直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

　　驅(qū)動(dòng)電路的性能很大程度上影響整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。有許多問(wèn)題需要慎重設(shè)計(jì)，例如，導(dǎo)通延時(shí)、泵升保護(hù)、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)、開(kāi)關(guān)頻率、附加電感的選擇等。

1.開(kāi)關(guān)頻率和主回路附加電感的選擇

　　力矩波動(dòng)也即電流波動(dòng)，由系統(tǒng)設(shè)計(jì)給定的力矩波動(dòng)指標(biāo)為ΔI/I_N，對(duì)有刷直流電動(dòng)機(jī)而言，通常在(5~10)%左右。為了便于分析可認(rèn)為

　　ΔI/I_N=ΔI/(U_s/R_d)                                  (1)

　　式中R_d為電樞回路總電阻。代入前面各種驅(qū)動(dòng)控制方式的ΔI表達(dá)式中，消去U_s，可求出：

　　對(duì)于單極性控制

               L_d/R_d≥5T~2.5T(可逆或不可逆)                              (2)

　　對(duì)于雙極性控制

               L_d/R_d≥10T~5T                                            （3）

　　式中T為功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)周期。

　　對(duì)于有刷直流電動(dòng)機(jī)，電磁時(shí)間常數(shù)L_d/R_d一般在10ms至幾十毫秒。若采用GTR，開(kāi)關(guān)頻率可取2KHz左右，T=0.5ms。若采用IGBT，開(kāi)關(guān)頻率可取18KHz以上，所以上式均能滿足。若采用GTO或可控硅功率器件，由于工作頻率只有100Hz左右，此時(shí)應(yīng)考慮在主回路附加電抗器，且

                             L_d=L_f+L_a                                    (4)

　　對(duì)不可逆系統(tǒng)還應(yīng)進(jìn)一步檢查臨界電流，I_aL=U_sT/8L_d≤I_a0應(yīng)小于電機(jī)空載電流，防止空載失控。

　　對(duì)于低慣量電機(jī)、力矩電動(dòng)機(jī)，由于電磁時(shí)間常數(shù)很?。◣讉€(gè)毫秒或更小），此時(shí)應(yīng)考慮采用開(kāi)關(guān)頻率高的IGBT功率開(kāi)關(guān)器件。

2. 功率驅(qū)動(dòng)電路的選擇

             圖1 H橋開(kāi)關(guān)電路(Ⅰ)                             圖2 H橋開(kāi)關(guān)電路(Ⅱ){{分頁(yè)}}

　　小功率驅(qū)動(dòng)電路可以采用如圖1所示的H橋開(kāi)關(guān)電路。U_A和U_B是互補(bǔ)的雙極性或單極性驅(qū)動(dòng)信號(hào)，TTL電平。開(kāi)關(guān)晶體管的耐壓應(yīng)大于1.5倍U_s以上。由于大功率PNP晶體管價(jià)格高，難實(shí)現(xiàn)，所以這個(gè)電路只在小功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)中使用。當(dāng)四個(gè)功率開(kāi)關(guān)全用NPN晶體管時(shí)，需要解決兩個(gè)上橋臂晶體管(BG₁和BG₃)的基極電平偏移問(wèn)題。圖2中H橋開(kāi)關(guān)電路利用兩個(gè)晶體管實(shí)現(xiàn)了上橋臂晶體管的電平偏移。但電阻R上的損耗較大，所以也只能在小功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)中使用。

　　當(dāng)驅(qū)動(dòng)功率比較大時(shí)，一般橋臂電壓也比較高，例如直接取工頻電壓，單相220V，或三相380V。為了安全和可靠，希望驅(qū)動(dòng)回路（主回路）與控制回路絕緣。此時(shí)，主回路必須采用浮地前置驅(qū)動(dòng)。圖3所示的浮地前置驅(qū)動(dòng)電路都是互相獨(dú)立的，并由獨(dú)立的電源供電。由于前置驅(qū)動(dòng)電路中采用了光電耦合，使控制信號(hào)分別與各自的前置驅(qū)動(dòng)電路電氣絕緣，于是使控制信號(hào)對(duì)主回路浮地（或不共地）。

