一種實用型直流電機控制電路的設計

摘 要：介紹了由半橋驅動電路以及轉向控制電路構成的一種新型、結構簡單、調試方便、實用的直流電機控制電路的實現方法，并闡述了電路的組成以及設計過程。實踐證明，該套直流電機控制電路能克服傳統的H橋控制電路中結構復雜、死區時間不易控制的問題，特別在大功率電機的控制方面該系統具有比傳統H橋控制電路更優良的工作性能。

關鍵詞：半橋驅動;單片機;直流電機;繼電器

中圖分類號：TM301.2 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1510502

Design of a Practical DC Motor Control Circuit

LI Chao，LI Bo

(School of Automation，Wuhan University of Technology，Wuhan，430070，China)

Abstract：This paper introduces a realization of a new，simply-structured，convenient debugging，practical DC motor control circuit，which consists of half-bridge driver circuit and steering control circuit，and elaborates composition of the circuit and design process of the circuit.Being proved by practice，this set of DC motor control circuit can overcome problems of traditional H-bridge control circuit in complex structures，and dead-time control.Particularly in the high-power motor control this system has better work performance than traditional H-bridge control circuit.

Keywords：half-bridge driver;single chip computer;DC motor;relay

當前很多的直流電機控制電路一般都采用H橋驅動方案，H橋驅動結構由于開關器件數目較半橋結構增加了一倍，會造成系統成本和重量的增加，且死區時間的控制，不然很容易燒壞管子，使其應用受到了局限。雖然有一些集成驅IC的出現能緩解上述問題，但在大功率直流電機的驅動上仍顯不足。本文介紹了一種主要由半橋驅動電路和轉向控制電路共同組成的大功率直流電機控制電路的實現。

1 系統的組成以及工作原理

1.1 系統硬件結構

本系統主要由單片機、半橋驅動電路、轉向控制電路、電機組成。圖1是系統的硬件模塊框圖。

1.2 系統的工作原理

單片機根據外部采集到的信號發出相應的PWM信號，該PWM信號輸出后送至半橋驅動集成芯片后控制半橋的開閉，半橋驅動電路的輸出信號再經繼電器控制電路配合單片機發出的正、反轉控制信號來控制直流電機。整套硬件電路結構簡單、調試方便能實現直流電機的調速和轉向控制。

2 半橋驅動集成芯片的介紹

IR21844是國際整流器公司推出的多功能600 V高端及低端驅動集成電路，這種適于功率MOSFET、IGBT驅動的集成電路在照明鎮流器、電源及電機等功率驅動領域中獲得廣泛的應用。 IR21844的性能特點如下：

(1) 芯片體積小，集成度高(可同時驅動同一橋臂的上、下兩只開關器件)；

(2) 驅動能力強，可驅動600 V的主電路系統，柵極驅動輸入電壓寬達10~20 V；

(3) 動態響應較快，典型T_on/T_off時間為680/270 ns；

(4) 輸入輸出同相設計。提供高端和低端獨立控制驅動輸出，可通過兩個獨立CMOS或LSTTL輸入來控制，為設計帶來了很大的靈活性；

(5) 低功耗設計，堅固耐用且防噪效能高，IR21844采用高壓集成電路技術，整合設計既降低成本和簡化電路，又降低設計風險和節省電路板的空間，相比于其他分立式、脈沖變壓器及光耦解決方案，IR21844更能節省組件數量和空間，并提高可靠性；

(6) 具有電源欠壓保護和關斷邏輯。IR21844有兩個非倒相輸入及交叉傳導保護功能，整合了專為驅動電機的半橋MOSFET或IGBT電路而設的保護功能。當電源電壓降至4.7 V 以下時，欠壓鎖定(UVLO) 功能會立即關掉兩個輸出，以防止穿通電流及器件故障。當電源電壓大于5 V時則會釋放輸出(綜合滯后一般為0.3 V) 。過壓(HVIC) 及防閉鎖CMOS技術使IR21844非常堅固耐用；

