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)

　　4.2 電荷泵電路設(shè)計(jì)

　　電荷泵的基本原理是通過電容對(duì)電荷的積累效應(yīng)而產(chǎn)生高壓，使電流由低電勢(shì)流向高電勢(shì)。最早的理想電荷泵模型是J.Dickson在1976年提出的，當(dāng)時(shí)這種電路是為可擦寫EPROM提供所需電壓。后來J.Witters，Toru Tranzawa等人對(duì)J.Dickson的電荷泵模型進(jìn)行改進(jìn)，提出了比較精確的理論模型，并通過實(shí)驗(yàn)加以證實(shí)提出了相關(guān)理論公式。隨著集成電路的不斷發(fā)展，基于低功耗、低成本的考慮，電荷泵在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越廣泛。

　　簡(jiǎn)單電荷泵原理電路圖如圖4所示。電容C1的A端通過二極管D1接Vcc，電容C1的B端接振幅Vin的方波。當(dāng)B點(diǎn)電位為0時(shí)，D1導(dǎo)通，Vcc開始對(duì)電容C1充電，直到節(jié)點(diǎn)A的電位達(dá)到Vcc；當(dāng)B點(diǎn)電位上升至高電平Vin時(shí)，因?yàn)殡娙輧啥穗妷翰荒芡蛔?，此時(shí)A點(diǎn)電位上升為Vcc+Vin。所以，A點(diǎn)的電壓就是一個(gè)方波，最大值是Vcc+Vin，最小值是Vcc(假設(shè)二極管為理想二極管)。A點(diǎn)的方波經(jīng)過簡(jiǎn)單的整流濾波，可提供高于Vcc的電壓。

　　在驅(qū)動(dòng)控制電路中，H橋由4個(gè)N溝道功率MOSFET組成。若要控制各個(gè)MOSFET，各MOSFET的門極電壓必須足夠高于柵極電壓。通常要使MOSFET完全可靠導(dǎo)通，其門極電壓一般在10 V以上，即VCS＞10 V。對(duì)于H橋下橋臂，直接施加10 V以上的電壓即可使其導(dǎo)通；而對(duì)于上橋臂的2個(gè)MOSFET，要使VGS>10 V，就必須滿足VG>Vm+10 V，即驅(qū)動(dòng)電路必須能提供高于電源電壓的電壓，這就要求驅(qū)動(dòng)電路中增設(shè)升壓電路，提供高于柵極10 V的電壓?？紤]到VGS有上限要求，一般MOSFET導(dǎo)通時(shí)VGS為10 V～15 V，也就是控制門極電壓隨柵極電壓的變化而變化，即為浮動(dòng)?xùn)膨?qū)動(dòng)。因此在驅(qū)動(dòng)控制電路中設(shè)計(jì)電荷泵電路，用于提供高于Vm的電壓Vh，驅(qū)動(dòng)功率管的導(dǎo)通。其電路原理圖如圖5所示。

　　電路中A部分是方波發(fā)生電路，由RC與反相施密特觸發(fā)器構(gòu)成，產(chǎn)生振幅為Vin=5 V的方波。B部分是電荷泵電路，由三階電荷泵構(gòu)成。當(dāng)a點(diǎn)為低電平時(shí)，二極管D1導(dǎo)通電容C1充電，使b點(diǎn)電壓Vb=Vm-Vtn；當(dāng)a點(diǎn)為高電平時(shí)，由于電容C1電壓不能突變，故b點(diǎn)電壓Vb=Vm+Vin-Vtn，此時(shí)二極管D2導(dǎo)通，電容C3充電，使c點(diǎn)電壓Vx=Vm+Vin-2Vtn；當(dāng)a點(diǎn)再為低電平時(shí)，二極管D1、D3導(dǎo)通，分別對(duì)電容C1、C2充電，使得d點(diǎn)電壓Vd=Vm+Vin-3Vtn；當(dāng)a點(diǎn)再為高電平時(shí)，由于電容C2電壓不能突變，故d點(diǎn)電壓變?yōu)閂d=Vm+2Vin-3Vtn，此時(shí)二極管D2、D4導(dǎo)通，分別對(duì)電容C3、c4充電，使e點(diǎn)電壓Ve=Vm+2Vin-4Vtn。這樣如此循環(huán)，便在g點(diǎn)得到比Vm高的電壓Vh=Vm+3Vin-6tn=Vm+11.4 V。其中Vm為二極管壓降，一般取0.6 V。從而保證H橋的上臂完全導(dǎo)通。

