基于场效应管的直流电机驱动控制电路设计

１ 引言
长 期 以 来，直 流 电 机 以 其 良 好 的 线 性 特 性 、优 异 的控制性能等特点成为大多数变速运动控制和闭 环位置伺服控制系统的最佳选择。特别随着计算机 在控制 领 域 ， 高 开 关 频 率 、全 控 型 第 二 代 电 力 半 导 体 器 件（ＧＴＲ、ＧＴＯ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ 等）的 发 展 ， 以 及 脉宽调制（ＰＷＭ）直 流调速技术 的应用， 直流 电机得 到广泛应用。为适应小型直流电机的使用需求， 各 半导体厂商推出了直流电机控制专用集成电路， 构 成基于微处理器控制的直流电机伺服系统。但是， 专用集成电路构成的直流电机驱动器的输出功率 有限， 不适合大功率直流电机驱动需求。因此采用 Ｎ 沟道增强型场效应管构建 Ｈ 桥， 实现大功率直流电 机驱动控制。该驱动电路能够满足各种类型直流电 机需求， 并具有快速、精确、高效、低功耗等特点， 可 直接与微处理器接口， 可应用 ＰＷＭ 技术实现直流
在大功率驱动系统中， 将驱动回路与控制回路 电气隔离， 减少驱动控制电路对外部控制电路的干 扰。隔离后的控制信号经电机驱动逻辑电路产生电 机逻辑控制信号， 分别控制 Ｈ 桥的上下臂。由于 Ｈ 桥由大功率 Ｎ 沟道增强型场效应管构成， 不能由电 机逻辑控制信号直接驱动， 必须经驱动信号放大电 路和电荷泵电路对控制信号进行放大， 然后驱动 Ｈ 桥功率驱动电路来驱动直流电机。
在直流电机控制中常用 Ｈ 桥电路作为驱动器 的功率驱动电路。由于功率 ＭＯＳＦＥＴ 是压控元件，具 有输 入 阻 抗 大 、开 关 速 度 快 、无 二 次 击 穿 现 象 等 特 点， 满足高速开关动作需求， 因此常用功率 ＭＯＳＦＥＴ 构成 Ｈ 桥电路的桥臂。Ｈ 桥电路中的 ４ 个功率 ＭＯＳＦＥＴ分别采用 Ｎ 沟道型和 Ｐ 沟道型， 而 Ｐ 沟道 功率 ＭＯＳＦＥＴ 一般不用于下桥臂驱动电机， 这样就 有两种可行方案： 一种是上下桥臂分别用 ２ 个 Ｐ 沟 道功率 ＭＯＳＦＥＴ 和 ２ 个 Ｎ 沟道功率 ＭＯＳＦＥＴ； 另一 种是上下桥臂均用 Ｎ 沟道功率 ＭＯＳＦＥＴ。
基于场效应管的直流电机驱动控制电路设计
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●应用与设计
基于场效应管的直流电机驱动控制电路设计
游志宇 １， 杜 杨 ２， 张 洪 １， 董秀成 １
（１．西华大学 电气信息学院， 四川 成都 ６１００３９； ２．中国科学院光电技术研究所， 四川 成都 ６１０２０９）
摘要：以 Ｎ 沟道增强型场效应管为核心， 基于 Ｈ 桥 ＰＷＭ 控制原理， 设计了一种直流电机正反转调
电机调速控制。
２ 直流电机驱动控制电路总体结构
直 流 电 机 驱 动 控 制 电 路 分 为 光 电 隔 离 电 路 、电 机 驱 动 逻 辑 电 路 、驱 动 信 号 放 大 电 路 、电 荷 泵 电 路 、 Ｈ 桥功率驱动电路等四部分， 其电路框图如图 １ 所 示。
图 １ 直流电机驱动控制电路框图 由图可以看出， 电机驱动控制电路的外围接口
图 ４ 简单电荷泵原理电路图
