基于場效應(yīng)管的大功率直流電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

胡發(fā)煥， 邱小童， 蔡咸健

(1.江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西贛州 341000;2.江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院，江西贛州 341000)

0 引言

長期以來，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)成為多數(shù)變速運(yùn)動控制和閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)的理想選擇。隨著計(jì)算機(jī)在控制領(lǐng)域、高頻開關(guān)技術(shù)、全控型第二代電力半導(dǎo)體器件(GTR、GTO、MOSFET等)的發(fā)展，及脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation，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)控制專用集成電路，構(gòu)成基于微程序控制器(Microprogrammed Control Unit，MCU)控制的直流電機(jī)伺服系統(tǒng)。這種集成電路的優(yōu)點(diǎn)是集成化，外圍電路簡單，使用方便。但該電路也存在重大的不足:輸出功率有限，不滿足大功率場合的需求;由于采用了電荷泵電路，它必須采用PWM信號驅(qū)動，且PWM的頻率和占空比有一定的限制;沒有光電隔離電路，當(dāng)驅(qū)動電路發(fā)生擊穿等故障時會損壞與之相連的MCU等元件。以SANYO公司生產(chǎn)的STK6875芯片［1］為例，它的所需電壓為12～42 V，最大持續(xù)電流為5 A，所需PWM頻率為1～30 kHz。經(jīng)過測試，當(dāng)PWM占空比超過0.85或頻率低于1 kHz時，其性能顯著下降，芯片發(fā)熱嚴(yán)重。該類芯片驅(qū)動信號的頻率和占空比的局限性，使其性能受到很大限制。針對以上不足，利用功率場效應(yīng)管和光電隔離器設(shè)計(jì)了大功率直流電機(jī)驅(qū)動電路，該電路耐壓50 V，驅(qū)動電流達(dá)30 A，PWM占空比可以在0～1之間調(diào)節(jié)，具有快速、精確、穩(wěn)定且有電氣隔離等優(yōu)點(diǎn)，可直接與MCU連接，用PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)平穩(wěn)調(diào)速控制。

1 直流電機(jī)驅(qū)動電路總體結(jié)構(gòu)

直流電機(jī)驅(qū)動電路由電機(jī)驅(qū)動邏輯電路、光電隔離電路、驅(qū)動信號放大電路、H橋功率驅(qū)動電路等4部分組成，如圖1所示。電機(jī)驅(qū)動電路的主要控制信號有電機(jī)轉(zhuǎn)向控制信號Dir、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號PWM。Uc1為驅(qū)動邏輯電路電源，Uc2為電機(jī)驅(qū)動電源。設(shè)計(jì)的電路中，邏輯電路與驅(qū)動放大電路進(jìn)行電氣隔離，消除了驅(qū)動電路對前級電路的干擾，邏輯運(yùn)算后的控制信號通過光電隔離和放大后，驅(qū)動H橋上下橋臂，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。

圖1 驅(qū)動控制電路框圖

2 H橋功率驅(qū)動器原理

直流電機(jī)驅(qū)動使用最廣泛的是H型全橋式電路，這種驅(qū)動電路能方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的四象限運(yùn)行，即正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動。H橋功率驅(qū)動原理圖如圖2所示，組成H橋驅(qū)動電路的4只開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)，S1、S4為一組，S2、S3為一組，這兩組狀態(tài)為互補(bǔ)。當(dāng)S1、S4導(dǎo)通時，S2、S3截止，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;反之亦然，實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動。實(shí)際控制中，電機(jī)可以在四個象限之間切換運(yùn)行。在各種開關(guān)元件中，功率場效應(yīng)管是壓控元件，具有輸入阻抗大、開關(guān)速度快、無二次擊穿等特點(diǎn)，能滿足高速開關(guān)動作的需求，因此常用功率場效應(yīng)管為H橋的開關(guān)元。H橋電路中的4個場效應(yīng)管可以分別采用N溝道型和P溝道型，P溝道用于上橋臂，N溝道用于下橋臂。下面分析功率場效應(yīng)管的開關(guān)過程。

圖2 H橋功率驅(qū)動電路框圖

3 感性負(fù)載下的功率場效應(yīng)管開關(guān)過程

電動機(jī)是典型的感性負(fù)載，具有感性負(fù)載的開關(guān)電路如圖3所示。假設(shè)驅(qū)動信號Ug為理想方波信號，Rg為驅(qū)動信號內(nèi)阻，Cgd，Cgs，Cds為各極的寄生電容，L0為電動機(jī)的電感量，R0為其內(nèi)阻，D0為續(xù)流二極管。

