基于輸電線路野外遙控設備大功率直流電機的驅動保護設計方法

唐小亮 甄鴻俊

摘 要：以MD1211芯片為功率驅動核心，驅動多顆并聯(lián)N溝道增強型場效應管?；贖橋PWM控制原理，利用光電隔離管設計了一種大功率直流電電機驅動控制電路，該電路能夠很好地滿足直流電機的正反轉及連續(xù)調速控制，同時對電機運行電流的跟蹤測量，對電機異常運行進行保護。運行表明該控制電路功耗低，驅動能力強，使用靈活。

關鍵詞：H橋；PWM控制；MOS管并聯(lián)；異常保護

中圖分類號：TM726 文獻標識碼：A

輸電線路野外遙控設備通常工作在架空輸電線路上，采用塔上或地面遙控操作。這種遠程遙控操作方式因操作人員與設備有一定的距離，不清楚設備的工作狀態(tài)，容易出現(xiàn)誤操作。誤操作可能會出現(xiàn)電機堵轉，電機在堵轉時會出現(xiàn)較大的電流。如果不采取電機驅動保護措施，可能燒斷電源系統(tǒng)保險，這樣整套設備就無法操作控制。因此需要對電機驅動進行保護設計，在出現(xiàn)誤操作時控制驅動電路自動保護電機。電機驅動保護電路因使用環(huán)境的特殊性，需要進行專門的驅動保護電路設計。

1 直流電機驅動原理

H橋驅動主要有3種方式。其一為H橋的4個橋臂均使用N溝道增強型MOS管；其二為H橋的4個橋臂均使用P溝道增強型MOS管；其三為上下橋臂分別使用的P溝道增強型MOS管和N溝道增強型MOS管。H橋的4個橋臂均使用N溝道增強型MOS管，如果使電機正轉兩個N溝道增強型MOS管完全導通，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，大多電機的的源直接來至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換效率通常會低，因此4個橋臂均使用N溝道增強型MOS管的H橋我們較少使用。同樣H橋的4個橋臂均使用P溝道增強型MOS管，如果使電機正轉兩個P溝道增強型MOS管完全導通，必須使得柵極電壓低于-Vgs，這樣電路控制電壓得使用負壓，負壓往往我們使用升壓DC/DC得到，這樣電源轉換效率也相對較低，電源電路也相對較復雜。因此最常用的是上下橋臂分別使用的P溝道增強型MOS管和N溝道增強型MOS管，該電路結合了上述兩種電路的各自優(yōu)點，使用方便。本文主要針對上下橋臂分別使用的P溝道增強型MOS管和N溝道增強型MOS管電路進行設計。

2 多顆MOS管并聯(lián)

在大功率驅動實際應用中，單顆MOS管提供不了需要的大電流，此時我們需要把多顆MOS管并聯(lián)起來應用，這樣很大的電流由多顆MOS管來分擔，單顆MOS管承擔的電流就比較小了，確保了器件安全穩(wěn)定地工作。但是如果應用不當，也會使多顆并聯(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)過程中由于某種原因導致某顆MOS管的電流比較大，這顆MOS管會發(fā)熱比較嚴重，內(nèi)阻會升高比較多，電流就會降下來，當電流下降溫度就下降，這樣電流與溫度形成了負反饋，由此可以分析出MOS管有自動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)，實際MOS管并聯(lián)多了容易引起走線很長，分布電感電容加大，對于高頻電路工作產(chǎn)生不利的影響。下面以三顆N溝道增強型場效應管為例進行說明。并聯(lián)的一般電路圖如圖1所示。

圖1中，R1，R3，R5為柵極極驅動電阻，每個MOS管都由獨立的柵極驅動電阻隔離驅動，主要是可以防止各個MOS管的寄生振蕩，起到阻尼的作用。柵極極驅動電阻的取值十分關鍵，最值過小就起不到防止各個MOS管的寄生振蕩的作用，如果取值大了，開關速度會變慢，由于每個MOS管的結電容會有細微的不同，結果取值過大還會導致各個MOS管的導通速度相差比較大，所以柵極極驅動電阻在能夠防止各個MOS管的寄生振蕩的情況下盡量小到可以滿足開關速度。

3 電機運行異常保護

電機的保護方式有很多種，本文從驅動控制測量講述對電機運行異常的保護。

采用MAX4372差分信號放大器，MAX4372放在微弱的差分電壓的同時能夠抑制輸入共模電壓，在實際應用中，為降低采樣電阻上的發(fā)熱，一般提高運放的放大倍數(shù)，選擇較小的采樣電阻。為使測量準確，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。同時在測量算法上也很重要。在實際應用中，一但測量到電機發(fā)生電流異常時，先作出預警，同時提高采樣速率，進一步的比較判斷如果繼續(xù)異常，作出報警。報警發(fā)生后驅動電路將控制電機的運行狀態(tài)來對電機進行保護。

結語

本文的創(chuàng)新點是設計了帶自保護功能的高速大功率H橋電機驅動電路，詳細的分析和探討了如何提高驅動輸出功率及電路穩(wěn)定運行保護一些方法。根據(jù)本文所述的直流電機驅動電路已設出驅動電流達100A，電機速度調節(jié)響應快，PWM點空比調可在0至1之間任意調節(jié)，電機保護電流及保護時間可設置的驅動保護電路板，該設計正好解決了廣東電網(wǎng)公司清遠供電局“智能架空輸電線路導、地線帶電清除異物機械手”項目中的電機驅動保護設計。

參考文獻

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