低电压大功率直流电机驱动器

* 国家自然科学基金资助项目 ( 61075029)
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2009 , 36 ( 12 )
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
控制与应用 技术
EMC A
1 基于 PWM 的 H 桥功率驱动原理
在直流电机驱动中, 使用最广泛的就是基于 PWM 的 H 型全桥驱动电 路
[ 1 2]
路、 电机驱动逻辑、 上桥臂逻辑电源、 H 桥功率驱 动电路四部分, 其功能框图如图 2 所示。
。这种驱 动电路
可以实现直流电机的四象限运行, 完成电机正、 反 转控制, 通过对 P WM 信号占空比的调节实现电 机的调速。 典型的 H 型全桥驱动电路 及其等效原理图 如图 1 所示 。它由 4 个功率管和一个电机构 成。在等效原理图中 , 功率管可以等效为开关和 续流二极管 , S1 和 S4 为一组, S3 和 S2 为一组, 两 组开关管状态互补, 当一组导通时, 另一组必须断 [ 3] 开 。
A H igh Pow er Low L ogic Voltage DC M otor D river
CHEN X i , SUI Long (1 . Co llege of In fo r m ation and Comm unication Eng ineering, H arb in Eng in eerin g Un iv ersity, H arbin 150001 , China ; 2 . Co llege o fM echanical E lectrical Eng in eering, H arbin Eng ineering Un iv ersity, H arb in 150001 , Ch in a)
图 2 直流电机驱动控制电路框图
[2 , 4]
为了给电机提供大的输出功率 , 设计中采用 I RF3808 场效应管作为功率输出器件。该器件输 出功率大, 工作稳定 , 可以为负载提供最高 75 V 的驱动电压 , 最大 140 A 的驱动电流 , 开起电压只 需 4 V, 开起时等效电阻 R ds只有 7 m , 因此完全
12 图 6 死区时间生成电路
输入 PWM 信号和输出 PWM _OUT 信号分别 作为与非门和或非门的输入信号 , 从而使与非门 和或非门的输出逻辑没有 01 状态 , 即 : 同侧的上
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下桥臂不会同时导通 , 可以作为 H 桥驱动电路的 半桥臂逻辑输入信号。当输出逻辑为 10 状态时, 上下桥臂全部截止, 其维持时间即为死区时间。 在死区电路设计中, 为了提高输入信号的稳 定性, 与非逻辑和或非逻辑均使用三极管实现 , 如 图 7 所示。这种实现方式不仅能正确实现逻辑运 算 , 而且运算速度要比采用逻辑芯片快得多, 同时 对信 号相位 的影响 也较 小, 从 而提高 驱动 电路 PWM 输入信号的最大允许频率。
( b) 下桥臂结电容充放电电路
图 4 结电容充放电电路
对下桥臂来说, 结电容充电电路高电平有效。 当输入 in1_dow n为高电平时 , Q 9 导通 , Q7 的 V c > Vb, 因此 Q7 导通, 电源通 过 Q7、 Q 8 为 结电容 充 电 ; in1_dow n 为低电平时, Q9 截止, Q12导通, 结电 容通过 Q 12放电。 在结电容的充 /放 电电路中, 电阻 R 5 (R 15 ) 的 功能是不同的。在充电过程中, R 5 两端电压比逻 辑电压低一个三极管 压降, 约为 Vcc - 0 . 6 V, 使 Q 2 导通 , 此时如果 R 5 阻值过小 , 可能会烧毁 R 5, 导致充电失败; 放电过程中, R 5 为 Q 5 提供基极电
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0 引
言
芯片的出现使电机驱动变得简单 , 但专用芯片构 成的直流电机驱动器输出功率有限 , 不适合大功 率直流电机驱动 , 而市场上仅有的大功率集成驱 动芯片价格极高, 如 SA01 一片驱动芯片 的价格 约为 3 000 元。 在大功率脉宽调制 ( PWM ) 电机驱动的设计 中 , 由于器件的非对称性, 使得上下桥臂驱动特性 不一致 , 导致直通和上桥臂烧毁现象发生。 综合以上问题 , 本文采用 N 沟道增强型场效 应管 IRF3808 构建 H 桥, 引入死区逻辑 , 设计了 一种驱动逻辑完全由高耐压三级管构成的低电压 大功率直流电机驱动器。其电路的最低 PWM 输 入逻辑高电平为 3. 3 V, 逻辑工作电压 5 V, 电机 驱动电压小于 75 V, 驱动电流由场效应管决定。
图 5 上桥臂浮地逻辑电源
2 . 3 死区时间生成电路设计 由于 MOSFET 等功率器件都存在结电容, 结
( a) 上桥臂结电容充放电电路
电容会造成器件导通、 关断的延迟 , 导致上、 下桥 臂存在同时导通的可能。当 H 桥驱动电路的一 侧发生直通时, 将会在极短的时间内产生很大的 电流直接从电源流到地 , 产生 shoo t through 现象, 从而烧毁驱动管。为了防止直通现象的发生, 电 路中设计了死区时间生成电路, 确保同侧的桥臂 不会出 现同时 导通 的现 象。 如图 6 所示 , 输 入 PWM 信号经阻容电路和非门整形后, 其输出信号 PWM _OUT 相对于输入信号会产生滞后 , 滞后时 间由 R 13和 C 7 决定。
