基于輸電線路野外遙控設(shè)備大功率直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)方法

唐小亮 甄鴻俊

摘 要：以MD1211芯片為功率驅(qū)動(dòng)核心，驅(qū)動(dòng)多顆并聯(lián)N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管?；贖橋PWM控制原理，利用光電隔離管設(shè)計(jì)了一種大功率直流電電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路，該電路能夠很好地滿足直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及連續(xù)調(diào)速控制，同時(shí)對(duì)電機(jī)運(yùn)行電流的跟蹤測(cè)量，對(duì)電機(jī)異常運(yùn)行進(jìn)行保護(hù)。運(yùn)行表明該控制電路功耗低，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，使用靈活。

關(guān)鍵詞：H橋；PWM控制；MOS管并聯(lián)；異常保護(hù)

中圖分類號(hào)：TM726 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

輸電線路野外遙控設(shè)備通常工作在架空輸電線路上，采用塔上或地面遙控操作。這種遠(yuǎn)程遙控操作方式因操作人員與設(shè)備有一定的距離，不清楚設(shè)備的工作狀態(tài)，容易出現(xiàn)誤操作。誤操作可能會(huì)出現(xiàn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)，電機(jī)在堵轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的電流。如果不采取電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)措施，可能燒斷電源系統(tǒng)保險(xiǎn)，這樣整套設(shè)備就無(wú)法操作控制。因此需要對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)，在出現(xiàn)誤操作時(shí)控制驅(qū)動(dòng)電路自動(dòng)保護(hù)電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路因使用環(huán)境的特殊性，需要進(jìn)行專門的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)。

1 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理

H橋驅(qū)動(dòng)主要有3種方式。其一為H橋的4個(gè)橋臂均使用N溝道增強(qiáng)型MOS管；其二為H橋的4個(gè)橋臂均使用P溝道增強(qiáng)型MOS管；其三為上下橋臂分別使用的P溝道增強(qiáng)型MOS管和N溝道增強(qiáng)型MOS管。H橋的4個(gè)橋臂均使用N溝道增強(qiáng)型MOS管，如果使電機(jī)正轉(zhuǎn)兩個(gè)N溝道增強(qiáng)型MOS管完全導(dǎo)通，需要柵極電壓高于源極電壓，因此就要柵極提供電壓大于控制電壓，若控制電壓為VCC，即柵極電必須大于VCC+Vgs，大多電機(jī)的的源直接來(lái)至VCC，想得到比VCC更高的電位就必須升壓，升壓電路比降壓電中轉(zhuǎn)換效率通常會(huì)低，因此4個(gè)橋臂均使用N溝道增強(qiáng)型MOS管的H橋我們較少使用。同樣H橋的4個(gè)橋臂均使用P溝道增強(qiáng)型MOS管，如果使電機(jī)正轉(zhuǎn)兩個(gè)P溝道增強(qiáng)型MOS管完全導(dǎo)通，必須使得柵極電壓低于-Vgs，這樣電路控制電壓得使用負(fù)壓，負(fù)壓往往我們使用升壓DC/DC得到，這樣電源轉(zhuǎn)換效率也相對(duì)較低，電源電路也相對(duì)較復(fù)雜。因此最常用的是上下橋臂分別使用的P溝道增強(qiáng)型MOS管和N溝道增強(qiáng)型MOS管，該電路結(jié)合了上述兩種電路的各自優(yōu)點(diǎn)，使用方便。本文主要針對(duì)上下橋臂分別使用的P溝道增強(qiáng)型MOS管和N溝道增強(qiáng)型MOS管電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 多顆MOS管并聯(lián)

在大功率驅(qū)動(dòng)實(shí)際應(yīng)用中，單顆MOS管提供不了需要的大電流，此時(shí)我們需要把多顆MOS管并聯(lián)起來(lái)應(yīng)用，這樣很大的電流由多顆MOS管來(lái)分擔(dān)，單顆MOS管承擔(dān)的電流就比較小了，確保了器件安全穩(wěn)定地工作。但是如果應(yīng)用不當(dāng)，也會(huì)使多顆并聯(lián)的MOS管電流不均衡，甚至損壞某顆MOS管使系統(tǒng)崩潰。

