较大功率直流电机驱动电路的设计方案

较大功率直流电机驱动电路的设计方案

1引言

直流电机具有优良的调速特性， 调速平滑、方便、调速范围广， 过载能力强， 可以

实现频繁的无级快速启动、制动和反转， 能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊运

行要求，因此在工业 控制领域，直流电机得到了广泛的应用。

许多半导体公司推出了直流电机专用驱动芯片, 但这些

芯片多数只适合小功率直流电 机，对于大功率直流电机的驱动，

其集成芯片价格昂贵。 了较大功率直流电机驱动电路设计中可能出现的各种问题， 于

25D60-24A 的直流电机驱动电路。

该电路驱动功率大，

用前景。

2 H 桥功率驱动电路的设计

无制动

能力， 也不能反向驱动，

电

因此这种驱动电路受到了很大的限制。 对于可逆变速 控制，H 桥型互 可逆驱动允许电流反向，

可以实现直流电机的四象限运

控制。而电机速度的 控制主要有三种,

调节电枢 电压、减

三种方法各有优缺点， 改变电枢回路电阻只能实现有级 调速，减弱磁通虽然能实现平滑调速，

但这种方法的调速范围不大，

一般都是配合变压 调速使用。 因此在直流调速系统中， 都是以变压调速为主， 通过PWM(P ulse Width Modulatio

n)信号占空比的调节改变电枢 电压的大小， 从而实现电机的平滑调速。

H 桥驱动原理

要控制电机的正反转， 需要给电机提供正反向 虫压，这就需要四路开关去控制电机两 个输入端的电压。当开关S1和S4闭合时，电流从电机左端流向电机的右端，

电机沿一

基于此，本文详细分析和探讨

有针对性设计和实现了一款基 抗干扰能力强，具有广泛的应

在直流电机中，可以采用GTR 集电极输出型和射极输出性驱动电路实现电机的驱动, 但是它们都属于不可逆变速 控制,其电流不能反向，

无制动能力， 也不能反向驱动, 机只能单方向旋转， 补对称式驱动电路使用最为广泛。

行，有效实现电机的正、反转 弱励磁磁通、改变电枢回路电阻。

个方向旋转；当开关S2和S3闭合时，电流从电机右端流向电机左端，电机沿另一个方向旋转，H桥驱动原理等效电路图如图1所示。

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图1 H桥驱动原理电路图

开关器件的选择及H桥电路设计

常用的电子开关器件有继电器，三极管，MOS管，IGBT等。普通继电器属机械器

件，开关次数有限，开关速度比较慢。而且继电器内部为感性负载，对电路的干扰比较大。但继电器可以把控制部分与被控制部分分开，实现由小信号控制大信号，高压控制中经常会用到继电器。三极管属于电流驱动型器件，设基极电流为IB,集电极电流为IC,三极管的放大系数为如果，IB* 3 >=IC,则三极管处于饱和状态，可以当作开关使用。要使三极管处于开关状态，IB= IC/ 3,三极管驱动管的电流跟三极管输出端的电流成正比，

如果三极管输出端电流比较大，对三极管驱动端的要求也比较高。MOS管属于电压驱动

型器件，对于NMOS来说，只要栅极电压高于源极电压即可实现NMOS的饱和导通，MOS管开启与关断的能量损失仅是对栅极和源极之间的寄生电容的充放电，对MOS管驱

动端要求不高。同时MOS端可以做到很大的电流输出，因此一般用于需要大电流的场所。IGBT则是结合了三极管和MOS管的优点制造的器件，一般用于200V以上的情况。

在本设计中，电机工作电流为，工作电压24V,电机驱动的控制端为51系列单片机，最

大灌电流为30mA.因此采用MOS管作为H桥的开关器件。MOS管又有NMOS和PMOS

之分，两种管子的制造工艺不同，控制方法也不同。NMOS导通要求栅极电压大于源极

电压（10V-15V）,而PMOS的导通要求栅极电压小于源极电压（10V-15V）。在本设计中，采用24V单电源供电，采用NMOS管的通断控制的接线如图2所示，只要G极电压在

10-15V的范围内，NMOS即可饱和导通，G极电压为0时，NMOS管关断。

采用PMOS管实现通断控制时，其接线如图3所示，G极电压等于电源电压VCC时

PMOS关断。

10V15V时，要使PMOS导通则G极电压为VCC-15V. PMOS的导通与关断，是在电源电压VCC与VCC-15V之间切换，当电源电压VCC较大时控制不方便。比较图2图

3可知：NMOS 位于负载的下方， 而PMOS 位于负载的上方，

用NMOS 和PMOS,替换

掉图1中的开关， 就可以组成由MOS 管组成的H 桥，如图4所示。

Q1和Q4导通，电机沿一个方向旋转，

Q2 本系统中， 电机的工作电压为 24V,即电源电压为 和关断的电压分别为 24V-15V=9V 和24V,而对于下管

(NMOS)来说，导通与关断电压分别 为15V 和0V,要想同时打开与关断上、下两管， 所用的控制电

路比较复杂。

而且，相同

工艺做出的 PMOS 要比NMOS 的工作电流小， PMOS 的成本高。 分别用PMOS 和NMOS 做上管与下管，

电路的对称性不好。 由于上述问题， 在构建H 桥的时候仅采用 NMOS 作

为功率开关器件。 用NMOS 搭建出的H 桥如图5

所示：

图 4 PMOS 和 NMOS

管构成的H 桥

和Q3导通电机沿另一个方向旋转。

在

24V,则要控制H 桥的上管(PMOS)导通

:A ：:

图5 NMOS 管构成的H 桥

5NMOS 管组成的H 桥中，首先分析由Q1和Q4组成的通路， 当Q1和Q4关断

点的电位处于"悬浮"状态（不确定电位为多少）（Q2和Q3也关断）。在打开Q4之前， Q1,给Q1的G 极15V 的电压， 由于A 点”悬浮”状态，则A 点可以是任何电平，

这样可能导致 Q1打开失败；在打开Q4之后，尝试打开Q1,在Q1打开之前，A 点为低电

位，给Q1的G 极加上15V 电压，Q1打开，由于Q1饱和导通，A 点的电平等于电源 电压（本系统中电源电压为 24V ），此时Q1的G 极电压小于 Q1的S 极电压，Q1关断，Q1 打开失败。Q2和Q3的情况与

Q1和Q4相似。

须处理好A 点（也就是上管的S 极）"悬浮”的问题。 浮地".要使上管NMOS 打开， 必须使上管的 G 需要采用升压电路。

H 桥控制器

率控制中一般采用在两次状态转变中插入 "死区"的方法来防止瞬时的短路。在选择 H 桥垄

本系统中采用IR2103作为NMOS 控制器，IR2103内部集成升压电路， 外部仅需要

一个自举电容和一个自举二极管即可完成自举升压。

IR2103内部集成死区升成器，

可以

时，A 先打开 要打开由NMOS 构成的H 桥的上管，必 由于NMOS 的S 极一般接地， 被称为" 极相对于浮地有10-

15V 的电压差， 这就

在H 桥的驱动中，除了考虑上管的升压电路外，

还要考虑到在

管（如图5中的Q1和Q3）不能同时导通。 如果上管和下管同时导通， 路，可能会烧毁 MOS 管或电源， 即使很短时间的短路现象也会造成 H 桥同臂的上管和下

相当于从电源到地短

MOS 的发热。在功

制器的时候最好满足上述两种逻辑条件,

又用足够大的驱动电流来驱动 NMOS 。

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