在驱动控制电路中， Ｈ 桥由 ４ 个 Ｎ 沟道功率 ＭＯＳＦＥＴ 组成。若要控制各个 ＭＯＳＦＥＴ， 各 ＭＯＳＦＥＴ 的门极电压必须足够高于栅极电压。通常要使 ＭＯＳＦＥＴ完全可靠导通， 其门极电压一般在 １０ Ｖ 以 上， 即 ＶＧＳ＞１０ Ｖ。对于 Ｈ 桥下桥臂， 直接施加 １０ Ｖ 以上的电压即可使其导通； 而对于上桥臂的 ２ 个 ＭＯＳＦＥＴ， 要使 ＶＧＳ＞１０ Ｖ， 就必须满足 ＶＧ＞Ｖｍ＋１０ Ｖ， 即驱动电路必须能提供高于电源电压的电压， 这就 要求驱动电路中增设升压电路， 提供高于栅极 １０ Ｖ 的电压。考虑到 ＶＧＳ 有上限要求， 一般 ＭＯＳＦＥＴ 导通 时 ＶＧＳ 为 １０ Ｖ～１５ Ｖ， 也就是控制门极电压随栅极 电压的变化而变化， 即为浮动栅驱动。因此在驱动 控制电路中设计电荷泵电路， 用于提供高于 Ｖｍ 的 电压 Ｖｈ， 驱动功率管的导通。其电路原理图如图 ５ 所示。
相对来说， 利用 ２ 个 Ｎ 沟道功率 ＭＯＳＦＥＴ 和 ２ 个 Ｐ 沟道功率 ＭＯＳＦＥＴ 驱动电机的方案， 控制电路 简单、成本低。但由于加工工艺的原因， Ｐ 沟道功率 ＭＯＳＦＥＴ 的性能要比 Ｎ 沟道功率 ＭＯＳＦＥＴ 的差， 且 驱动电流小， 多用于功率较小的驱动电路中。而 Ｎ 沟道功率 ＭＯＳＦＥＴ， 一方面载流子的迁移率较高、频 率响应较好、跨导较大； 另一方面能增大导通电流、 减小导通电阻、降低成本， 减小面积。综合考虑系统 功率、可靠性要求， 以及 Ｎ 沟道功率 ＭＯＳＦＥＴ 的优 点， 本设计采用 ４ 个相同的 Ｎ 沟道功率 ＭＯＳＦＥＴ 的 Ｈ桥电路， 具备较好的性能和较高的可靠性， 并具有 较大的驱动电流。其电路图如图 ３ 所示。图中 Ｖｍ 为 电机电源电压， ４ 个二极管为续流二极管， 输出端并 联一只小电容 Ｃ６， 用于降低感性元件电机产生的尖
图 ３ Ｈ 桥驱动电路
基于场效应管的直流电机驱动控制电路设计
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峰电压。 ４．２ 电荷泵电路设计
电荷泵的基本原理是通过电容对电荷的积累 效应而产生高压， 使电流由低电势流向高电势。最 早 的 理 想 电 荷 泵 模 型 是 Ｊ．Ｄｉｃｋｓｏｎ 在 １９７６ 年 提 出 的， 当时这种电路是为可擦写 ＥＰＲＯＭ 提供所需电 压。后来 Ｊ．Ｗｉｔｔｅｒｓ， Ｔｏｒｕ Ｔｒａｎｚａｗａ 等 人 对 Ｊ．Ｄｉｃｋｓｏｎ 的电荷泵模型进行改进， 提出了比较精确的理论模 型， 并通过实验加以证实提出了相关理论公式。随 着集成 电 路 的 不 断 发 展 ， 基 于 低 功 耗 、低 成 本 的 考 虑， 电荷泵在电路设计中的应用越来越广泛。
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＤＣ ｍｏｔｏｒ ｄｒ ｉｖｅｒ ｃｏｔｒ ｏｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＭＯＳＦＥＴ
ＹＯＵ Ｚｈｉ－ ｙｕ１， ＤＵ Ｙａｎｇ２， ＺＨＡＮＧ Ｈｏｎｇ１， ＤＯＮＧ Ｘｉｕ－ ｃｈｅｎｇ１
（１． Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｘｉｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３９， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１０２０９， Ｃｈｉｎａ）
３ Ｈ 桥功率驱动原理
