具有軟啟動(dòng)功能的大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

陶瑞

（珠海云洲智能科技有限公司，廣東珠海，519000）

1 問(wèn)題提出

大功率直流電機(jī)啟動(dòng)瞬間會(huì)有一個(gè)較大的電流沖擊，這個(gè)電流一般是電機(jī)正常工作電流的10倍左右或更大，容易損壞H橋電路，同時(shí)容易拉低供電電源，尤其是在需要頻繁控制電機(jī)啟?；蛘崔D(zhuǎn)換向的場(chǎng)合，流過(guò)電機(jī)的電流有效值會(huì)極具增加，可能會(huì)導(dǎo)致線路發(fā)熱或燒毀保險(xiǎn)絲，造成設(shè)備損壞，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)具有軟啟動(dòng)功能的大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，減小電機(jī)的啟動(dòng)電流沖擊，使電機(jī)平滑啟動(dòng)，提高系統(tǒng)可靠性和使用壽命。

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

■2.1 功能框架

考慮直流電機(jī)使用中會(huì)出現(xiàn)的常見(jiàn)問(wèn)題，設(shè)計(jì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包含以下功能：

(1)軟啟動(dòng)。減小電機(jī)啟動(dòng)的沖擊電流，提高系統(tǒng)可靠性和壽命。(2)寬電壓輸入?？梢约嫒菔忻嫔铣Ｓ玫?2V和24V直流電機(jī)。(3)電源輸入防反接。防止由于接線錯(cuò)誤導(dǎo)致的模塊損壞。(4)過(guò)流保護(hù)。防止電機(jī)堵轉(zhuǎn)或短路等異常情況下，損壞電機(jī)和控制電路。(5)過(guò)壓保護(hù)。防止驅(qū)動(dòng)電壓波動(dòng)或接錯(cuò)電壓造成驅(qū)動(dòng)電路損壞。(6)死區(qū)保護(hù)。防止H橋上管和下管同時(shí)導(dǎo)通造成短路燒毀的情況。(7)隔離信號(hào)輸入。系統(tǒng)控制信號(hào)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路隔離，減小驅(qū)動(dòng)電路對(duì)系統(tǒng)電路的影響。(8)正反轉(zhuǎn)切換延時(shí)。防止電機(jī)由正轉(zhuǎn)直接切換到反轉(zhuǎn)，或由反轉(zhuǎn)直接切換到正轉(zhuǎn)，造成的機(jī)械結(jié)構(gòu)沖擊和驅(qū)動(dòng)電路的電流沖擊，提高系統(tǒng)可靠性和壽命。(9)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)。主要考慮使用場(chǎng)景可能比較苛刻，要求工作溫度在-10℃~70℃，防護(hù)等級(jí)要達(dá)到IP66。

■2.2 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊由DCDC電源，2路光電隔離輸入，STM32微處理器，2個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)芯片以，H橋電路以及保護(hù)電路組成，硬件框圖如圖1所示。

圖1 硬件框圖

DC/DC電源，用于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊供電，直流電機(jī)常用的工作電壓是12V和24V，因此本設(shè)計(jì)的DC/DC電源選用9~36V輸入，3.3V輸出，可以滿足常用的直流電機(jī)的使用。

兩路光電隔離輸入，用于接收系統(tǒng)發(fā)來(lái)的控制信號(hào)，當(dāng)接收到第一路輸入有效信號(hào)后，微處理器會(huì)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)接收到第二路輸入有效信號(hào)后，微處理器會(huì)控制電機(jī)反轉(zhuǎn)。同時(shí)具有保護(hù)功能，當(dāng)同時(shí)給正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器會(huì)停止輸出，使電機(jī)停轉(zhuǎn)。

