大功率直流電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計與實現(xiàn)分析

摘 要：直流電機(jī)主要是指將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電機(jī)，自身的調(diào)速特性優(yōu)良，調(diào)速范圍較廣，使用方便，調(diào)速平滑性強(qiáng)，具有良好的過載能力，在啟動應(yīng)用過程中能夠頻繁的實現(xiàn)無級快速啟動、制動機(jī)反轉(zhuǎn)工作，能夠滿足自動化系統(tǒng)在各個不同階段的特殊運(yùn)行需求，在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)被廣泛應(yīng)用。當(dāng)前一些半導(dǎo)體公司針對工業(yè)對直流電機(jī)的使用需求，制作了驅(qū)動芯片，將其應(yīng)用在直流電機(jī)中。本文從設(shè)計與實現(xiàn)兩方面的內(nèi)容對大功率直流電機(jī)驅(qū)動電路進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：大功率；直流電機(jī)；驅(qū)動電路；設(shè)計；實現(xiàn)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.13.160

0 前言

基于直流對電機(jī)驅(qū)動電路的使用需求，各大半導(dǎo)體廠商專門針對工業(yè)企業(yè)對直流電機(jī)的使用需求，推出了直流電機(jī)控制專用的集成電路，共同構(gòu)成了集成電路控制系統(tǒng)，該種電路控制系統(tǒng)自身具有集成化效果好、驅(qū)動電路簡單、外圍元減少，使用便捷等特點(diǎn)。另外，該電路在使用過程中也存在一定的缺點(diǎn)，輸出的功率相對較為有限，無法滿足大功率直流電機(jī)的驅(qū)動需求。本文針對驅(qū)動電路存在的不足，專門設(shè)計了大功率直流電機(jī)驅(qū)動電路，提升了驅(qū)動電路的設(shè)計效果。

1 大功率直流電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)

大功率直流電機(jī)驅(qū)動電路如圖1所示：從圖1中的總體結(jié)構(gòu)能夠看出電機(jī)驅(qū)動電路在控制信號方面具有重要作用，主要的控制信號包括電機(jī)轉(zhuǎn)向控制（DIR）及電機(jī)轉(zhuǎn)速控制（PWM）兩種。Vcc1是驅(qū)動邏輯電路中的部分電源，能夠為驅(qū)動電路提供電源，Vcc2、Vcc3也是驅(qū)動邏輯電路中的重要組成部分，在為大功率直流電機(jī)驅(qū)動電路進(jìn)行供電時，主要是采用雙電源供電方式。M+、M-作為直流電機(jī)的接口[1]。大功率直流電機(jī)驅(qū)動電路在供電過程中，為了取得良好的供電效果，需要將驅(qū)動電路電氣與控制電路電氣隔離開來，避免驅(qū)動電路在運(yùn)行過程中對其他電路的運(yùn)行效果造成較大的影響，避免電路運(yùn)行過程中遭受到其他電路的干擾，給系統(tǒng)的邏輯預(yù)算造成較大的影響。加大對邏輯信號的控制和使用，充分利用信號來提升光電隔離效果，放大邏輯信號的作用，充分利用控制電路與驅(qū)動電路的作用，來驅(qū)動H橋上的下臂，在驅(qū)動直流電機(jī)，以完成對驅(qū)動電路系統(tǒng)的控制[2]。

1.2 電機(jī)驅(qū)動邏輯電路分析

在對驅(qū)動電路圖進(jìn)行設(shè)計時，需要嚴(yán)格按照電器隔離的要求級Power MOSFET特性要求進(jìn)行設(shè)計，結(jié)合當(dāng)前工業(yè)行業(yè)對電路的使用要求，設(shè)計出了一款大功率直流電機(jī)驅(qū)動電路。驅(qū)動電路在實際的使用過程中，需要確保MCU端和電路輸入端進(jìn)行有效的連接，所設(shè)置的輸入信號主要包括DIR信號和PWM信號兩種。其中DIR信號主要是指數(shù)字信號，通常為0或1。而PMN信號為脈寬調(diào)制信號，被廣泛應(yīng)用與電機(jī)轉(zhuǎn)速控制中，需要確保兩種信號的有機(jī)連接，以此來提升信號控制效果，滿足工業(yè)企業(yè)對電機(jī)驅(qū)動邏輯電路的使用需求。通常電機(jī)驅(qū)動邏輯電路由 電機(jī)驅(qū)動邏輯電路、光電隔離和驅(qū)動放大器電路及H橋功率驅(qū)動電路共同組成[3]。

