基于場效應管的大功率直流電機驅動電路設計

胡發煥， 邱小童， 蔡咸健

(1.江西理工大學機電工程學院，江西贛州 341000;2.江西理工大學應用科學學院，江西贛州 341000)

0 引言

長期以來，直流電機以其良好的線性特性、優異的控制性能等特點成為多數變速運動控制和閉環伺服控制系統的理想選擇。隨著計算機在控制領域、高頻開關技術、全控型第二代電力半導體器件(GTR、GTO、MOSFET等)的發展，及脈寬調制(Pulse Width Modulation，PWM)直流調速技術的應用，直流電機得到廣泛應用。為適應小型直流電機的使用需求，各半導體廠商推出了直流電機控制專用集成電路，構成基于微程序控制器(Microprogrammed Control Unit，MCU)控制的直流電機伺服系統。這種集成電路的優點是集成化，外圍電路簡單，使用方便。但該電路也存在重大的不足:輸出功率有限，不滿足大功率場合的需求;由于采用了電荷泵電路，它必須采用PWM信號驅動，且PWM的頻率和占空比有一定的限制;沒有光電隔離電路，當驅動電路發生擊穿等故障時會損壞與之相連的MCU等元件。以SANYO公司生產的STK6875芯片［1］為例，它的所需電壓為12～42 V，最大持續電流為5 A，所需PWM頻率為1～30 kHz。經過測試，當PWM占空比超過0.85或頻率低于1 kHz時，其性能顯著下降，芯片發熱嚴重。該類芯片驅動信號的頻率和占空比的局限性，使其性能受到很大限制。針對以上不足，利用功率場效應管和光電隔離器設計了大功率直流電機驅動電路，該電路耐壓50 V，驅動電流達30 A，PWM占空比可以在0～1之間調節，具有快速、精確、穩定且有電氣隔離等優點，可直接與MCU連接，用PWM技術實現直流電機平穩調速控制。

1 直流電機驅動電路總體結構

直流電機驅動電路由電機驅動邏輯電路、光電隔離電路、驅動信號放大電路、H橋功率驅動電路等4部分組成，如圖1所示。電機驅動電路的主要控制信號有電機轉向控制信號Dir、電機轉速控制信號PWM。Uc1為驅動邏輯電路電源，Uc2為電機驅動電源。設計的電路中，邏輯電路與驅動放大電路進行電氣隔離，消除了驅動電路對前級電路的干擾，邏輯運算后的控制信號通過光電隔離和放大后，驅動H橋上下橋臂，實現對電機的控制。

圖1 驅動控制電路框圖

2 H橋功率驅動器原理

直流電機驅動使用最廣泛的是H型全橋式電路，這種驅動電路能方便地實現電機的四象限運行，即正轉、正轉制動、反轉、反轉制動。H橋功率驅動原理圖如圖2所示，組成H橋驅動電路的4只開關管工作在開關狀態，S1、S4為一組，S2、S3為一組，這兩組狀態為互補。當S1、S4導通時，S2、S3截止，電機兩端加正向電壓實現電機的正轉或反轉制動;反之亦然，實現電機反轉或正轉制動。實際控制中，電機可以在四個象限之間切換運行。在各種開關元件中，功率場效應管是壓控元件，具有輸入阻抗大、開關速度快、無二次擊穿等特點，能滿足高速開關動作的需求，因此常用功率場效應管為H橋的開關元。H橋電路中的4個場效應管可以分別采用N溝道型和P溝道型，P溝道用于上橋臂，N溝道用于下橋臂。下面分析功率場效應管的開關過程。

圖2 H橋功率驅動電路框圖

3 感性負載下的功率場效應管開關過程

電動機是典型的感性負載，具有感性負載的開關電路如圖3所示。假設驅動信號Ug為理想方波信號，Rg為驅動信號內阻，Cgd，Cgs，Cds為各極的寄生電容，L0為電動機的電感量，R0為其內阻，D0為續流二極管。