直流电机驱动使用最广泛的就是 Ｈ 型全桥式 电路， 这种驱动电路方便地实现直流电机的四象限 运行， 分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。Ｈ 桥功率驱动原理图如图 ２ 所示。
图 ２ Ｈ 桥功率驱动原理图
Ｈ 型全桥式驱动电路的 ４ 只开关管都工作在斩 波状态， Ｓ１、Ｓ２ 为一组， Ｓ３、Ｓ４ 为一组， 这两组状态 互补， 当一组导通时， 另一组必须关断。当 Ｓ１、Ｓ２ 导 通时， Ｓ３、Ｓ４ 关 断 ， 电 机 两 端 加 正 向 电 压 实 现 电 机 的正转或反转制动； 当 Ｓ３、Ｓ４ 导通时， Ｓ１、Ｓ２ 关断， 电机两端为反向电压， 电机反转或正转制动。
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｈ－ ｂｒｉｄｇｅ ＰＷＭ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｄｒｉｖｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ＤＣ ｍｏｔｏｒ ｏｆ ｐｏｓ－ ｉｔｉｖｅ ｒｏｔａｔｉｏｎ，ｒｅｖｅｒｓｅ ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｐｅｅｄ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｏｆ Ｎ Ｃｈａｎｎｅｌ ＭＯＳＦＥＴ，ａｎｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｍｅｅｔｉｎｇ ｔｈｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｈｉｇｈ － ｐｏｗｅｒ ＤＣ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｈａｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓａｍｐｌｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｐｏｗｅｒｆｕｌ ｄｒｉｖｅ ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐ－ ｔｉｏｎ ｉｓ ｌｏｗ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ：Ｎ ｃｈａｎｎｅｌ ＭＯＳＦＥＴ； Ｈ ｂｒｉｄｇｅ； ＰＷＭ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｃｈａｒｇｅ ｐｕｍｐ； ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ； ＤＣ ｍｏｔｏｒ
简单电荷泵原理电路图如图 ４ 所示。电 容 Ｃ１ 的 Ａ 端通过二极管 Ｄ１ 接 Ｖｃｃ， 电容 Ｃ１ 的 Ｂ 端接振 幅 Ｖｉｎ 的方波。当 Ｂ 点电位为 ０ 时， Ｄ１ 导通， Ｖｃｃ 开始 对 电 容 Ｃ１ 充 电 ， 直 到 节 点 Ａ 的 电 位 达 到 Ｖｃｃ； 当 Ｂ 点电位上升至高电平 Ｖｉｎ 时， 因为电容两端电压不 能突变， 此时 Ａ 点电位上升为 Ｖｃｃ＋Ｖｉｎ。所以， Ａ 点的 电压就是一 个方波 ， 最 大 值 是 Ｖｃｃ＋Ｖｉｎ， 最 小 值 是 Ｖｃｃ （ 假设二极管为理想二极管） 。Ａ 点的方波经过简单 的整流滤波， 可提供高于 Ｖｃｃ 的电压。
