大功率直流電機驅動電路設計與實現分析

摘 要：直流電機主要是指將直流電能轉換成機械能的電機，自身的調速特性優良，調速范圍較廣，使用方便，調速平滑性強，具有良好的過載能力，在啟動應用過程中能夠頻繁的實現無級快速啟動、制動機反轉工作，能夠滿足自動化系統在各個不同階段的特殊運行需求，在工業領域內被廣泛應用。當前一些半導體公司針對工業對直流電機的使用需求，制作了驅動芯片，將其應用在直流電機中。本文從設計與實現兩方面的內容對大功率直流電機驅動電路進行分析。

關鍵詞：大功率；直流電機；驅動電路；設計；實現

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

0 前言

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

1 大功率直流電機驅動電路的設計

1.1 總體結構

大功率直流電機驅動電路如圖1所示：從圖1中的總體結構能夠看出電機驅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轉向控制（DIR）及電機轉速控制（PWM）兩種。Vcc1是驅動邏輯電路中的部分電源，能夠為驅動電路提供電源，Vcc2、Vcc3也是驅動邏輯電路中的重要組成部分，在為大功率直流電機驅動電路進行供電時，主要是采用雙電源供電方式。M+、M-作為直流電機的接口[1]。大功率直流電機驅動電路在供電過程中，為了取得良好的供電效果，需要將驅動電路電氣與控制電路電氣隔離開來，避免驅動電路在運行過程中對其他電路的運行效果造成較大的影響，避免電路運行過程中遭受到其他電路的干擾，給系統的邏輯預算造成較大的影響。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動電路的作用，來驅動H橋上的下臂，在驅動直流電機，以完成對驅動電路系統的控制[2]。

1.2 電機驅動邏輯電路分析

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

電機驅動邏輯電路如圖2所示，控制信號PWM和DIR是電機驅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，信號會經過與門氣74LS08和反向器74LS04運算后，來實現對光電隔離器的再驅動。將DIR作為方向控制信號，在輸入信號時需要輸入DOR2，將DIR1和轉速控制信號PWM，通過74LS08進行預算，以得到轉速控制信號PWM2。需要確保PWM相遇DIR2轉速信號相運算后，以此來得到轉速信號PWM1，在對信號進行控制時，主要分為兩組對信號進行控制，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的轉速，而DIR1和DIR2主要是運用控制電機的正反轉向[4]。待DIR1為1時，DIR2為0時，在對電機驅動情況進行記錄時，運算器74LS08需要分別于PWM相乘，從相乘后的結果能夠看出，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。通過以上對電機驅動邏輯電路進行分析的過程，能夠看出DIR1、PWM1，DIR2、PWM2兩組信號在邏輯運算中，有助于驅動廣電隔離電路，對提升廣電隔離電路使用效果具有重要作[5]。

1.3 光電隔離和驅動放大電路分析

為了確保直流電機驅動電路有著良好的應用效果，避免受其他電路影響，給電路系統的安全穩定運轉造成較大的影響，需要加大電路保護工作，將電機驅動電路與其他控制電路有機的結合起來，通過兩者共同來實現對電氣進行隔離。光電隔離器在大功率直流電機驅動中具有良好的應用效果，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的使用需求，以便提升直流電機的驅動效果，滿足電路的適應需求[6]。

本文在對光電隔離和驅動放大器電路進行研究時，結合實際的功能需求，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，在實際的應用過程中，主要是運用對電機的方向控制。而PS9713在電路中使用，作為一種快速光電隔離器，自身的開關頻率相對較高，被廣泛應用于電機的轉速控制中。在電機運轉的過程中，PWM2為PWM的一致轉速控制信號，通常將A點作為電位1，到光電隔離器U3截止，U4具有導通功能，B、F點的電位通常為0。隔離器U1在實際的應用過程中，被廣泛應用與飽和通電中，在U2處截止使用，需要將D點的電位設置為E2+E3，要想確保直流電機驅動控制的合理性，需要做好PWM2處控制工作，確保開關在大功率直流電機驅動中始終保持良好的運轉狀態。另外，還需要加大對控制方向隔離器進行控制，所使用的隔離器主要是817C隔離器，在實際的應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轉過程中，電機能夠有效的進行切換，避免上下橋臂出現直通短路現象，給電機系統的安全運轉造成較大的影響，能夠放大信號、起到隔離作用[7]。

1.4 H橋功率驅動電路分析

為了確保大功率直流電機驅動工作的穩定運轉，避免電路自身存在的缺陷，對電路系統造成較大的影響，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、E3兩種驅動電源，其中E2主要是用于提升電壓，E3主要是用于電機供電，其中Q1、Q3門極主要是用于提升電壓，運用的場效應管為AM60N06，對提升溝道增強型場效應具有重要作用，確保了驅動電流的正常穩定運行。另外，還需要明確工作開關狀態，運用電阻R4、R5為U5提供電壓，確保Q4能夠與E點相連，通常門極電壓波形通常會與PWM2波形相一致。為了減少導通及截止時間，需要合理選擇電壓，綜合各因素進行考慮，當DIR為1時，Q2、Q3通常會處于截止狀態，Q1在持續充電，Q4受PWM2控制影響較大。當工作在開關狀態時，能夠確保確保電機處于正常的運轉狀態，轉速受PWM控制影響較大。當DIR為0時，Q1、Q4處于截止狀態，Q2受PWM2控制開關影響較大，Q3一直處于導通狀態，當控制工作處于開關狀態下，電機會出現反轉情況，受PWM控制影響較大[8]。

2 大功率直流電機驅動電路的實現

為了驗證驅動器性能對大功率直流電機驅動電路所造成的影響，本文主要選用25D60-24V型直流電機，運用該電機來進行閉環控制。25D60-24V型直流電機的額定功率為60W，額定電壓為24V，額定轉速為2800rpm，額定電流為3.8A。電機在啟動過程中最高的轉速能夠達到2915rpm，在運轉過程中不會發生明顯的發熱現象，表明電機運轉正常，在大功率直流電機驅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三天，每天工作的時間超過8小時。為了確保直流電機在工作過程中，免受其他測試電路影響，需要做好系統與開關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，避免電路系統發生嚴重的故障。另外，直流電路系統在實際的使用過程中受增加負載現象影響較大，給電機的正常運轉造成較大的影響，導致電機無法正常工作，嚴重影響電機的實際運行效果。針對這一情況，為了能夠確保電機的正常運轉，滿足電機的驅動需求，需要做好電機的優化設計，避免電流在啟動和制動過程中出現嚴重的電流驟升現象，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，對確保電路系統的安全運轉及穩定工作具有重要作用[9]。

3 結論

大功率直流電機驅動系統自身具有可靠性和穩定性特點，通常驅動功率能夠達到50A，驅動功率相對較大，電機的速度調節響應較快，符合電機驅動的高效運轉要求，在對PWM的占空比進行調節時，需要將調節的范圍控制在0-1之間，將電機的轉速控制為0-nmax之間，加大對廣電隔離技術的應用力度，有效避免對驅動電路對邏輯電路造成的干擾，強化MCU電路和邏輯電路保護效果，以便能夠滿足工業行業對大功率直流電機驅動電路的使用需求。

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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。