圖3 功率場效應管開關電路圖

3.1 功率場效應管的導通過程分析

場效應管導通前，假設場效應管處于截止狀態，t0時 Ug=0，在 t0+時，Ug=0階躍為 Ug=Ug1，則寄生電容Cgd、Cgs被正向充電，門極電壓Ugs可表示為 Ugs=Ug1·e－t/τ，其中 τ=Rg(Cgs+Cgd)，當Ugs=UT(場效應管的導通電壓)時，場效應管開始導通［2］，由此可以得出:

式(1)表明:增大Ug1或減小τ可以縮短場效應管導通延遲時間td(on)。

3.2 功率場效應管的截止過程分析

場效應管截止前，假設場效應管處于飽和導通狀態，t0時Ug=Ug1，在t0+時，Ug突降為0，則寄生電容 Cgd、Cgs被反向充電［3］，柵電壓下降，門極電壓Ugs可以表示為Ugs=－ig·Rg=－Rg(Cgs+Cgd)·dUgs/dt，因為 Ugs(0)=Ug1，故:Ugs=Ug1e－t/τ，其中 τ=Rg(Cgs+Cgd)。當 t=td(off)時，有Ugs=IDsat/Gm+UT，(UT為場效應管導通電壓)，則:

式中:IDsat——漏極飽和電流;

Gm——功率場效應管的直流跨導。

由式(2)可得出:減小Ug1或τ可以縮短場效應管截止延遲時間td(off)。

4 驅動電路的設計

根據功率場效應管的特性和電氣隔離的要求，設計了大功率直流電機驅動電路。驅動電路的輸入端和MCU連接，輸入信號有兩個:PWM和Dir。PWM信號用于控制電機的轉速;Dir為0或1，用于控制電機的轉向。輸出端和電動機相連。整個電路分為電機驅動邏輯電路、光電隔離電路、驅動信號放大電路、H橋功率驅動電路等4部分。

4.1 電機驅動邏輯電路設計

電機驅動邏輯電路如圖4所示，MCU送來控制信號PWM和Dir，經非運算和與運算后輸出兩組信號:A1、B1和 A2、B2。現分析其工作過程:PWM輸入矩形脈沖信號，設Dir輸入為1，則經過非門和與運算后輸出兩組信號，第一組信號的A1電平為0，B1端的波形與輸入PWM波形的相位相反，頻率相等;第二組信號A2、B2電平均為1。同理，當Dir輸入為0時，A1和B1電平為1，A2電平為0，B2的波形與PWM頻率相等而相位相反。邏輯電路輸出的兩組信號驅動光電隔離電路。

圖4 電機驅動邏輯電路圖

4.2 光電隔離和驅動放大電路設計

為消除驅動電路對其他電路的干擾，以及對其他電路進行保護，本文將電機驅動電路與其他控制電路進行電氣隔離。對光電隔離電路的要求除在電氣上進行隔離外，還要求其輸出波形的上升沿和下降沿時間短，以通過頻率高的PWM信號，使其驅動的場效應管只工作在截止和飽和兩種狀態。本文的隔離電路采用高速光電隔離器PS9713和普通隔離器TLP521相結合的工作方式，采用該方式可大大提高PWM波形的傳送質量。因人所能聽到的音頻范圍是20 Hz～20 kHz，本文的PWM信號頻率設為23.4 kHz，使電機在工作時沒有囂叫聲，其波形如圖5所示，其占空比為0.5。如前所述，由MCU輸出的PWM信號和Dir信號經過邏輯電路后，輸出兩組信號A1，B1和A2，B2，現以第一組為例闡述光電隔離和驅動放大電路的工作過程，其電路如圖6所示。當Dir為1時，A1輸出電平為0，它用于控制H橋上橋臂;B1是輸入PWM相位相反的信號，當B1為低電平0時，光隔U2飽和導通，而U3截止，使三極管Q2截止，功率場效應管因門極G點為高電平1而導通。這個過程實際就是電源對場效應管門極的充電過程。

