1樓：匿名使用者
基於場效電晶體的直流電機驅動控制電路設計
遊志宇，杜楊，張洪，董秀成
(1．西華大學 電氣資訊學院，四川 成都 610039；
2．中國科學院光電技術研究所，四川 成都 610209)
1 引言
長期以來，直流電機以其良好的線性特性、優異的控制效能等特點成為大多數變速運動控制和閉環位置伺服控制系統的最佳選擇。特別隨著計算機在控制領域，高開關頻率、全控型第二代電力半導體器件(gtr、gto、mosfet、igbt等)的發展，以及脈寬調製(pwm)直流調速技術的應用，直流電機得到廣泛應用。為適應小型直流電機的使用需求，各半導體廠商推出了直流電機控制專用積體電路，構成基於微處理器控制的直流電機伺服系統。
但是，專用積體電路構成的直流電機驅動器的輸出功率有限，不適合大功率直流電機驅動需求。因此採用n溝道增強型場效電晶體構建h橋，實現大功率直流電機驅動控制。該驅動電路能夠滿足各種型別直流電機需求，並具有快速、精確、高效、低功耗等特點，可直接與微處理器介面，可應用pwm技術實現直流電機調速控制。
2 直流電機驅動控制電路總體結構
直流電機驅動控制電路分為光電隔離電路、電機驅動邏輯電路、驅動訊號放大電路、電荷泵電路、h橋功率驅動電路等四部分，其電路框圖如圖1所示。
由圖可以看出，電機驅動控制電路的外圍介面簡單。其主要控制訊號有電機運轉方向訊號dir電機調速訊號pwm及電機制動訊號brake，vcc為驅動邏輯電路部分提供電源，vm為電機電源電壓，m+、m-為直流電機介面。
在大功率驅動系統中，將驅動迴路與控制迴路電氣隔離，減少驅動控制電路對外部控制電路的干擾。隔離後的控制訊號經電機驅動邏輯電路產生電機邏輯控制訊號，分別控制h橋的上下臂。由於h橋由大功率n溝道增強型場效電晶體構成，不能由電機邏輯控制訊號直接驅動，必須經驅動訊號放大電路和電荷泵電路對控制訊號進行放大，然後驅動h橋功率驅動電路來驅動直流電機。
3 h橋功率驅動原理
直流電機驅動使用最廣泛的就是h型全橋式電路，這種驅動電路方便地實現直流電機的四象限執行，分別對應正轉、正轉制動、反轉、反轉制動。h橋功率驅動原理圖如圖2所示。
h型全橋式驅動電路的4只開關管都工作在斬波狀態。s1、s2為一組，s3、s4為一組，這兩組狀態互補，當一組導通時，另一組必須關斷。當s1、s2導通時，s3、s4關斷，電機兩端加正向電壓實現電機的正轉或反轉制動；當s3、s4導通時，s1、s2關斷，電機兩端為反向電壓，電機反轉或正轉制動。
實際控制中，需要不斷地使電機在四個象限之間切換，即在正轉和反轉之間切換，也就是在s1、s2導通且s3、s4關斷到s1、s2關斷且s3、s4導通這兩種狀態間轉換。這種情況理論上要求兩組控制訊號完全互補，但是由於實際的開關器件都存在導通和關斷時間，絕對的互補控制邏輯會導致上下橋臂直通短路。為了避免直通短路且保證各個開關管動作的協同性和同步性，兩組控制訊號理論上要求互為倒相，而實際必須相差一個足夠長的死區時間，這個校正過程既可通過硬體實現，即在上下橋臂的兩組控制訊號之間增加延時，也可通過軟體實現。
圖2中4只開關管為續流二極體，可為線圈繞組提供續流回路。當電機正常執行時，驅動電流通過主開關管流過電機。當電機處於制動狀態時，電機工作在發電狀態，轉子電流必須通過續流二極體流通，否則電機就會發熱，嚴重時甚至燒燬。
4 直流電機驅動控制電路設計
由直流電機驅動控制電路框圖可以看出驅動控制電路結構簡單，主要由四部分電路構成，其中光電隔離電路較簡單，在此不再介紹，下面對直流電機驅動控制電路的其他部分進行詳細介紹。
4.1 h橋驅動電路設計
在直流電機控制中常用h橋電路作為驅動器的功率驅動電路。由於功率mosfet是壓控元件，具有輸入阻抗大、開關速度快、無二次擊穿現象等特點，滿足高速開關動作需求，因此常用功率mosfet構成h橋電路的橋臂。h橋電路中的4個功率mosfet分別採用n溝道型和p溝道型，而p溝道功率mosfet一般不用於下橋臂驅動電機，這樣就有兩種可行方案：