(7) IR21844還配備有大脈沖電流緩沖級，可將交叉傳導減至最低;同時采用具有下拉功能的施密特(Schmitt) 觸發式輸入設計，可有效隔絕噪音，以防止器件意外開通。

IR21844采用16腳DIP或SOIC封裝，該芯片與其他同類產品的特性比較見表1。

從表1可看出IR21844比同類其他產品特性更優越、集成度更高。

IR21844的典型接線圖如圖2所示。

3 硬件電路的設計

3.1 半橋驅動電路

按照工作原理半橋驅動電路的設計如圖3所示。

半橋驅動電路采用IXYS的HiperFET功率管組成半橋控制電路。上半橋的功率管經MOSFET保護電路中的電阻R₃接到IR21844芯片的HO輸出端，下半橋的功率管經MOSFET保護電路中的電阻R₆接到IR21844芯片的LO輸出端。HO和LO輸出端受IR21844的IN輸出端控制，IN端接收來自PIC單片機的PWM信號。在SD輸入端為低電平時，IN輸入信號被封鎖無效，HO和LO輸出端均為低電平;在SD輸入端為高電平時，IN輸入信號有效，HO輸出端輸出與IN信號同相的PWM信號，LO輸出與IN信號反相的PWM信號。VT1和VT2功率管在有效的HO和LO輸出信號下交互導通，此過程中HO和LO之間的死區時間必須控制好，以防止上、下半橋同時導通燒壞MOSFET管。在電路設計時可以通過調節DT端的輸入電阻R₇來控制死區時間的大小，設計中取R₇=180 kΩ，死區時間可調節至5 μs。圖中C₃為自舉電容，當VT1關斷，VT2開通時，VCC經D₄，C₃、負載、VT2給C₃充電，以確保VT2關斷，VT1開通時，VT1管的柵極靠C₃上足夠的儲能來驅動，從而實現自舉式驅動。如果負載阻抗較大，C₃經負載降壓充電降慢，使得VT2關斷，VT1開通時C₃上的電壓仍不能充電到自舉電壓以上時，輸出驅動信號會因欠壓被片內邏輯封鎖，VT1就不能正常工作，每個周期VT1開通一次，C₃就通過VT2充電一次。因此C₃的選取很關鍵，應根據電路系統的實際情況進行選取。

半橋驅動的輸出信號然后去控制電機轉向控制電路中的電機，從而實現電機的調速控制。

3.2 轉向控制電路

電機轉向控制電路采用繼電器來控制，該套電路規模小，功耗小，正反轉互鎖、可靠性高。電路中共有3個繼電器，每個繼電器都有兩組觸點，一組常閉，一組常開。圖4中的繼電器JDQ3為轉向控制電路的總進電端口，當X1為高電平24 V時，JDQ3得電，它的第3和第6觸點之間的開關被吸合，轉向控制電路就被上電。X4上電后即為24 V，若此時PIC35輸出為高電平，PIC34輸出為低電平，則三極管V₁的輸出為低電平，三極管V₂的輸出為高電平，此時只有JDQ2得電，故它的第3和第6觸點之間的開關被吸合，此時可實現電機的反轉。同理，在PIC35輸出為低電平，PIC34輸出為高電平時，三極管V₂的輸出為低電平，三極管V₁的輸出為高電平，此時只有JDQ1得電，故它的第3和第6觸點之間的開關被吸合，此時可實現電機的正轉。假設在電機正反轉控制過程中，JDQ1和JDQ2同時得電，則電機停轉，電路不會出現短路的情況，故正反轉互鎖、可靠性高。

4 結 語

本文介紹的電機控制電路控制原理成熟可靠，運行穩定，從實踐結果來看，能實現對電機的良好控制，操作方便，運行可靠，實用性好。

參 考 文 獻

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作者簡介 李 超 男，1982年出生，湖北咸寧人，碩士研究生。主要研究領域為汽車電子信息與控制技術。