2.1 MOS管并聯(lián)的可行性分析

MOS管的內(nèi)阻的溫度特性是隨溫度的升高內(nèi)阻也增大，如果在并聯(lián)過(guò)程中由于某種原因?qū)е履愁wMOS管的電流比較大，這顆MOS管會(huì)發(fā)熱比較嚴(yán)重，內(nèi)阻會(huì)升高比較多，電流就會(huì)降下來(lái)，當(dāng)電流下降溫度就下降，這樣電流與溫度形成了負(fù)反饋，由此可以分析出MOS管有自動(dòng)均流的特性而易于并聯(lián)。

2.2 MOS管的并聯(lián)電路

MOS管理論上可以由N顆并聯(lián)，實(shí)際MOS管并聯(lián)多了容易引起走線很長(zhǎng)，分布電感電容加大，對(duì)于高頻電路工作產(chǎn)生不利的影響。下面以三顆N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管為例進(jìn)行說(shuō)明。并聯(lián)的一般電路圖如圖1所示。

圖1中，R1，R3，R5為柵極極驅(qū)動(dòng)電阻，每個(gè)MOS管都由獨(dú)立的柵極驅(qū)動(dòng)電阻隔離驅(qū)動(dòng)，主要是可以防止各個(gè)MOS管的寄生振蕩，起到阻尼的作用。柵極極驅(qū)動(dòng)電阻的取值十分關(guān)鍵，最值過(guò)小就起不到防止各個(gè)MOS管的寄生振蕩的作用，如果取值大了，開(kāi)關(guān)速度會(huì)變慢，由于每個(gè)MOS管的結(jié)電容會(huì)有細(xì)微的不同，結(jié)果取值過(guò)大還會(huì)導(dǎo)致各個(gè)MOS管的導(dǎo)通速度相差比較大，所以柵極極驅(qū)動(dòng)電阻在能夠防止各個(gè)MOS管的寄生振蕩的情況下盡量小到可以滿足開(kāi)關(guān)速度。

3 電機(jī)運(yùn)行異常保護(hù)

電機(jī)的保護(hù)方式有很多種，本文從驅(qū)動(dòng)控制測(cè)量講述對(duì)電機(jī)運(yùn)行異常的保護(hù)。

采用MAX4372差分信號(hào)放大器，MAX4372放在微弱的差分電壓的同時(shí)能夠抑制輸入共模電壓，在實(shí)際應(yīng)用中，為降低采樣電阻上的發(fā)熱，一般提高運(yùn)放的放大倍數(shù)，選擇較小的采樣電阻。為使測(cè)量準(zhǔn)確，首先電源的紋波要盡量的小，線路板電源電路部分布線一定要注意。同時(shí)在測(cè)量算法上也很重要。在實(shí)際應(yīng)用中，一但測(cè)量到電機(jī)發(fā)生電流異常時(shí)，先作出預(yù)警，同時(shí)提高采樣速率，進(jìn)一步的比較判斷如果繼續(xù)異常，作出報(bào)警。報(bào)警發(fā)生后驅(qū)動(dòng)電路將控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)。

結(jié)語(yǔ)

本文的創(chuàng)新點(diǎn)是設(shè)計(jì)了帶自保護(hù)功能的高速大功率H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，詳細(xì)的分析和探討了如何提高驅(qū)動(dòng)輸出功率及電路穩(wěn)定運(yùn)行保護(hù)一些方法。根據(jù)本文所述的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路已設(shè)出驅(qū)動(dòng)電流達(dá)100A，電機(jī)速度調(diào)節(jié)響應(yīng)快，PWM點(diǎn)空比調(diào)可在0至1之間任意調(diào)節(jié)，電機(jī)保護(hù)電流及保護(hù)時(shí)間可設(shè)置的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路板，該設(shè)計(jì)正好解決了廣東電網(wǎng)公司清遠(yuǎn)供電局“智能架空輸電線路導(dǎo)、地線帶電清除異物機(jī)械手”項(xiàng)目中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[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.