一種是上下橋臂分別用2個p溝道功率mosfet和2個n溝道功率mosfet；另一種是上下橋臂均用n溝道功率mosfet。
相對來說，利用2個n溝道功率mosfet和2個p溝道功率mosfet驅動電機的方案，控制電路簡單、成本低。但由於加工工藝的原因，p溝道功率mosfet的效能要比n溝道功率mosfet的差，且驅動電流小，多用於功率較小的驅動電路中。而n溝道功率mosfet，一方面載流子的遷移率較高、頻率響應較好、跨導較大；另一方面能增大導通電流、減小導通電阻、降低成本，減小面積。
綜合考慮系統功率、可靠性要求，以及n溝道功率mosfet的優點，本設計採用4個相同的n溝道功率mosfet的h橋電路，具備較好的效能和較高的可靠性，並具有較大的驅動電流。其電路圖如圖3所示。圖中vm為電機電源電壓，4個二極體為續流二極體，輸出端並聯一隻小電容c6，用於降低感性元件電機產生的尖峰電壓。
4.2 電荷泵電路設計
電荷泵的基本原理是通過電容對電荷的積累效應而產生高壓，使電流由低電勢流向高電勢。最早的理想電荷泵模型是j.dickson在2023年提出的，當時這種電路是為可擦寫eprom提供所需電壓。
後來j.witters，toru tranzawa等人對j.dickson的電荷泵模型進行改進，提出了比較精確的理論模型，並通過實驗加以證實提出了相關理**式。
隨著積體電路的不斷髮展，基於低功耗、低成本的考慮，電荷泵在電路設計中的應用越來越廣泛。
簡單電荷泵原理電路圖如圖4所示。電容c1的a端通過二極體d1接vcc，電容c1的b端接振幅vin的方波。當b點電位為0時，d1導通，vcc開始對電容c1充電，直到節點a的電位達到vcc；當b點電位上升至高電平vin時，因為電容兩端電壓不能突變，此時a點電位上升為vcc+vin。
所以，a點的電壓就是一個方波，最大值是vcc+vin，最小值是vcc(假設二極體為理想二極體)。a點的方波經過簡單的整流濾波，可提供高於vcc的電壓。
在驅動控制電路中，h橋由4個n溝道功率mosfet組成。若要控制各個mosfet，各mosfet的門極電壓必須足夠高於柵極電壓。通常要使mosfet完全可靠導通，其門極電壓一般在10 v以上，即vcs＞10 v。
對於h橋下橋臂，直接施加10 v以上的電壓即可使其導通；而對於上橋臂的2個mosfet，要使vgs>10 v，就必須滿足vg>vm+10 v，即驅動電路必須能提供高於電源電壓的電壓，這就要求驅動電路中增設升壓電路，提供高於柵極10 v的電壓。考慮到vgs有上限要求，一般mosfet導通時vgs為10 v～15 v，也就是控制門極電壓隨柵極電壓的變化而變化，即為浮動柵驅動。因此在驅動控制電路中設計電荷泵電路，用於提供高於vm的電壓vh，驅動功率管的導通。
其電路原理圖如圖5所示。
電路中a部分是方波發生電路，由rc與反相施密特觸發器構成，產生振幅為vin=5 v的方波。b部分是電荷泵電路，由三階電荷泵構成。當a點為低電平時，二極體d1導通電容c1充電，使b點電壓vb=vm-vtn；當a點為高電平時，由於電容c1電壓不能突變，故b點電壓vb=vm+vin-vtn，此時二極體d2導通，電容c3充電，使c點電壓vx=vm+vin-2vtn；當a點再為低電平時，二極體d1、d3導通，分別對電容c1、c2充電，使得d點電壓vd=vm+vin-3vtn；當a點再為高電平時，由於電容c2電壓不能突變，故d點電壓變為vd=vm+2vin-3vtn，此時二極體d2、d4導通，分別對電容c3、c4充電，使e點電壓ve=vm+2vin-4vtn。
這樣如此迴圈，便在g點得到比vm高的電壓vh=vm+3vin-6tn=vm+11.4 v。其中vm為二極體壓降，一般取0.
