直流电机驱动电路的设计说明.doc

. . . . .直流电机驱动电路的设计作者：不详 阅读： 时间：2007-12-10来源：电子元器件网发表评论驱动电路的性能很大程度上影响整个系统的工作性能。有许多问题需要慎重设计，例如，导通延时、泵升保护、过压过流保护、开关频率、附加电感的选择等。1.开关频率和主回路附加电感的选择力矩波动也即电流波动，由系统设计给定的力矩波动指标为I/IN，对有刷直流电动机而言，通常在(510)%左右。为了便于分析可认为I/IN=I/(Us/Rd) (1)式中Rd为电枢回路总电阻。代入前面各种驱动控制方式的I表达式中，消去Us，可求出：对于单极性控制 Ld/Rd5T2.5T(可逆或不可逆) (2)对于双极性控制 Ld/Rd10T5T （3）式中T为功率开关的开关周期。对于有刷直流电动机，电磁时间常数Ld/Rd一般在10ms至几十毫秒。若采用GTR，开关频率可取2KHz左右，T=0.5ms。若采用IGBT，开关频率可取18KHz以上，所以上式均能满足。若采用GTO或可控硅功率器件，由于工作频率只有100Hz左右，此时应考虑在主回路附加电抗器，且 Ld=Lf+La (4)对不可逆系统还应进一步检查临界电流，IaL=UsT/8LdIa0应小于电机空载电流，防止空载失控。对于低惯量电机、力矩电动机，由于电磁时间常数很小（几个毫秒或更小），此时应考虑采用开关频率高的IGBT功率开关器件。2.功率驱动电路的选择 图1 H桥开关电路() 图2 H桥开关电路()凡本网注明稿件来源：“电子产品世界或者EEPW”的所有文字、图片和音视频稿件，版权均属电子产品世界所有，任何媒体、网站或个人在转载、链接、转贴或以其他方式复制发表时必须注明稿件来源：“电子产品世界”并署作者名称。小功率驱动电路可以采用如图1所示的H桥开关电路。UA和UB是互补的双极性或单极性驱动信号，TTL电平。开关晶体管的耐压应大于1.5倍Us以上。由于大功率PNP晶体管价格高，难实现，所以这个电路只在小功率电机驱动中使用。当四个功率开关全用NPN晶体管时，需要解决两个上桥臂晶体管(BG1和BG3)的基极电平偏移问题。图2中H桥开关电路利用两个晶体管实现了上桥臂晶体管的电平偏移。但电阻R上的损耗较大，所以也只能在小功率电机驱动中使用。原文位置 当驱动功率比较大时，一般桥臂电压也比较高，例如直接取工频电压，单相220V，或三相380V。为了安全和可靠，希望驱动回路（主回路）与控制回路绝缘。此时，主回路必须采用浮地前置驱动。图3所示的浮地前置驱动电路都是互相独立的，并由独立的电源供电。由于前置驱动电路中采用了光电耦合，使控制信号分别与各自的前置驱动电路电气绝缘，于是使控制信号对主回路浮地（或不共地）。图3 大功率驱动电路原文位置 3.具有光电耦合绝缘的前置驱动电路原文位置 对于大功率驱动系统，希望将主回路与控制回路之间实行电气隔离，此时常采用光电耦合电路来实现。有三种常用的光电耦合电路如图4所示，其中普通型的典型型号是4N25、117等，高速型的典型型号有985C，高电流传输比型也称达林顿型，典型型号有113等。图4 典型光电耦合器电路凡本网注明稿件来源：“电子产品世界或者EEPW”的所有文字、图片和音视频稿件，版权均属电子产品世界所有，任何媒体、网站或个人在转载、链接、转贴或以其他方式复制发表时必须注明稿件来源：“电子产品世界”并署作者名称。直流电机驱动电路设计(转)分类:设计基础2007.6.29 22:39 作者：dianzitang | 评论：1 | 阅读：5246 一、直流电机驱动电路的设计目标在直流电机驱动电路的设计中，主要考虑一下几点：1. 功能：电机是单向还是双向转动？需不需要调速？对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可，当电机需要双向转动时，可以使用由4个功率元件组成的H桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。如果不需要调速，只要使用继电器即可；但如果需要调速，可以使用三极管，场效应管等开关元件实现PWM（脉冲宽度调制）调速。 2. 性能：对于PWM调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标。1）输出电流和电压范围，它决定着电路能驱动多大功率的电机。2）效率，高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。要提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通（H桥或推挽电路可能出现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路）入手。3）对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。4）对电源的影响。共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染；大的电流可能导致地线电位浮动。5）可靠性。电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。