STM32微處理器，是本設(shè)計(jì)的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的控制核心，用于接收控制狀態(tài)，并通過(guò)發(fā)送脈寬調(diào)制（PWM）命令來(lái)控制電機(jī)緩啟動(dòng)，以及正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)切換功能。通過(guò)控制PWM脈寬調(diào)制，控制H橋電路輸出給電機(jī)的電壓從0V逐漸增加到電機(jī)工作的額定電壓，可有效減小電機(jī)的啟動(dòng)電流，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)緩啟動(dòng)。

兩個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)芯片，用來(lái)驅(qū)動(dòng)H橋電路，本設(shè)計(jì)之所有采用半橋驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)控制H橋驅(qū)動(dòng)，出于兩方面原因：首先，半橋驅(qū)動(dòng)芯片具有死區(qū)保護(hù)功能，可以防止同橋臂上下兩個(gè)MOS同時(shí)導(dǎo)通導(dǎo)致的燒毀情況，而如果使用MCU來(lái)控制死區(qū)時(shí)序，不夠穩(wěn)定，異常情況下可能會(huì)出現(xiàn)燒毀MOS管的現(xiàn)象。其次，半橋驅(qū)動(dòng)芯片具有自舉電路，可以驅(qū)動(dòng)N通道場(chǎng)效應(yīng)管（NMOS），同級(jí)別的N通道場(chǎng)效應(yīng)管比P通道場(chǎng)效應(yīng)管的內(nèi)阻低很多，而驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)熱和這個(gè)內(nèi)阻成正比，因此可以大大減小驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)熱現(xiàn)象。

H橋電路由4個(gè)NMOS組成，通過(guò)控制4個(gè)NMOS的導(dǎo)通和關(guān)閉，可以控制電流的流向，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。

保護(hù)電路具有三個(gè)功能，首先是過(guò)壓保護(hù)功能，通過(guò)在電源輸入端加入TVS來(lái)實(shí)現(xiàn)。其次是輸入反接保護(hù)功能，通過(guò)控制一個(gè)NMOS的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，然后是短路保護(hù)功能，通過(guò)電流采樣電阻和電壓比較器實(shí)現(xiàn)。

■2.3 軟件設(shè)計(jì)

(1)電機(jī)正轉(zhuǎn)緩啟動(dòng)控制

微處理器的PWM1口：占空比從0%逐漸調(diào)高至98%；PWM2口：占空比設(shè)置為0%，發(fā)送給半橋驅(qū)動(dòng)芯片，從而驅(qū)動(dòng)H橋左橋臂上面的NMOS和右橋臂下面的NMOS打開(kāi)，并且使電壓從0V逐漸升高至VCC，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)緩啟動(dòng)（見(jiàn)圖2）。

圖2 電機(jī)正轉(zhuǎn)緩啟動(dòng)控制

(2)電機(jī)反轉(zhuǎn)緩啟動(dòng)控制

微處理器的的PWM1口：占空比設(shè)置為0%；PWM2口：占空比從0%逐漸調(diào)高至98%，發(fā)送給半橋驅(qū)動(dòng)芯片，從而驅(qū)動(dòng)H橋左橋臂下面的NMOS和右橋臂上面的NMOS打開(kāi)，并且使電壓從0V逐漸升高至VCC，實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)緩啟動(dòng)（見(jiàn)圖3）。

圖3 電機(jī)反轉(zhuǎn)緩啟動(dòng)控制

(3)緩啟動(dòng)時(shí)間配置

為了適應(yīng)不同的運(yùn)用場(chǎng)景，軟件可以配置緩啟動(dòng)時(shí)間。在需要相應(yīng)速度比較快的場(chǎng)合，可以縮短緩啟動(dòng)時(shí)間，代價(jià)是啟動(dòng)電流的增加，在需要相應(yīng)速度不高的場(chǎng)合，可以增加緩啟動(dòng)時(shí)間，可以減小啟動(dòng)電流沖擊。

