具有軟啟動功能的大功率直流電機驅動電路設計

陶瑞

（珠海云洲智能科技有限公司，廣東珠海，519000）

1 問題提出

大功率直流電機啟動瞬間會有一個較大的電流沖擊，這個電流一般是電機正常工作電流的10倍左右或更大，容易損壞H橋電路，同時容易拉低供電電源，尤其是在需要頻繁控制電機啟停或正反轉換向的場合，流過電機的電流有效值會極具增加，可能會導致線路發熱或燒毀保險絲，造成設備損壞，因此需要設計一個具有軟啟動功能的大功率直流電機驅動電路，減小電機的啟動電流沖擊，使電機平滑啟動，提高系統可靠性和使用壽命。

2 技術實現

■2.1 功能框架

考慮直流電機使用中會出現的常見問題，設計直流電機驅動電路包含以下功能：

(1)軟啟動。減小電機啟動的沖擊電流，提高系統可靠性和壽命。(2)寬電壓輸入。可以兼容市面上常用的12V和24V直流電機。(3)電源輸入防反接。防止由于接線錯誤導致的模塊損壞。(4)過流保護。防止電機堵轉或短路等異常情況下，損壞電機和控制電路。(5)過壓保護。防止驅動電壓波動或接錯電壓造成驅動電路損壞。(6)死區保護。防止H橋上管和下管同時導通造成短路燒毀的情況。(7)隔離信號輸入。系統控制信號和電機驅動電路隔離，減小驅動電路對系統電路的影響。(8)正反轉切換延時。防止電機由正轉直接切換到反轉，或由反轉直接切換到正轉，造成的機械結構沖擊和驅動電路的電流沖擊，提高系統可靠性和壽命。(9)環境適應性設計。主要考慮使用場景可能比較苛刻，要求工作溫度在-10℃~70℃，防護等級要達到IP66。

■2.2 硬件設計

本設計的直流電機驅動模塊由DCDC電源，2路光電隔離輸入，STM32微處理器，2個半橋驅動芯片以，H橋電路以及保護電路組成，硬件框圖如圖1所示。

圖1 硬件框圖

DC/DC電源，用于直流電機驅動模塊供電，直流電機常用的工作電壓是12V和24V，因此本設計的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的使用。

兩路光電隔離輸入，用于接收系統發來的控制信號，當接收到第一路輸入有效信號后，微處理器會控制電機正轉，當接收到第二路輸入有效信號后，微處理器會控制電機反轉。同時具有保護功能，當同時給正轉和反轉信號，驅動器會停止輸出，使電機停轉。

STM32微處理器，是本設計的直流電機驅動模塊的控制核心，用于接收控制狀態，并通過發送脈寬調制（PWM）命令來控制電機緩啟動，以及正轉和反轉切換功能。通過控制PWM脈寬調制，控制H橋電路輸出給電機的電壓從0V逐漸增加到電機工作的額定電壓，可有效減小電機的啟動電流，從而實現電機緩啟動。

兩個半橋驅動芯片，用來驅動H橋電路，本設計之所有采用半橋驅動芯片來控制H橋驅動，出于兩方面原因：首先，半橋驅動芯片具有死區保護功能，可以防止同橋臂上下兩個MOS同時導通導致的燒毀情況，而如果使用MCU來控制死區時序，不夠穩定，異常情況下可能會出現燒毀MOS管的現象。其次，半橋驅動芯片具有自舉電路，可以驅動N通道場效應管（NMOS），同級別的N通道場效應管比P通道場效應管的內阻低很多，而驅動電路的發熱和這個內阻成正比，因此可以大大減小驅動電路的發熱現象。

H橋電路由4個NMOS組成，通過控制4個NMOS的導通和關閉，可以控制電流的流向，最終實現對直流電機正反轉的控制。

保護電路具有三個功能，首先是過壓保護功能，通過在電源輸入端加入TVS來實現。其次是輸入反接保護功能，通過控制一個NMOS的開關來實現，然后是短路保護功能，通過電流采樣電阻和電壓比較器實現。

