基于場(chǎng)效應(yīng)管的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　長期以來，直流電機(jī)以其良好的線性特性、優(yōu)異的控制性能等特點(diǎn)成為大多數(shù)變速運(yùn)動(dòng)控制和閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)的最佳選擇。特別隨著計(jì)算機(jī)在控制領(lǐng)域，高開關(guān)頻率、全控型第二代電力半導(dǎo)體器件(GTR、GTO、MOSFET、IGBT等)的發(fā)展，以及脈寬調(diào)制(PWM)直流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，直流電機(jī)得到廣泛應(yīng)用。為適應(yīng)小型直流電機(jī)的使用需求，各半導(dǎo)體廠商推出了直流電機(jī)控制專用集成電路，構(gòu)成基于微處理器控制的直流電機(jī)伺服系統(tǒng)。但是，專用集成電路構(gòu)成的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出功率有限，不適合大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)需求。因此采用N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)建H橋，實(shí)現(xiàn)大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。該驅(qū)動(dòng)電路能夠滿足各種類型直流電機(jī)需求，并具有快速、精確、高效、低功耗等特點(diǎn)，可直接與微處理器接口，可應(yīng)用PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速控制。

　　2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路總體結(jié)構(gòu)

　　直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路分為光電隔離電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯電路、驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大電路、電荷泵電路、H橋功率驅(qū)動(dòng)電路等四部分，其電路框圖如圖1所示。

　　由圖可以看出，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路的外圍接口簡單。其主要控制信號(hào)有電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向信號(hào)Dir電機(jī)調(diào)速信號(hào)PWM及電機(jī)制動(dòng)信號(hào)Brake，Vcc為驅(qū)動(dòng)邏輯電路部分提供電源，Vm為電機(jī)電源電壓，M+、M-為直流電機(jī)接口。

　　在大功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，將驅(qū)動(dòng)回路與控制回路電氣隔離，減少驅(qū)動(dòng)控制電路對(duì)外部控制電路的干擾。隔離后的控制信號(hào)經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯電路產(chǎn)生電機(jī)邏輯控制信號(hào)，分別控制H橋的上下臂。由于H橋由大功率N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成，不能由電機(jī)邏輯控制信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)，必須經(jīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大電路和電荷泵電路對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行放大，然后驅(qū)動(dòng)H橋功率驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。

　　3 H橋功率驅(qū)動(dòng)原理

　　直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用最廣泛的就是H型全橋式電路，這種驅(qū)動(dòng)電路方便地實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行，分別對(duì)應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動(dòng)。H橋功率驅(qū)動(dòng)原理圖如圖2所示。

　　H型全橋式驅(qū)動(dòng)電路的4只開關(guān)管都工作在斬波狀態(tài)。S1、S2為一組，S3、S4為一組，這兩組狀態(tài)互補(bǔ)，當(dāng)一組導(dǎo)通時(shí)，另一組必須關(guān)斷。當(dāng)S1、S2導(dǎo)通時(shí)，S3、S4關(guān)斷，電機(jī)兩端加正向電壓實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動(dòng)；當(dāng)S3、S4導(dǎo)通時(shí)，S1、S2關(guān)斷，電機(jī)兩端為反向電壓，電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動(dòng)。

　　實(shí)際控制中，需要不斷地使電機(jī)在四個(gè)象限之間切換，即在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間切換，也就是在S1、S2導(dǎo)通且S3、S4關(guān)斷到S1、S2關(guān)斷且S3、S4導(dǎo)通這兩種狀態(tài)間轉(zhuǎn)換。這種情況理論上要求兩組控制信號(hào)完全互補(bǔ)，但是由于實(shí)際的開關(guān)器件都存在導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，絕對(duì)的互補(bǔ)控制邏輯會(huì)導(dǎo)致上下橋臂直通短路。為了避免直通短路且保證各個(gè)開關(guān)管動(dòng)作的協(xié)同性和同步性，兩組控制信號(hào)理論上要求互為倒相，而實(shí)際必須相差一個(gè)足夠長的死區(qū)時(shí)間，這個(gè)校正過程既可通過硬件實(shí)現(xiàn)，即在上下橋臂的兩組控制信號(hào)之間增加延時(shí)，也可通過軟件實(shí)現(xiàn)。

　　圖2中4只開關(guān)管為續(xù)流二極管，可為線圈繞組提供續(xù)流回路。當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流通過主開關(guān)管流過電機(jī)。當(dāng)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子電流必須通過續(xù)流二極管流通，否則電機(jī)就會(huì)發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀。

　　4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

　　由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路框圖可以看出驅(qū)動(dòng)控制電路結(jié)構(gòu)簡單，主要由四部分電路構(gòu)成，其中光電隔離電路較簡單，在此不再介紹，下面對(duì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路的其他部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。

　　4.1 H橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　在直流電機(jī)控制中常用H橋電路作為驅(qū)動(dòng)器的功率驅(qū)動(dòng)電路。由于功率MOSFET是壓控元件，具有輸入阻抗大、開關(guān)速度快、無二次擊穿現(xiàn)象等特點(diǎn)，滿足高速開關(guān)動(dòng)作需求，因此常用功率MOSFET構(gòu)成H橋電路的橋臂。H橋電路中的4個(gè)功率MOSFET分別采用N溝道型和P溝道型，而P溝道功率MOSFET一般不用于下橋臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這樣就有兩種可行方案：一種是上下橋臂分別用2個(gè)P溝道功率MOSFET和2個(gè)N溝道功率MOSFET；另一種是上下橋臂均用N溝道功率MOSFET。

　　相對(duì)來說，利用2個(gè)N溝道功率MOSFET和2個(gè)P溝道功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方案，控制電路簡單、成本低。但由于加工工藝的原因，P溝道功率MOSFET的性能要比N溝道功率MOSFET的差，且驅(qū)動(dòng)電流小，多用于功率較小的驅(qū)動(dòng)電路中。而N溝道功率MOSFET，一方面載流子的遷移率較高、頻率響應(yīng)較好、跨導(dǎo)較大；另一方面能增大導(dǎo)通電流、減小導(dǎo)通電阻、降低成本，減小面積。綜合考慮系統(tǒng)功率、可靠性要求，以及N溝道功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用4個(gè)相同的N溝道功率MOSFET的H橋電路，具備較好的性能和較高的可靠性，并具有較大的驅(qū)動(dòng)電流。其電路圖如圖3所示。圖中Vm為電機(jī)電源電壓，4個(gè)二極管為續(xù)流二極管，輸出端并聯(lián)一只小電容C6，用于降低感性元件電機(jī)產(chǎn)生的尖峰電壓。