一種帶過流保護的隔離型電機控制電路設計

賈利浦 梁帥鋒 孫春峰

（河南優德醫療設備股份有限公司，河南鄭州450000）

0 引言

帶過流保護的隔離型直流有刷電機控制電路是在傳統的H橋驅動電路上進行了改進設計，主要增加了電路的隔離功能和設計了過流保護電路。考慮到市場上常用的直流電機電壓為24 V，本電路電源設計輸入電壓為24 V，電源波動范圍18～40 V，電源電路為電機驅動電路和電流采樣電路提供15 V電源。電機驅動電路設計可為24 V/300 W的電機提供驅動能力。電流采樣及反饋電路設計為電流保護閾值可調，保護時間可調。

1 硬件方案整體設計

電路主要包括電源電路、控制信號邏輯轉換電路、控制信號隔離電路、H橋電機驅動電路、電流采樣及反饋控制電路。PWM控制信號經過邏輯運算后，通過隔離電路給電機驅動電路提供控制信號；電機驅動電路為H橋提供合適的驅動電壓來控制電機；電流采樣電路對電流進行采樣，經信號處理后，反饋給控制信號邏輯轉換電路來控制電機的啟停。

2 各電路模塊設計

2.1 電源電路設計

電源電路采用DC-DC電源芯片LM2596（圖1）。輸入電源設計為直流24 V，輸出直流電壓15 V，為電機驅動電路及電流采用電路供電。

圖1 電源電路

LM2596芯片特點：

（1）可調輸出電壓范圍：1.2～37 V，±4%；

（2）輸出電流可高達3 A；

（3）輸入電壓可高達40 V；

（4）低功耗待機模式，IQ的典型值為80 μA；

（5）具有過熱保護和限流保護功能。

2.2 H橋驅動電機原理及電路設計

圖2中，Q1、Q2、Q3、Q4四個MOS管構成H橋。Q1、Q4導通，電機正轉；Q2、Q3導通，電機反轉；Q1、Q2導通或Q3、Q4導通電機制動。MOS管選用STP75NF75（漏極至源極電壓Vdss=75 V；電流-連續漏極Id@25℃=80 A），性能參數完全能滿足要求，并且性價比高。D1、D2、D3、D4為續流二極管。

圖2 H橋電路結構

2.3 H橋驅動電路設計

采用兩個IR2104半橋驅動器組合來驅動H橋。IR2104性能參數：

（1）最大偏置電壓（VOFFSET）：600 V max；

（2）IO口電流（IO+/-）：130/270 mA；

（3）輸出電壓（VOUT）：10～20 V；

（4）開啟/關斷時間（ton/toff（typ.））：680/150 ns；

（5）死區時間（Deadtime（typ.））：520 ns。

圖3中SD為低電平時，電機為斷電狀態。SD為高電平，IN1和IN2電平相同時，電機處于制動狀態；IN1為低電平，IN2為高電平時，電機反轉；IN1為高電平，IN2為低電平，電機正轉。

圖3 H橋驅動電路

2.4 控制信號轉換及隔離電路設計

邏輯運算采用四路與非門電路74HC00，隔離電路采用高速光耦6N135進行電路隔離。圖4中CT1和CT2控制電機轉動方向，PWM控制電機轉速。OVERLOAD是電流采樣電路的反饋信號，當此信號為高電平時表明過流。

從表1可以看出，當OVERLOAD為“0”時，SD一定為“0”，電機處于斷電狀態。當OVERLOAD為“1”時，CT1=“0”，CT2=“1”，PWM=“1”時，電機正轉；當OVERLOAD為“1”時，CT1=“1”，CT2=“0”，PWM=“1”時，電機反轉；當OVERLOAD為“1”時，CT1=“1”，CT2=“1”，PWM=“1”時，電機制動；其他情況：電機為斷電狀態。因此，可以用CT1和CT2來控制電機運動方向，用PWM來控制電機轉速。

圖4 控制信號轉換及隔離電路

表1 運算電路邏輯狀態表

2.5 過流保護電路設計

過流保護電路（圖5）中電機電流可以經一個采樣電阻R后，得到電壓信號C_SINGLE，運放U4A為電壓比較器，R28為電位器，通過調節R28可以設置過流保護電流閾值的大小。

電流閾值：

R6與C12構成RC延時電路；U4B為滯回比較器，可以通過調節電位器R30的大小來設置閾值大小，從而控制過流保護的時間。

RC充電時間：

正向過程閾值：

負向過程閾值：

結合本電路，延時時間：

3 結語

本文介紹的直流有刷電機驅動電路，由于采用了隔離控制技術來避免電路間干擾問題，使得電路更加穩定；設計的過流保護電路，有效保護了電機，避免了電機過載燒毀的情況。從實踐結果來看，電路穩定可靠，操作方便，適用于多種功率電機，實用性強。