圖3 功率場效應(yīng)管開關(guān)電路圖

3.1 功率場效應(yīng)管的導(dǎo)通過程分析

場效應(yīng)管導(dǎo)通前，假設(shè)場效應(yīng)管處于截止?fàn)顟B(tài)，t0時 Ug=0，在 t0+時，Ug=0階躍為 Ug=Ug1，則寄生電容Cgd、Cgs被正向充電，門極電壓Ugs可表示為 Ugs=Ug1·e－t/τ，其中 τ=Rg(Cgs+Cgd)，當(dāng)Ugs=UT(場效應(yīng)管的導(dǎo)通電壓)時，場效應(yīng)管開始導(dǎo)通［2］，由此可以得出:

式(1)表明:增大Ug1或減小τ可以縮短場效應(yīng)管導(dǎo)通延遲時間td(on)。

3.2 功率場效應(yīng)管的截止過程分析

場效應(yīng)管截止前，假設(shè)場效應(yīng)管處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，t0時Ug=Ug1，在t0+時，Ug突降為0，則寄生電容 Cgd、Cgs被反向充電［3］，柵電壓下降，門極電壓Ugs可以表示為Ugs=－ig·Rg=－Rg(Cgs+Cgd)·dUgs/dt，因?yàn)?Ugs(0)=Ug1，故:Ugs=Ug1e－t/τ，其中 τ=Rg(Cgs+Cgd)。當(dāng) t=td(off)時，有Ugs=IDsat/Gm+UT，(UT為場效應(yīng)管導(dǎo)通電壓)，則:

式中:IDsat——漏極飽和電流;

Gm——功率場效應(yīng)管的直流跨導(dǎo)。

由式(2)可得出:減小Ug1或τ可以縮短場效應(yīng)管截止延遲時間td(off)。

4 驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)功率場效應(yīng)管的特性和電氣隔離的要求，設(shè)計(jì)了大功率直流電機(jī)驅(qū)動電路。驅(qū)動電路的輸入端和MCU連接，輸入信號有兩個:PWM和Dir。PWM信號用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速;Dir為0或1，用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。輸出端和電動機(jī)相連。整個電路分為電機(jī)驅(qū)動邏輯電路、光電隔離電路、驅(qū)動信號放大電路、H橋功率驅(qū)動電路等4部分。

4.1 電機(jī)驅(qū)動邏輯電路設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動邏輯電路如圖4所示，MCU送來控制信號PWM和Dir，經(jīng)非運(yùn)算和與運(yùn)算后輸出兩組信號:A1、B1和 A2、B2?，F(xiàn)分析其工作過程:PWM輸入矩形脈沖信號，設(shè)Dir輸入為1，則經(jīng)過非門和與運(yùn)算后輸出兩組信號，第一組信號的A1電平為0，B1端的波形與輸入PWM波形的相位相反，頻率相等;第二組信號A2、B2電平均為1。同理，當(dāng)Dir輸入為0時，A1和B1電平為1，A2電平為0，B2的波形與PWM頻率相等而相位相反。邏輯電路輸出的兩組信號驅(qū)動光電隔離電路。

圖4 電機(jī)驅(qū)動邏輯電路圖

4.2 光電隔離和驅(qū)動放大電路設(shè)計(jì)

為消除驅(qū)動電路對其他電路的干擾，以及對其他電路進(jìn)行保護(hù)，本文將電機(jī)驅(qū)動電路與其他控制電路進(jìn)行電氣隔離。對光電隔離電路的要求除在電氣上進(jìn)行隔離外，還要求其輸出波形的上升沿和下降沿時間短，以通過頻率高的PWM信號，使其驅(qū)動的場效應(yīng)管只工作在截止和飽和兩種狀態(tài)。本文的隔離電路采用高速光電隔離器PS9713和普通隔離器TLP521相結(jié)合的工作方式，采用該方式可大大提高PWM波形的傳送質(zhì)量。因人所能聽到的音頻范圍是20 Hz～20 kHz，本文的PWM信號頻率設(shè)為23.4 kHz，使電機(jī)在工作時沒有囂叫聲，其波形如圖5所示，其占空比為0.5。如前所述，由MCU輸出的PWM信號和Dir信號經(jīng)過邏輯電路后，輸出兩組信號A1，B1和A2，B2，現(xiàn)以第一組為例闡述光電隔離和驅(qū)動放大電路的工作過程，其電路如圖6所示。當(dāng)Dir為1時，A1輸出電平為0，它用于控制H橋上橋臂;B1是輸入PWM相位相反的信號，當(dāng)B1為低電平0時，光隔U2飽和導(dǎo)通，而U3截止，使三極管Q2截止，功率場效應(yīng)管因門極G點(diǎn)為高電平1而導(dǎo)通。這個過程實(shí)際就是電源對場效應(yīng)管門極的充電過程。