　　4.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯與放大電路設(shè)計(jì)

　　直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯及放大電路主要實(shí)現(xiàn)外部控制信號(hào)到驅(qū)動(dòng)H橋控制信號(hào)的轉(zhuǎn)換及放大?？刂菩盘?hào)Dir、PWM、Brake經(jīng)光電隔離電路后，由門電路進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生4個(gè)控制信號(hào)M1'、M2'、M3'、M4'，然后經(jīng)三極管放大，產(chǎn)生控制H橋的4個(gè)信號(hào)M1、M2、M3、M4。其電路原理圖如圖6所示。其中Vh是Vm經(jīng)電荷泵提升的電壓，Vm為電機(jī)電源電壓。

　　電機(jī)工作時(shí)，H橋的上臂處于常開或常閉狀態(tài)，由Dir控制，下臂由PWM邏輯電平控制，產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的控制電壓。該方案中，上臂MOSFET只有在電機(jī)換向時(shí)才進(jìn)行開關(guān)切換，而電機(jī)的換向頻率極低，低端由邏輯電路直接控制，邏輯電路的信號(hào)電平切換較快，可以滿足不同頻率要求。該電路還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，由于上臂開啟較慢，而下臂關(guān)斷較快，所以，實(shí)際控制時(shí)換向不會(huì)出現(xiàn)上下臂瞬間同時(shí)導(dǎo)通現(xiàn)象，減小了換向時(shí)電流沖擊，提高了MOSFET的壽命。

　　5 直流電機(jī)PWM調(diào)速控制

　　直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=(U-IR)/Kφ

　　其中U為電樞端電壓，I為電樞電流，R為電樞電路總電阻，φ為每極磁通量，K為電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

　　直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制可分為勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。勵(lì)磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速時(shí)受到磁飽和限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，而且由于勵(lì)磁線圈電感較大動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法用得很少。大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合都使用電樞電壓控制法。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，改變電樞電壓可通過多種途徑實(shí)現(xiàn)，其中PWM(脈寬調(diào)制)便是常用的改變電樞電壓的一種調(diào)速方法。

　　PWM調(diào)速控制的基本原理是按一個(gè)固定頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)接通和斷開的時(shí)間比(占空比)來改變直流電機(jī)電樞上電壓的"占空比"，從而改變平均電壓，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)其速度增加，電機(jī)斷電時(shí)其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。而且采用PWM技術(shù)構(gòu)成的無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)．啟停時(shí)對(duì)直流系統(tǒng)無沖擊，并且具有啟動(dòng)功耗小、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。

　　設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為Vmax，且設(shè)占空比為D=t／T，則電機(jī)的平均速度Vd為：

　　Vd=VmaxD

　　由公式可知，當(dāng)改變占空比D=t／T時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度Vd，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格地講，平均速度與占空比D并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可將其近似地看成線性關(guān)系。 在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路中，PWM信號(hào)由外部控制電路提供，并經(jīng)高速光電隔離電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯與放大電路后，驅(qū)動(dòng)H橋下臂MOSFET的開關(guān)來改變直流電機(jī)電樞上平均電壓，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)PWM調(diào)速。

　　6 結(jié)束語

　　以N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管為核心，基于H橋PWM控制的驅(qū)動(dòng)控制電路，對(duì)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制及速度調(diào)節(jié)具有良好的工作性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路運(yùn)行穩(wěn)定可靠，電機(jī)速度調(diào)節(jié)響應(yīng)快。能夠滿足實(shí)際工程應(yīng)用的要求，有很好的應(yīng)用前景。