一种实用型直流电机控制电路的设计

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当前很多的直流电机控制电路一般都采用H桥驱动方案,H桥驱动结构由于开关器件数目较半桥结构增加了一倍,会造成系统成本和重量的增加,且死区时间的控制,不然很容易烧坏管子,使其应用受到了局限。虽然有一些集成驱IC的出现能缓解上述问题,但在大功率直流电机的驱动上仍显不足。本文介绍了一种主要由半桥驱动电路和转向控制电路共同组成的大功率直流电机控制电路的实现。

 

1 系统的组成以及工作原理

 

1.1 系统硬件结构

 

本系统主要由单片机、半桥驱动电路、转向控制电路、电机组成。图1是系统的硬件模块框图。

 

 

1.2 系统的工作原理

 

单片机根据外部采集到的信号发出相应的PWM信号,该PWM信号输出后送至半桥驱动集成芯片后控制半桥的开闭,半桥驱动电路的输出信号再经继电器控制电路配合单片机发出的正、反转控制信号来控制直流电机。整套硬件电路结构简单、调试方便能实现直流电机的调速和转向控制。

 

2 半桥驱动集成芯片的介绍

 

IR21844是国际整流器公司推出的多功能600 V高端及低端驱动集成电路,这种适于功率MOSFET、IGBT驱动的集成电路在照明镇流器、电源及电机等功率驱动领域中获得广泛的应用。IR21844的性能特点如下:

 

(1)芯片体积小,集成度高(可同时驱动同一桥臂的上、下两只开关器件);

      (2)驱动能力强,可驱动600 V的主电路系统,栅极驱动输入电压宽达10~20 V;

      (3)动态响应较快,典型Ton/Toff时间为680/270 ns;

      (4)输入输出同相设计。提供高端和低端独立控制驱动输出,可通过两个独立CMOS或LSTTL输入来控制,为设计带来了很大的灵活性;

      (5)低功耗设计,坚固耐用且防噪效能高,IR21844采用高压集成电路技术,整合设计既降低成本和简化电路,又降低设计风险和节省电路板的空间,相比于其他分立式、脉冲变压器及光耦解决方案,IR21844更能节省组件数量和空间,并提高可靠性;

 

 (6)具有电源欠压保护和关断逻辑。IR21844有两个非倒相输入及交叉传导保护功能,整合了专为驱动电机的半桥MOSFET或IGBT电路而设的保护功能。当电源电压降至4.7 V以下时,欠压锁定(UVLO)功能会立即关掉两个输出,以防止穿通电流及器件故障。当电源电压大于5 V时则会释放输出(综合滞后一般为0.3 V)。过压(HVIC)及防闭锁CMOS技术使IR21844非常坚固耐用;

 

 (7)IR21844还配备有大脉冲电流缓冲级,可将交叉传导减至最低;同时采用具有下拉功能的施密特(Schmitt)触发式输入设计,可有效隔绝噪音,以防止器件意外开通。

 

IR21844采用16脚DIP或SOIC封装,该芯片与其他同类产品的特性比较见表1。

从表1可看出IR21844比同类其他产品特性更优越、集成度更高。

 

IR21844的典型接线图如图2所示。

 

3 硬件电路的设计

 

3.1 半桥驱动电路

 

按照工作原理半桥驱动电路的设计如图3所示。

 

半桥驱动电路采用IXYS的HiperFET功率管组成半桥控制电路。上半桥的功率管经MOSFET保护电路中的电阻R3接到IR21844芯片的HO输出端,下半桥的功率管经MOSFET保护电路中的电阻R6接到IR21844芯片的LO输出端。HO和LO输出端受IR21844的IN输出端控制,IN端接收来自PIC单片机的PWM信号。在SD输入端为低电平时,IN输入信号被封锁无效,HO和LO输出端均为低电平;在SD输入端为高电平时,IN输入信号有效,HO输出端输出与IN信号同相的PWM信号,LO输出与IN信号反相的PWM信号。VT1和VT2功率管在有效的HO和LO输出信号下交互导通,此过程中HO和LO之间的死区时间必须控制好,以防止上、下半桥同时导通烧坏MOSFET管。在电路设计时可以通过调节DT端的输入电阻R7来控制死区时间的大小,设计中取R7=180 kΩ,死区时间可调节至5μs。图中C3为自举电容,当VT1关断,VT2开通时,VCC经D4,C3、负载、VT2给C3充电,以确保VT2关断,VT1开通时,VT1管的栅极靠C3上足够的储能来驱动,从而实现自举式驱动。如果负载阻抗较大,C3经负载降压充电降慢,使得VT2关断,VT1开通时C3上的电压仍不能充电到自举电压以上时,输出驱动信号会因欠压被片内逻辑封锁,VT1就不能正常工作,每个周期VT1开通一次,C3就通过VT2充电一次。因此C3的选取很关键,应根据电路系统的实际情况进行选取。

 

半桥驱动的输出信号然后去控制电机转向控制电路中的电机,从而实现电机的调速控制。

 

3.2 转向控制电路

 

电机转向控制电路采用继电器来控制,该套电路规模小,功耗小,正反转互锁、可靠性高。电路中共有3个继电器,每个继电器都有两组触点,一组常闭,一组常开。图4中的继电器JDQ3为转向控制电路的总进电端口,当X1为高电平24 V时,JDQ3得电,它的第3和第6触点之间的开关被吸合,转向控制电路就被上电。X4上电后即为24 V,若此时PIC35输出为高电平,PIC34输出为低电平,则三极管V1的输出为低电平,三极管V2的输出为高电平,此时只有JDQ2得电,故它的第3和第6触点之间的开关被吸合,此时可实现电机的反转。同理,在PIC35输出为低电平,PIC34输出为高电平时,三极管V2的输出为低电平,三极管V1的输出为高电平,此时只有JDQ1得电,故它的第3和第6触点之间的开关被吸合,此时可实现电机的正转。假设在电机正反转控制过程中,JDQ1和JDQ2同时得电,则电机停转,电路不会出现短路的情况,故正反转互锁、可靠性高。

 

4 结 语

 

本文介绍的电机控制电路控制原理成熟可靠,运行稳定,从实践结果来看,能实现对电机的良好控制,操作方便,运行可靠,实用性好.