電機(jī)驅(qū)動邏輯電路如圖2所示，控制信號PWM和DIR是電機(jī)驅(qū)動邏輯電路中的重要組成部分，主要用來收集MCU端送來的控制信號，信號會經(jīng)過與門氣74LS08和反向器74LS04運(yùn)算后，來實現(xiàn)對光電隔離器的再驅(qū)動。將DIR作為方向控制信號，在輸入信號時需要輸入DOR2，將DIR1和轉(zhuǎn)速控制信號PWM，通過74LS08進(jìn)行預(yù)算，以得到轉(zhuǎn)速控制信號PWM2。需要確保PWM相遇DIR2轉(zhuǎn)速信號相運(yùn)算后，以此來得到轉(zhuǎn)速信號PWM1，在對信號進(jìn)行控制時，主要分為兩組對信號進(jìn)行控制，將PWM1和DIR1作為一組，將PWM2和DIR2作為二組。PWM1和PWM2主要是用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而DIR1和DIR2主要是運(yùn)用控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)向[4]。待DIR1為1時，DIR2為0時，在對電機(jī)驅(qū)動情況進(jìn)行記錄時，運(yùn)算器74LS08需要分別于PWM相乘，從相乘后的結(jié)果能夠看出，PWM2計算所得的波形與PWM的波形相一致，說明兩者的輸出信號一致。如果DIR1為0時，DIR2為1時，說明PWM1與PWM兩者具有一致的波形信號。通過以上對電機(jī)驅(qū)動邏輯電路進(jìn)行分析的過程，能夠看出DIR1、PWM1，DIR2、PWM2兩組信號在邏輯運(yùn)算中，有助于驅(qū)動廣電隔離電路，對提升廣電隔離電路使用效果具有重要作[5]。

1.3 光電隔離和驅(qū)動放大電路分析

為了確保直流電機(jī)驅(qū)動電路有著良好的應(yīng)用效果，避免受其他電路影響，給電路系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)造成較大的影響，需要加大電路保護(hù)工作，將電機(jī)驅(qū)動電路與其他控制電路有機(jī)的結(jié)合起來，通過兩者共同來實現(xiàn)對電氣進(jìn)行隔離。光電隔離器在大功率直流電機(jī)驅(qū)動中具有良好的應(yīng)用效果，要做好光電隔離器的合理選擇，光電隔離器自身的功能必須要滿足大功率直流電機(jī)的使用需求，以便提升直流電機(jī)的驅(qū)動效果，滿足電路的適應(yīng)需求[6]。

本文在對光電隔離和驅(qū)動放大器電路進(jìn)行研究時，結(jié)合實際的功能需求，選擇了817C和PS9713兩種光電隔離器如圖3所示，其中817C自身的頻率相對較低，在實際的應(yīng)用過程中，主要是運(yùn)用對電機(jī)的方向控制。而PS9713在電路中使用，作為一種快速光電隔離器，自身的開關(guān)頻率相對較高，被廣泛應(yīng)用于電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制中。在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，PWM2為PWM的一致轉(zhuǎn)速控制信號，通常將A點(diǎn)作為電位1，到光電隔離器U3截止，U4具有導(dǎo)通功能，B、F點(diǎn)的電位通常為0。隔離器U1在實際的應(yīng)用過程中，被廣泛應(yīng)用與飽和通電中，在U2處截止使用，需要將D點(diǎn)的電位設(shè)置為E2+E3，要想確保直流電機(jī)驅(qū)動控制的合理性，需要做好PWM2處控制工作，確保開關(guān)在大功率直流電機(jī)驅(qū)動中始終保持良好的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。另外，還需要加大對控制方向隔離器進(jìn)行控制，所使用的隔離器主要是817C隔離器，在實際的應(yīng)用過程中通過兩兩配合使用的形式，來完成對U1、U2、U3、U4的控制，能夠確保電路在實際的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，電機(jī)能夠有效的進(jìn)行切換，避免上下橋臂出現(xiàn)直通短路現(xiàn)象，給電機(jī)系統(tǒng)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)造成較大的影響，能夠放大信號、起到隔離作用[7]。

1.4 H橋功率驅(qū)動電路分析

為了確保大功率直流電機(jī)驅(qū)動工作的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，避免電路自身存在的缺陷，對電路系統(tǒng)造成較大的影響，需要加大對H橋功率電路的研究力度，H橋功率驅(qū)動電路圖如圖4所示。本文在研究過程中主要是使用雙電源形式，電源為E2、E3兩種驅(qū)動電源，其中E2主要是用于提升電壓，E3主要是用于電機(jī)供電，其中Q1、Q3門極主要是用于提升電壓，運(yùn)用的場效應(yīng)管為AM60N06，對提升溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)具有重要作用，確保了驅(qū)動電流的正常穩(wěn)定運(yùn)行。另外，還需要明確工作開關(guān)狀態(tài)，運(yùn)用電阻R4、R5為U5提供電壓，確保Q4能夠與E點(diǎn)相連，通常門極電壓波形通常會與PWM2波形相一致。為了減少導(dǎo)通及截止時間，需要合理選擇電壓，綜合各因素進(jìn)行考慮，當(dāng)DIR為1時，Q2、Q3通常會處于截止?fàn)顟B(tài)，Q1在持續(xù)充電，Q4受PWM2控制影響較大。當(dāng)工作在開關(guān)狀態(tài)時，能夠確保確保電機(jī)處于正常的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速受PWM控制影響較大。當(dāng)DIR為0時，Q1、Q4處于截止?fàn)顟B(tài)，Q2受PWM2控制開關(guān)影響較大，Q3一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)控制工作處于開關(guān)狀態(tài)下，電機(jī)會出現(xiàn)反轉(zhuǎn)情況，受PWM控制影響較大[8]。

