并一个小电容，并在局部供电部分加一个去藕电容十分必要。其电路如下图所示：图10限流去耦电路。图中C7为局部去藕电容，可以取100uF, C6为输出电容，根据负载取值。由于采用电容式自举电路，电容在工作的过程中会自行放电，所以PWM波的占空比接近100%但不能达到100%.但这不影响电机的正常工作，因为电机本身固有的特性，电机有一个较小的饱和区，即或占空比增大，其转速也不会有明显的变化。因此上述电路完全满足工作的需要。3硬件测试为了对驱动器性能进行测试，选用25D60-24V的直流电机进行闭环控制控制，电机的额定功率为60W,额定转速为2800rpm,额定电压为24V,额定电流为3.8A.其电机的最 高转速可达2910rpm,电机启动的最低转速为 44rpm,堵转时无明显发热现象。为了测试电路工作的稳定性，连续三天电机工作 8小时以上，电路的发热较小；为了测试电路的抗冲击，抗干扰能力，系统在开与关之间连续进