(4)正反轉(zhuǎn)切換時(shí)間配置

與緩啟動(dòng)時(shí)間配置類(lèi)似，軟件可以配置正反轉(zhuǎn)切換時(shí)間，以適應(yīng)不同的運(yùn)用場(chǎng)景。在需要相應(yīng)速度比較快的場(chǎng)合，可以減小正轉(zhuǎn)切換到反轉(zhuǎn)的時(shí)間，代價(jià)是啟動(dòng)電流的增加，在需要相應(yīng)速度不高的場(chǎng)合，可以增加正轉(zhuǎn)切換到反轉(zhuǎn)的時(shí)間，可以減小啟動(dòng)電流沖擊。

3 應(yīng)用效果

本設(shè)計(jì)應(yīng)用到一個(gè)船用液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上，用于控制船用液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的液壓泵，液壓泵的電機(jī)額定工作電壓12V，正常工作電流6~8A，通過(guò)控制施加在液壓泵站電機(jī)上的電壓，來(lái)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動(dòng)液壓泵正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，當(dāng)給液壓泵站電機(jī)施加正向電壓時(shí)，液壓泵正轉(zhuǎn)，當(dāng)給液壓泵站電機(jī)施加負(fù)向電壓時(shí)，液壓泵反轉(zhuǎn)。

為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的實(shí)際使用效果，使用普通H橋驅(qū)動(dòng)器和本設(shè)計(jì)帶有緩啟動(dòng)功能的H橋驅(qū)動(dòng)器做對(duì)比，分別驅(qū)動(dòng)液壓泵電機(jī)，抓取驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的電流波形，對(duì)比電機(jī)啟停和換向過(guò)程中的最大沖擊電流。

首先測(cè)量普通H橋驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)液壓泵電機(jī)的沖擊電流，抓取的電流波形如圖4所示。

圖4 普通H橋驅(qū)動(dòng)器—電流波形圖

電流傳感器采用100A/5V傳感器，電流值=Volts×20，從圖4可以看出，啟動(dòng)電流峰值=5×20=100A。使用普通H橋電路來(lái)控制這個(gè)電機(jī)，在不加緩啟動(dòng)的情況下，啟動(dòng)沖擊電流在100A左右，如果頻繁啟動(dòng)會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)很大沖擊，同時(shí)會(huì)造成電流有效值極具升高，可能會(huì)燒保險(xiǎn)絲，或拉低供電電壓，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

再對(duì)比本設(shè)計(jì)加入緩啟動(dòng)的H橋驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)液壓泵電機(jī)的沖擊電流，抓取的電流波形如圖5所示。

圖5 加入緩啟動(dòng)的H橋驅(qū)動(dòng)器—電流波形圖

電流傳感器采用100A/5V傳感器，電流值=Volts×20，從圖5可以看出，啟動(dòng)電流峰值=0.6×20=12A。使用本設(shè)計(jì)帶緩啟動(dòng)的H橋驅(qū)動(dòng)控制這個(gè)電機(jī)，啟動(dòng)沖擊電流在12A左右，對(duì)比普通H橋驅(qū)動(dòng)100A的沖擊電流，上電沖擊電流明顯減小，達(dá)到了緩啟動(dòng)的效果，提高了系統(tǒng)的可靠性。

下面列出測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比表格，如表1所示。

表1

4 結(jié)語(yǔ)

大功率直流電機(jī)的啟動(dòng)沖擊電流不容忽視，直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定，本設(shè)計(jì)的具有軟啟動(dòng)功能的大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，有效的減小了電機(jī)啟動(dòng)電流，使電機(jī)平滑啟動(dòng)，同時(shí)加入了反接保護(hù)，過(guò)壓保護(hù)，過(guò)流保護(hù)等功能，杜絕了實(shí)際使用中的常見(jiàn)問(wèn)題的發(fā)生，是一個(gè)高可靠性的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，極大的提高了系統(tǒng)的可靠性和使用壽命，同時(shí)可以配置緩啟動(dòng)時(shí)間和正反轉(zhuǎn)切換時(shí)間，增加了產(chǎn)品的適用性。