电路中 Ａ 部分是方波发生电路， 由 ＲＣ 与反相 施密特触发器构成， 产生振幅为 Ｖｉｎ ＝５ Ｖ 的方波。Ｂ
图 ５ 电荷泵电路
部分是电荷泵电路， 由三阶电荷泵构成。当 ａ 点为低 电平时， 二极 管 Ｄ１ 导通电容 Ｃ１ 充电， 使 ｂ 点电 压 Ｖｂ ＝Ｖｍ–Ｖｔｎ； 当 ａ 点为 高电平时 ， 由于电容 Ｃ１ 电 压 不能突变， 故 ｂ 点电压 Ｖｂ ＝Ｖｍ ＋ Ｖｉｎ–Ｖｔｎ ， 此时二极 管 Ｄ２ 导通， 电容 Ｃ３ 充电， 使 ｃ 点电 压 Ｖｃ＝Ｖｍ＋Ｖｉｎ– ２Ｖｔｎ ； 当 ａ 点再为低电平时， 二极管 Ｄ１、Ｄ３ 导通， 分 别对电容 Ｃ１、Ｃ２ 充电， 使得 ｄ 点电压 Ｖｄ ＝ Ｖｍ＋ Ｖｉｎ –３Ｖｔｎ； 当 ａ 点 再 为 高 电 平 时 ， 由 于 电 容 Ｃ２ 电 压 不 能突变， 故 ｄ 点电压变为 Ｖｄ ＝ Ｖｍ ＋２Ｖｉｎ–３Ｖｔｎ ， 此时 二极管 Ｄ２、Ｄ４ 导通， 分 别 对 电 容 Ｃ３、Ｃ４ 充 电 ， 使 ｅ 点电压 Ｖｅ ＝ Ｖｍ ＋ ２Ｖｉｎ–４Ｖｔｎ 。这样如此循环， 便在 ｇ 点得到比 Ｖｍ 高 的电压 Ｖｈ ＝ Ｖｍ ＋ ３Ｖｉｎ–６Ｖｔｎ ＝ Ｖｍ ＋ １１．４ Ｖ。其中 Ｖｔｎ 为二极管压降， 一般取 ０．６ Ｖ。从而 保证 Ｈ 桥的上臂完全导通。 ４．３ 电机驱动逻辑与放大电路设计
实际控制中， 需要不断地使电机在四个象限之 间切换， 即在正转和反转之间切换， 也就是在 Ｓ１、Ｓ２ 导 通 且 Ｓ３、Ｓ４ 关 断 到 Ｓ１、Ｓ２ 关 断 且 Ｓ３、Ｓ４ 导 通 这 两种状态间转换。这种情况理论上要求两组控制信 号完全互补， 但是由于实际的开关器件都存在导通 和关断时间， 绝对的互补控制逻辑会导致上下桥臂 直通短路。为了避免直通短路且保证各个开关管动 作的协同性和同步性， 两组控制信号理论上要求互 为倒相， 而实际必须相差一个足够长的死区时间， 这个校正过程既可通过硬件实现， 即在上下桥臂的 两组控制信号之间增加延时， 也可通过软件实现。
速驱动控制电路， 满足大功率直流电机驱动控制。实验表明该驱动控制电路具有结构简单、驱动能
力强、功耗低的特点。
关 键 词： Ｎ 沟道增强型场效应管； Ｈ 桥； ＰＷＭ 控制； 电荷泵； 功率放大； 直流电机
中图分类号： ＴＭ３３
文献标识码： Ａ
文章编号： １００６－ ６９７７（２００８）０２－ ０００３－ ０４
简单。其主要控制信号有电机运转方向信号 Ｄｉｒ 电 机调速信号 ＰＷＭ 及电机制动信号 Ｂｒａｋｅ， Ｖｃｃ 为驱 动 逻 辑 电 路 部 分 提 供 电 源 ， Ｖｍ 为 电 机 电 源 电 压 ， Ｍ＋、Ｍ－ 为直流电机接口。
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《国外电子元器件》２００８ 年第 ２ 期 ２００８ 年 ２ 月
图 ２ 中 ４ 只开关管为续流二极管， 可为线圈绕 组提供续流回路。当电机正常运行时， 驱动电流通 过主开关管流过电机。当电机处于制动状态时， 电
机工作在发电状态， 转子电流必须通过续流二极管 流通， 否则电机就会发热， 严重时甚至烧毁。
４ 直流电机驱动控制电路设计
由直流电机驱动控制电路框图可以看出驱动 控制电路结构简单， 主要由四部分电路构成， 其中 光电隔离电路较简单， 在此不再介绍Biblioteka Baidu 下面对直流 电机驱动控制电路的其他部分进行详细介绍。 ４．１ Ｈ 桥驱动电路设计