2 大功率直流電機(jī)驅(qū)動電路的實現(xiàn)

為了驗證驅(qū)動器性能對大功率直流電機(jī)驅(qū)動電路所造成的影響，本文主要選用25D60-24V型直流電機(jī)，運(yùn)用該電機(jī)來進(jìn)行閉環(huán)控制。25D60-24V型直流電機(jī)的額定功率為60W，額定電壓為24V，額定轉(zhuǎn)速為2800rpm，額定電流為3.8A。電機(jī)在啟動過程中最高的轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到2915rpm，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不會發(fā)生明顯的發(fā)熱現(xiàn)象，表明電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，在大功率直流電機(jī)驅(qū)動電路中具有良好的使用效果，最高的工作時間能夠滿足連續(xù)三天，每天工作的時間超過8小時。為了確保直流電機(jī)在工作過程中，免受其他測試電路影響，需要做好系統(tǒng)與開關(guān)之間的自由切換工作，提升測試電路的抗干擾能力及抗沖擊力，避免電路系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重的故障。另外，直流電路系統(tǒng)在實際的使用過程中受增加負(fù)載現(xiàn)象影響較大，給電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成較大的影響，導(dǎo)致電機(jī)無法正常工作，嚴(yán)重影響電機(jī)的實際運(yùn)行效果。針對這一情況，為了能夠確保電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，滿足電機(jī)的驅(qū)動需求，需要做好電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計，避免電流在啟動和制動過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的電流驟升現(xiàn)象，需要在電路中留有一定的電流冗余，提升了電路的抗干擾能力，對確保電路系統(tǒng)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)及穩(wěn)定工作具有重要作用[9]。

3 結(jié)論

大功率直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)自身具有可靠性和穩(wěn)定性特點(diǎn)，通常驅(qū)動功率能夠達(dá)到50A，驅(qū)動功率相對較大，電機(jī)的速度調(diào)節(jié)響應(yīng)較快，符合電機(jī)驅(qū)動的高效運(yùn)轉(zhuǎn)要求，在對PWM的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)時，需要將調(diào)節(jié)的范圍控制在0-1之間，將電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制為0-nmax之間，加大對廣電隔離技術(shù)的應(yīng)用力度，有效避免對驅(qū)動電路對邏輯電路造成的干擾，強(qiáng)化MCU電路和邏輯電路保護(hù)效果，以便能夠滿足工業(yè)行業(yè)對大功率直流電機(jī)驅(qū)動電路的使用需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]王凱，黃衛(wèi)清，王寅，潘松.三角轉(zhuǎn)換式雙足壓電直線電機(jī)的驅(qū)動電路設(shè)計[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2014（S1）：189-194.

[2]王瑞.大功率IGBT柵極驅(qū)動電路的研究[J].電氣自動化，2014（03）：115-117.

[3]鄧華燕，梁榮峰.基于AVR單片機(jī)的大功率LED驅(qū)動和控制電路的設(shè)計與分析[J].電子制作，2014（07）：4-5.

[4]宋超，王剛，欒寧.雙閉環(huán)無刷直流電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2013（04）：107-110.

[5]張廣智，王琳琳，趙偉華，張偉光，李全熙.大功率IGBT擊穿故障分析及驅(qū)動保護(hù)電路設(shè)計[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2012（35）：29-30.

[6]宋堅波，汪宋良.一種大功率LED驅(qū)動電路的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 機(jī)電信息，2012（18）：150-151.

[7]余曉填，楊曦，陳安，解輝，黃澤毅.基于移動機(jī)器人直流電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計與應(yīng)用[J].微電機(jī)，2011（11）：37-40.

[8]胡發(fā)煥，邱小童，蔡咸健.基于場效應(yīng)管的大功率直流電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2011（04）：21-24.

[9]汪華章，宰文姣，馬亞寧，鄭志高.較大功率直流電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計與實現(xiàn)[J].西南民族大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，（04）：649-654.

作者簡介：唐亦敏 （1961-），男，江蘇蘇州人，本科，講師，工程師，主要研究方向：電氣與自動控制。