基于DSC的直流電機(jī)半橋驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

　　摘要：由于直流電機(jī)能實(shí)現(xiàn)方便的平滑調(diào)速且啟動(dòng)性能好的特性，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。目前，直流電機(jī)通常采用H橋電路進(jìn)行控制，在控制大電流電機(jī)的情況下，控制電路的體積大，電路元件多，導(dǎo)致可靠性下降，電路成本也較高。本文提出了一種半橋控制電路，在不降低控制性能的前提下，減少了大功率的電路元件的使用，不但降低了成本，提高了電路的可靠性，而且還具有很好的擴(kuò)展性。

　　引言

　　與交流電機(jī)相比，直流電機(jī)具有調(diào)速性能優(yōu)異，啟動(dòng)迅速，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，帶負(fù)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。因此在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

　　目前，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路通常是采用DSP通過(guò)一個(gè)H橋電路發(fā)送PWM控制脈沖，控制直流電機(jī)以一定的速度和方向旋轉(zhuǎn)。而實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中，大多只需要直流電機(jī)在單一方向上以一定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，不需要進(jìn)行頻繁的正反轉(zhuǎn)切換。因此針對(duì)上述需求，若仍采用H橋電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生電路冗余，增加了硬件成本，降低了硬件電路的可靠性。因此，本文采用了一種半橋驅(qū)動(dòng)電路模式。該電路在保證直流電機(jī)達(dá)到優(yōu)異的運(yùn)行性能的前提下，簡(jiǎn)化了電路復(fù)雜度，提高了電路可靠性。同時(shí)在此電路的基礎(chǔ)上增加簡(jiǎn)單的外圍控制電路就能夠很方便地切換電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，而無(wú)需額外增加大功率MOS管開(kāi)關(guān)電路。

　　系統(tǒng)原理及構(gòu)成

　　圖1為系統(tǒng)總體功能框圖。由圖可知，該系統(tǒng)為一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。DSC發(fā)出PWM信號(hào)給半橋驅(qū)動(dòng)電路。半橋驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)PWM控制信號(hào)向直流電機(jī)提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓并輸出驅(qū)動(dòng)電流，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。該驅(qū)動(dòng)電流被電流傳感器檢測(cè)后，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓值反饋給DSC的A/D轉(zhuǎn)換輸入接口，DSC程序根據(jù)該電壓值判斷輸出給直流電機(jī)的電流大小是否超出直流電機(jī)的額定電流值，若超出該額定電流，就立即停止驅(qū)動(dòng)輸出，以防止直流電機(jī)因過(guò)流而燒毀。同時(shí)，直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度經(jīng)編碼器轉(zhuǎn)換成一組正交脈沖信號(hào)，發(fā)送到DSC的正交編碼器輸出接口，以判斷直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度是否符合預(yù)設(shè)的旋轉(zhuǎn)速度值。計(jì)算出二者之間的誤差，并采用PID算法調(diào)整PWM的輸出參數(shù)，最后輸出調(diào)整后的PWM控制信號(hào)給半橋驅(qū)動(dòng)電路。

　　器件選型

　　為最大程度地保證對(duì)直流電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的采樣精度和控制的實(shí)時(shí)性，本系統(tǒng)采TI公司的高性能數(shù)字信號(hào)控制器TMS320F2810作為主控芯片。該芯片最高主頻為150MHz，內(nèi)核是基于32位架構(gòu)的DSP處理器，由于對(duì)數(shù)學(xué)運(yùn)算進(jìn)行了優(yōu)化，因此可以對(duì)各種復(fù)雜算法進(jìn)行高效的處理，專門針對(duì)諸如電機(jī)控制、數(shù)字電源、清潔能源以及雷達(dá)等多種實(shí)時(shí)控制應(yīng)用領(lǐng)域提供的高性能控制平臺(tái)。片上集成了最多16通道的12位ADC輸入接口，2個(gè)正交編碼器接口(QEP)，4路可獨(dú)立輸出的PWM接口等多種外設(shè)，能夠完全滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

　　在半橋控制中，需要采用互補(bǔ)的PWM信號(hào)分別控制上、下兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，并且還必須要絕對(duì)避免這兩個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)，否則將會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的供電電源對(duì)地形成短路。因此，必須在互補(bǔ)的PWM信號(hào)輸出中加上死區(qū)控制。為了簡(jiǎn)化電路，本系統(tǒng)選擇了專用的半橋控制芯片IR2183控制半橋開(kāi)關(guān)管的工作。IR2183是國(guó)際整流器公司推出的600V半橋驅(qū)動(dòng)器，具有獨(dú)立的高、低端輸入，兼容3.3V、5V邏輯，柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍達(dá)到10~20V，柵極驅(qū)動(dòng)電流變化率很低，抗干擾能力強(qiáng)，并且具有欠壓保護(hù)。IR2183內(nèi)部還設(shè)置有固定死區(qū)控制邏輯，能夠很好地防止上下兩路PWM信號(hào)在轉(zhuǎn)換時(shí)的瞬間短路現(xiàn)象。

　　由于電機(jī)的額定電流為6A，為了防止因過(guò)流而燒毀電機(jī)，本系統(tǒng)采用一個(gè)電流傳感器ACS712來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流入電機(jī)的電流。該芯片是基于霍爾效應(yīng)的線性電流傳感器，檢測(cè)精度高，具有66~185mV/A的檢測(cè)靈敏度，輸出電壓與被檢測(cè)電流成比例，并且電流感應(yīng)端口和電壓輸出端口之間具有2.1kVRMS的電壓隔離，能夠很好的保護(hù)后級(jí)DSC的AD輸入電路。