圖5 輸入的PWM波形圖

圖6 PWM光隔驅動和放大電路圖

由圖6可見，為了增大Ug1，本文通過穩壓管L7815對其提供穩定的15 V電源，PWM的幅值達15 V;同時由電路可見Rg即為U2的集電極發射極間的電阻Rce，因U2飽和導通，所以Rce非常小。通過上述兩個改進，隔離放大電路輸出的PWM 波形很理想，其上升沿時間約 1.5 μs，如圖7所示。當B1為高電平1時，U2截止U3導通，U3驅動三極管Q2，Q2飽和導通，門極G點的電位變為0，場效應管截止。由圖7可見，此時電阻Rg為Q2的集電極發射極間的電阻Rce，因Q2為飽和導通，Rce阻值非常小，所以τ小，因此功率場效應管截止時間短。由圖7可見，PWM的下降沿時間小于0.5 μs，比較圖5和圖7可知，PWM輸出很理想，波形失真很小。

4.3 H橋功率驅動電路分析

圖7 輸出的PWM波形圖

本文設計的H橋由4個功率型場效應管構成，如圖8所示，上橋臂Q1、Q3為2個P型溝道場效應管，下橋臂Q2、Q4為2個N型溝道場效應管。經過光電隔離和放大后的PWM波形幅值達15 V，可以驅動功率場效應管至飽和狀態。設MCU輸出電機轉速控制信號PWM和Dir=1的轉向控制信號，經過邏輯電路后，輸出兩組信號:A1、B1和 A2、B2，其中 A1 為 0，B1 與輸入 PWM信號的頻率相等而相位相反;A2和B2的電位為1。邏輯電路輸出的信號驅動光電隔離電路和H功率驅動電路，現分析其工作過程。因A1的電位是0，則光隔器U1截止，這時通過R2和R3的分壓作用使Q1飽和導通;而A2電位為1，它驅動U4飽和導通，Q3門極電壓等于Uc2，使Q3處于截止狀態。B1是PWM方波信號，由前面分析可知U2和U3工作在推挽方式，使得G2點得到與輸入PWM頻率相等而幅值為15 V的方波，這樣場效應管Q2工作在開關狀態;因B2的電位是1，使U5截止而U6導通，這樣G4的電位為0，使得場效應管Q4處于截止狀態。這時H橋的4個場效應管:Q3和 Q4為截止狀態;Q1飽和導通，Q2在PWM作用下工作在開關狀態，電機通過Q1和Q2供電，此時電機處于正轉，其轉速由PWM的占空比決定。同理分析可知，當Dir=0時，Q1和Q2截止，Q3飽和導通，Q4處于開關狀態，這時電機反轉，轉速由PWM的占空比決定。由于該電路沒有采用電荷泵電路，其PWM占空比可在0～1任意調節，具有起停時對直流系統沖擊小、抗干擾能力強、性能穩定等特點。

圖8 光電隔離和H橋驅動電路

5 結語

本文設計的大功率直流電機驅動電路是以場效應管為核心，基于H橋的PWM控制驅動電路，對直流電機的正反轉控制及速度調節具有良好性能;同時，通過光電隔離電路的巧妙設計，既實現了電氣隔離又能傳輸23.4 kHz的PWM方波，提高了電路的穩定性。通過試驗測試表明:該直流電機驅動電路性能穩定，驅動功率大(驅動電流達30 A);電機速度調節響應快，調速范圍寬(PWM占空比調節可在0～1之間任意調節);PWM頻率高，消除了電磁囂叫聲;采用了光電隔離電路，消除了驅動電路對其他電路的干擾，對邏輯電路和MCU等電路具有保護功能，能滿足實際工程應用的要求。

［1］譚建成.電機控制專用集成電路［M］.北京:機械工業出版社，1997.

［2］林渭勛.現代電力電子電路［M］.杭州:浙江大學出版社，2002.