圖3 大功率驅(qū)動(dòng)電路

3. 具有光電耦合絕緣的前置驅(qū)動(dòng)電路

　　對(duì)于大功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，希望將主回路與控制回路之間實(shí)行電氣隔離，此時(shí)常采用光電耦合電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。有三種常用的光電耦合電路如圖4所示，其中普通型的典型型號(hào)是4N25、117等，高速型的典型型號(hào)有985C，高電流傳輸比型也稱(chēng)達(dá)林頓型，典型型號(hào)有113等。

圖4 典型光電耦合器電路{{分頁(yè)}}

　　圖中，普通型光耦的I_c/I_d=0.1~0.3；高速型光耦采用光敏二極管；高電流傳輸比型光耦的I_c/I_d=0.5；它們的上升延時(shí)時(shí)間和關(guān)斷延時(shí)時(shí)間分別為t_r，t_s>4~5µs；t_r，t_s<1.5µs；t_r，t_s為10µs左右。

　　光電耦合器與后續(xù)電路結(jié)合就能構(gòu)成前置驅(qū)動(dòng)電路，如圖5所示。這個(gè)前置驅(qū)動(dòng)電路的上升延時(shí)t_r——3.9µs，關(guān)斷延時(shí)t_s——1.6µs，可以在中等功率系統(tǒng)中使用。

圖5 前置驅(qū)動(dòng)電路

　　為了對(duì)功率開(kāi)關(guān)提供最佳前置驅(qū)動(dòng)，現(xiàn)在已有很多專(zhuān)用的前置驅(qū)動(dòng)模塊。這種驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)功率開(kāi)關(guān)提供理想前置驅(qū)動(dòng)信號(hào)，保證功率開(kāi)關(guān)迅速導(dǎo)通，迅速關(guān)斷，對(duì)功率開(kāi)關(guān)的飽和深度進(jìn)行最佳控制，對(duì)功率開(kāi)關(guān)的過(guò)電流、過(guò)熱進(jìn)行檢測(cè)和保護(hù)。例如，EX356、EX840等等。

4. 防直通導(dǎo)通延時(shí)電路

　　對(duì)H橋驅(qū)動(dòng)電路上下橋臂功率晶體管加互補(bǔ)信號(hào)，由于帶載情況下，晶體管的關(guān)斷時(shí)間通常比開(kāi)通時(shí)間長(zhǎng)，這樣，例如當(dāng)下橋臂晶體管未及時(shí)關(guān)斷，而上橋臂搶先開(kāi)通時(shí)就出現(xiàn)所謂“橋臂直通”故障。橋臂直通時(shí)電流迅速變大，造成功率開(kāi)關(guān)損壞。所以設(shè)置導(dǎo)通延時(shí)，是必不可少的。圖6是導(dǎo)通延時(shí)電路及其波形。

圖6 導(dǎo)通延時(shí)電路及波形

　　導(dǎo)通延時(shí)，有時(shí)也稱(chēng)死區(qū)時(shí)間，可通過(guò)RC時(shí)間常數(shù)來(lái)設(shè)置；對(duì)GTR可按0.2µs/A來(lái)設(shè)置；對(duì)MOSFET可按0.1~0.2µs設(shè)計(jì)，且與電流無(wú)關(guān)，IGBT可按2~5µs設(shè)計(jì)。舉例說(shuō)明，若為GTR，f=5kHz，雙極性工作，調(diào)寬區(qū)域?yàn)門(mén)/2=1/10=0.1ms。若I=100A，則Δt=0.2X100=20µs，則PWM調(diào)制分辨率最大可能性為

                       (T/2)Δt=0.1/0.02=5                                 (5)

　　這說(shuō)明死區(qū)時(shí)間占據(jù)了調(diào)制周期的1/5，顯然是不可行的。所以對(duì)于100A的電機(jī)系統(tǒng)，GTR的開(kāi)關(guān)頻率必須低于5kHz。例如，2kHz以下，此時(shí)分辨率達(dá)12.5左右。

    驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)還有很多問(wèn)題，例如過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱、泵升保護(hù)等等。