随着直流电机在许多大型机械系统中的广泛 使用, 许多半导体厂商推出了直流电机专用驱动 芯片, 如 I R 公司的 IR2112 、IR2105 等。但是 , 这 些芯片通常都需要 10 V 左右甚至更高的逻辑工 作电压 , 使得该类芯片在低逻辑电压工作场合应 用时, 如在 5 V 系统中需要配合升压电路 , 给系统 电源的设计增加了负担。 除此之外, 为适应小型直流电机的使用需求, 许多公司还推出了直流电机专用集成芯片, 如美 国国家半导体公司 ( NS) 推出的专用电机驱动 H 桥组件 LMD18200 , 其工作电压高达 55 V, 峰值输 出电流高达 6 A, 连续输出电流达 3 A。尽管集成
大功率直流电 机驱动电路分 为光电隔 离电
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效 , 其 放 电 采 用 自 举 放 电 机 制。 当 输 入 电 压 in 1_up 为低电平时 , Q1 导通 , Q2 等效为二极管, 也 导通, 由于二极管两端有约 0 . 7 V 压降 , 因此 Q 5 的 Vc < Vb, 从而 Q 5 截止, 电源通过 Q1、 Q 2 对场效 应管的结电容 C iss充电 , 当 Uc iss > 4 V 时 , 场效应 管开起 ; 当 in1_up 为高电平时, Q 1 截止 , 此时 Q 5 的 Vc > Vb, Q 5 导通 , 结电容通过 Q5 放电, 关闭场 效应管。
计了一款专门针对低电 压大功率直流电机的电机驱动器。该 驱动器提供 死区时间 生成逻辑 , 仅 需一路 PWM 输入信号便可实现电机 的正、 反转及调 速控制。 试验测 试表明 , 该驱 动器具 有工作电 压低 , 输出 功率 大的特 点 , 且其四个桥臂通过死区生成电路可共享一个 P WM 输入信号 , 从而能够简化驱动软件的设计。 关键词 : 大功率直流电机驱动器 ; IRF3808; H 桥 中图分类号 : TM 33 文献标识码 : A 文章编号 : 1673 6540( 2009) 12 0010 04
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低电压大功率直流电机驱动器
陈 曦 ,
1
*
隋
龙
2
( 1. 哈尔滨工程大学 信通学院, 黑龙江 哈尔滨 2. 哈尔滨工程大学 自动化学院 , 黑龙江 哈尔滨
摘
150001; 150001)
要 : 采用 I RF3808 场效应管作为功率输出器件 , 基于直流电机的 H 桥脉宽调 制 ( PWM ) 控制 原理 , 设
图 3 M O SFET 管的等效电路
从 MOSFET 管的等效电路来看 , 其 G S 间存 在结电容 C iss, 对 I R F3808 来说 , 其结电容为 5 310 pF , 结电容两端的电压决定 栅极电压 , 控制开 关管的开起和关断。当开关管开起时 , 驱动电路 对结电容 C iss 充电 ; 当开 关管 关断 时, 结电容 放 电。因此, MOSFET 管的驱动可等价为结电容 C iss 的充放电过程
图 1 H 桥功率驱动原理图
可以不使 用散热片 [ 5] 效电路图 。
[ 4]
。图 3 为 MOSFET 管 的等
要使电机进行正向或逆向旋转 , 必有一对位 于对角线位置上的驱动管导通。当 S1 和 S4 导通 时 , S3 和 S2 关断, 此时电机两端加正向电压实现 正转 (或反转 )。续流二极管为 电机绕组提供续 流回路 , 当电机正常运转时 , 驱动电流通过导通开 关流过电机 ; 当电机处于制动状态时 , 电机线圈内 的感应电势通过续流二极管导通 , 否则会烧毁场 效应管。 PWM 调速的基本原理是使开关信号按某一 固定频率接通或断开, 通过调节开关信号在一个 周期内的通断时间比 ( 占空比 ) 来调节信号平均 电压。当 H 桥驱动电路采用 PWM 控制时, 各开 关管会根据 PWM 信号交替地导通 /关 断 , 交变的 PWM 信号叠加到电机两端产生恒定的平均电压, 从而控制电机转速 , 而 PWM 信号的相位可以控 制电机的转向。当驱动信号的占空比为 50 % 时, 正负脉宽相等, 此时电机失去驱动转矩而停转。
Abstract : A h igh powe r and low log ic vo ltage DC mo to r driver based on the H bridge P WM contro l using I RF 3808 as its pow er output dev ices is propo sed. T he driver w ith dead ti m e generation log ic can con tro l the DC mo tor ro tate in a positive or reverse w ay and regu late the revo lv ing speed. T he experi m ent show s that the dr ive r has the characteristics of lo w wo rking vo ltage and high pow er output . A nd the H bridge can be contro lled by one P WM signa l because o f the dead ti m e g eneration c ircu it so that the design o f the so ftwa re can be si m plified . K ey word s : h igh pow er DC m otor dr ive ; IRF3808; H bridge