圖5 輸入的PWM波形圖

圖6 PWM光隔驅(qū)動和放大電路圖

由圖6可見，為了增大Ug1，本文通過穩(wěn)壓管L7815對其提供穩(wěn)定的15 V電源，PWM的幅值達(dá)15 V;同時由電路可見Rg即為U2的集電極發(fā)射極間的電阻Rce，因U2飽和導(dǎo)通，所以Rce非常小。通過上述兩個改進(jìn)，隔離放大電路輸出的PWM 波形很理想，其上升沿時間約 1.5 μs，如圖7所示。當(dāng)B1為高電平1時，U2截止U3導(dǎo)通，U3驅(qū)動三極管Q2，Q2飽和導(dǎo)通，門極G點(diǎn)的電位變?yōu)?，場效應(yīng)管截止。由圖7可見，此時電阻Rg為Q2的集電極發(fā)射極間的電阻Rce，因Q2為飽和導(dǎo)通，Rce阻值非常小，所以τ小，因此功率場效應(yīng)管截止時間短。由圖7可見，PWM的下降沿時間小于0.5 μs，比較圖5和圖7可知，PWM輸出很理想，波形失真很小。

4.3 H橋功率驅(qū)動電路分析

圖7 輸出的PWM波形圖

本文設(shè)計(jì)的H橋由4個功率型場效應(yīng)管構(gòu)成，如圖8所示，上橋臂Q1、Q3為2個P型溝道場效應(yīng)管，下橋臂Q2、Q4為2個N型溝道場效應(yīng)管。經(jīng)過光電隔離和放大后的PWM波形幅值達(dá)15 V，可以驅(qū)動功率場效應(yīng)管至飽和狀態(tài)。設(shè)MCU輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速控制信號PWM和Dir=1的轉(zhuǎn)向控制信號，經(jīng)過邏輯電路后，輸出兩組信號:A1、B1和 A2、B2，其中 A1 為 0，B1 與輸入 PWM信號的頻率相等而相位相反;A2和B2的電位為1。邏輯電路輸出的信號驅(qū)動光電隔離電路和H功率驅(qū)動電路，現(xiàn)分析其工作過程。因A1的電位是0，則光隔器U1截止，這時通過R2和R3的分壓作用使Q1飽和導(dǎo)通;而A2電位為1，它驅(qū)動U4飽和導(dǎo)通，Q3門極電壓等于Uc2，使Q3處于截止?fàn)顟B(tài)。B1是PWM方波信號，由前面分析可知U2和U3工作在推挽方式，使得G2點(diǎn)得到與輸入PWM頻率相等而幅值為15 V的方波，這樣場效應(yīng)管Q2工作在開關(guān)狀態(tài);因B2的電位是1，使U5截止而U6導(dǎo)通，這樣G4的電位為0，使得場效應(yīng)管Q4處于截止?fàn)顟B(tài)。這時H橋的4個場效應(yīng)管:Q3和 Q4為截止?fàn)顟B(tài);Q1飽和導(dǎo)通，Q2在PWM作用下工作在開關(guān)狀態(tài)，電機(jī)通過Q1和Q2供電，此時電機(jī)處于正轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速由PWM的占空比決定。同理分析可知，當(dāng)Dir=0時，Q1和Q2截止，Q3飽和導(dǎo)通，Q4處于開關(guān)狀態(tài)，這時電機(jī)反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速由PWM的占空比決定。由于該電路沒有采用電荷泵電路，其PWM占空比可在0～1任意調(diào)節(jié)，具有起停時對直流系統(tǒng)沖擊小、抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。

圖8 光電隔離和H橋驅(qū)動電路

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的大功率直流電機(jī)驅(qū)動電路是以場效應(yīng)管為核心，基于H橋的PWM控制驅(qū)動電路，對直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制及速度調(diào)節(jié)具有良好性能;同時，通過光電隔離電路的巧妙設(shè)計(jì)，既實(shí)現(xiàn)了電氣隔離又能傳輸23.4 kHz的PWM方波，提高了電路的穩(wěn)定性。通過試驗(yàn)測試表明:該直流電機(jī)驅(qū)動電路性能穩(wěn)定，驅(qū)動功率大(驅(qū)動電流達(dá)30 A);電機(jī)速度調(diào)節(jié)響應(yīng)快，調(diào)速范圍寬(PWM占空比調(diào)節(jié)可在0～1之間任意調(diào)節(jié));PWM頻率高，消除了電磁囂叫聲;采用了光電隔離電路，消除了驅(qū)動電路對其他電路的干擾，對邏輯電路和MCU等電路具有保護(hù)功能，能滿足實(shí)際工程應(yīng)用的要求。

［1］譚建成.電機(jī)控制專用集成電路［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［2］林渭勛.現(xiàn)代電力電子電路［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社，2002.