6 v。從而保證h橋的上臂完全導通。
4.3 電機驅動邏輯與放大電路設計
直流電機驅動電機驅動電路中電機驅動邏輯及放大電路主要實現外部控制訊號到驅動h橋控制訊號的轉換及放大。控制訊號dir、pwm、brake經光電隔離電路後，由閘電路進行譯碼，產生4個控制訊號m1'、m2'、m3'、m4'，然後經三極體放大，產生控制h橋的4個訊號m1、m2、m3、m4。其電路原理圖如圖6所示。
其中vh是vm經電荷泵提升的電壓，vm為電機電源電壓。
電機工作時，h橋的上臂處於常開或常閉狀態，由dir控制，下臂由pwm邏輯電平控制，產生連續可調的控制電壓。該方案中，上臂mosfet只有在電機換向時才進行開關切換，而電機的換向頻率極低，低端由邏輯電路直接控制，邏輯電路的訊號電平切換較快，可以滿足不同頻率要求。該電路還有一個優點，由於上臂開啟較慢，而下臂關斷較快，所以，實際控制時換向不會出現上下臂瞬間同時導通現象，減小了換向時電流衝擊，提高了mosfet的壽命。
5 直流電機pwm調速控制
直流電動機轉速n=(u-ir)/kφ
其中u為電樞端電壓，i為電樞電流，r為電樞電路總電阻，φ為每極磁通量，k為電動機結構引數。
直流電機轉速控制可分為勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速時受到磁飽和限制，高速時受到換向火花和換向器結構強度的限制，而且由於勵磁線圈電感較大動態響應較差，所以這種控制方法用得很少。大多數應用場合都使用電樞電壓控制法。
隨著電力電子技術的進步，改變電樞電壓可通過多種途徑實現，其中pwm(脈寬調製)便是常用的改變電樞電壓的一種調速方法。
pwm調速控制的基本原理是按一個固定頻率來接通和斷開電源，並根據需要改變一個週期內接通和斷開的時間比(佔空比)來改變直流電機電樞上電壓的"佔空比"，從而改變平均電壓，控制電機的轉速。在脈寬調速系統中，當電機通電時其速度增加，電機斷電時其速度減低。只要按照一定的規律改變通、斷電的時間，即可控制電機轉速。
而且採用pwm技術構成的無級調速系統．啟停時對直流系統無衝擊，並且具有啟動功耗小、執行穩定的特點。
設電機始終接通電源時，電機轉速最大為vmax，且設佔空比為d=t／t，則電機的平均速度vd為：
vd=vmaxd
由公式可知，當改變佔空比d=t／t時，就可以得到不同的電機平均速度vd，從而達到調速的目的。嚴格地講，平均速度與佔空比d並不是嚴格的線性關係，在一般的應用中，可將其近似地看成線性關係。 在直流電機驅動控制電路中，pwm訊號由外部控制電路提供，並經高速光電隔離電路、電機驅動邏輯與放大電路後，驅動h橋下臂mosfet的開關來改變直流電機電樞上平均電壓，從而控制電機的轉速，實現直流電機pwm調速。
6 結束語
以n溝道增強型場效電晶體為核心，基於h橋pwm控制的驅動控制電路，對直流電機的正反轉控制及速度調節具有良好的工作效能。實驗結果表明，直流電機驅動控制電路執行穩定可靠，電機速度調節響應快。能夠滿足實際工程應用的要求，有很好的應用前景。
數控機床進給伺服系統的作用是什麼
數控機床的伺服進給系統取代了傳統機床的機械傳動，這是數控機床的重要特徵之一。數控機床的伺服系統是以機床移動部件的位移和速度為直接控制目標的自動控制系統。伺服系統的效能在很大程度上決定了數控機床的效能.數控機床的最高移動速度 跟蹤速度 定位精度等重要指標都取決於伺服系統的動態和靜態特性。不管是直流伺服...
交流伺服電機和直流伺服電機的區別
交流伺服電機的定子三相線圈是由伺服編碼控制電路供電的,轉子是永磁式的 電機的轉向 速度 轉角都是由編碼控制器所決定的 直流伺服電機的轉子也是用磁體的，定子繞組則是由表伺服編碼脈衝電路供電。直流伺服電機容易實現調速，控制精度高，但維護成本高操作麻煩 交流伺服電機維護方便。直流伺服電機的控制方式主要有兩...
什麼是直流電機雙閉環調速系統設計
首先要搞清楚，雙閉環調速只是一種新型的調速方法，一般會採用模糊控制演算法，利用pid演算法。你所說的這個直流電機，應該就是帶電刷的普通直流電機，它的調速是指在工業生產中，因為不同的生產需求，需要改變電機的轉速。就相當於我們開車，需要開的快，或者慢，可以利用油門來調節。這個直流電機的調速是指改變轉速。...