■2.3 軟件設計

(1)電機正轉緩啟動控制

微處理器的PWM1口：占空比從0%逐漸調高至98%；PWM2口：占空比設置為0%，發送給半橋驅動芯片，從而驅動H橋左橋臂上面的NMOS和右橋臂下面的NMOS打開，并且使電壓從0V逐漸升高至VCC，實現電機正轉緩啟動（見圖2）。

圖2 電機正轉緩啟動控制

(2)電機反轉緩啟動控制

微處理器的的PWM1口：占空比設置為0%；PWM2口：占空比從0%逐漸調高至98%，發送給半橋驅動芯片，從而驅動H橋左橋臂下面的NMOS和右橋臂上面的NMOS打開，并且使電壓從0V逐漸升高至VCC，實現電機反轉緩啟動（見圖3）。

圖3 電機反轉緩啟動控制

(3)緩啟動時間配置

為了適應不同的運用場景，軟件可以配置緩啟動時間。在需要相應速度比較快的場合，可以縮短緩啟動時間，代價是啟動電流的增加，在需要相應速度不高的場合，可以增加緩啟動時間，可以減小啟動電流沖擊。

(4)正反轉切換時間配置

與緩啟動時間配置類似，軟件可以配置正反轉切換時間，以適應不同的運用場景。在需要相應速度比較快的場合，可以減小正轉切換到反轉的時間，代價是啟動電流的增加，在需要相應速度不高的場合，可以增加正轉切換到反轉的時間，可以減小啟動電流沖擊。

3 應用效果

本設計應用到一個船用液壓轉向系統上，用于控制船用液壓轉向系統的液壓泵，液壓泵的電機額定工作電壓12V，正常工作電流6~8A，通過控制施加在液壓泵站電機上的電壓，來控制電機正反轉，從而驅動液壓泵正轉和反轉，當給液壓泵站電機施加正向電壓時，液壓泵正轉，當給液壓泵站電機施加負向電壓時，液壓泵反轉。

為了驗證本設計的實際使用效果，使用普通H橋驅動器和本設計帶有緩啟動功能的H橋驅動器做對比，分別驅動液壓泵電機，抓取驅動過程中的電流波形，對比電機啟停和換向過程中的最大沖擊電流。

首先測量普通H橋驅動器驅動液壓泵電機的沖擊電流，抓取的電流波形如圖4所示。

圖4 普通H橋驅動器—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，啟動電流峰值=5×20=100A。使用普通H橋電路來控制這個電機，在不加緩啟動的情況下，啟動沖擊電流在100A左右，如果頻繁啟動會給整個系統帶來很大沖擊，同時會造成電流有效值極具升高，可能會燒保險絲，或拉低供電電壓，造成系統的不穩定。

再對比本設計加入緩啟動的H橋驅動器驅動液壓泵電機的沖擊電流，抓取的電流波形如圖5所示。

圖5 加入緩啟動的H橋驅動器—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，啟動電流峰值=0.6×20=12A。使用本設計帶緩啟動的H橋驅動控制這個電機，啟動沖擊電流在12A左右，對比普通H橋驅動100A的沖擊電流，上電沖擊電流明顯減小，達到了緩啟動的效果，提高了系統的可靠性。

下面列出測試數據對比表格，如表1所示。

表1

4 結語

大功率直流電機的啟動沖擊電流不容忽視，直接影響到整個系統的穩定，本設計的具有軟啟動功能的大功率直流電機驅動電路，有效的減小了電機啟動電流，使電機平滑啟動，同時加入了反接保護，過壓保護，過流保護等功能，杜絕了實際使用中的常見問題的發生，是一個高可靠性的電機驅動電路，極大的提高了系統的可靠性和使用壽命，同時可以配置緩啟動時間和正反轉切換時間，增加了產品的適用性。