图中，普通型光耦的Ic/Id=0.10.3；高速型光耦采用光敏二极管；高电流传输比型光耦的Ic/Id=0.5；它们的上升延时时间和关断延时时间分别为tr，ts45s；tr，ts1mm）并且在焊盘上做一圈小的过孔，在焊接时用焊锡填满，否则可能会烧断。另外，如果使用了稳压管，场效应管源极对电源和地的导线要尽可能的短粗，否则在大电流时，这段导线上的压降可能会经过正偏的稳压管和导通的三极管将其烧毁。在一开始的设计中，NMOS管的源极于地之间曾经接入一个0.15欧的电阻用来检测电流，这个电阻就成了不断烧毁板子的罪魁祸首。当然如果把稳压管换成电阻就不存在这个问题了。 在2004年的Robocon比赛中，我们主要采用了这个电路用以电机驱动。三、低压驱动电路的简易栅极驱动 一般功率场效应管的最高栅源电压为20V左右，所以在24V应用中要保证栅源电压不能超过20V，增加了电路的复杂程度。但在12V或更低电压的应用中，电路就可以大大简化。 左图就是一个12V驱动桥的一边，上面电路的三极管部分被两个二极管和两个电阻代替。（注意，跟上图逻辑是反的）由于场效应管栅极电容的存在，通过R3，R4向栅极电容充电使场效应管延缓导通；而通过二极管直接将栅极电容放电使场效应管立即截止，从而避免了共态导通。 这个电路要求在IN端输入的是边缘陡峭的方波脉冲，因此控制信号从单片机或者其他开路输出的设备接入后，要经过施密特触发器（比如555）或者推挽输出的高速比较器才能接到IN端。如果输入边缘过缓，二极管延时电路也就失去了作用。 R3，R4的选取与IN信号边沿升降速度有关，信号边缘越陡峭，R3，R4可以选的越小，开关速度也就可以做的越快。Robocon比赛使用的升压电路（原理相似）中，IN前用的是555。四、边沿延时驱动电路 在前级逻辑电路里，有意地对控制PMOS的下降沿和控制NMOS的上升沿进行延时，再整形成方波，也可以避免场效应管的共态导通。另外，这样做可以使后级的栅极驱动电路简化，可以是低阻推挽驱动栅极，不必考虑栅极电容，可以较好的适应不同的场效应管。2003年Robocon比赛采用的就是这种驱动电路。下图是两种边沿的延时电路： 下图是对应的NMOS，PMOS栅极驱动电路： 这个栅极驱动电路由两级三极管组成：前级提供驱动场效应管栅极所需的正确电压，后级是一级射极跟随器，降低输出阻抗，消除栅极电容的影响。为了保证不共态导通，输入的边沿要比较陡，上述先延时再整形的电路就可以做到。 五、其它几种驱动电路1继电器半导体功率器件的想法 继电器有着电流大，工作稳定的优点，可以大大简化驱动电路的设计。在需要实现调速的电机驱动电路中，也可以充分利用继电器。有一个方案就是利用继电器来控制电流方向来改变电机转向，而用单个的特大电流场效应管（比如IRF3205，一般只有N型特大电流的管子）来实现PWM调速,如下右图所示。这样是实现特别大电流驱动的一个方法。换向的继电器要使用双刀双掷型的，接线如下左图,线圈接线如下中图： 2几种驱动芯片1）L298参考/searchpdf/st/L298N.pdf2）A3952参考/datafile/archive/3952.pdf3）A3940参考/datafile/3940.pdf4）L6203参考/searchpdf/st/L6203.pdf六、PWM调速的实现1使用定时器的算法/butcher补充一下吧/算法原理/编程实现要点/优缺点2使用循环移位的算法 产生PWM信号可以由定时器来完成,但是由于51内部只提供了两个定时器,因此如果要向三个或更多的直流电机输出不同占空比的信号要反复设置定时器,实现较为复杂,我们采用一种比较简单的方法不仅可以实现对更多的直流电机提供不同的占空比输入信号，而且只占用一个定时器资源。这种方法可以简单表述如下:在内存的某段空间内存放各个直流电机所需的输入信号占空比信息，如果占空比为1则保存0FFH(11111111B)；占空比为0.5则保存0F0H(11110000B)或任何2进制数中包括4个0和4个1。即占空比1的个数/8 具体选取什么样的二进制数要看输出频率的要求。若要对此直流电机输出PWM信号，只要每个时间片移位一次取出其中固定的一位（可以用位寻址或进位标志C实现）送到电机端口上即可。另外，移位算法是一种对以前结果依赖的算法，所以最好定期检查或重置被移位的数，防止移错导致一直错下去。 这种算法的优点是独立进程，可以实现对多个电机的控制，缺点是占用资源较大，PWM频率较低。3模拟电路PWM的实现 上图为一个使用游戏手柄或者航模摇杆上的线性电位器（或线性霍尔元件）控制两个底盘驱动电机的PWM生成电路。J1是手柄的插座，123和456分别是x，y两个方向的电位器。U1B提供半电源电压，U1A是电压跟随。x，y分量经过合成成为控制左右轮两个电机转速的电压信号。在使用中，让L=(x+1)y/(x+1.4)，R=(x-1)y/(x-0.6)，经过试验有不错的效果（数字只是单位，不是电压值）。经过U1C和U1D组成的施密特振荡器把电压转换为相应的PWM信号，用来控制功率驱动电路。以U1D为例，R1，R2组成有回差的施密特电路，上下门限受输入电压影响，C1和R3组成延时回路，如此形成振荡的脉宽受输入电压控制。Q1，Q2是三极管，组成反相器，提供差分的控制信号。具体振荡过程参见对555振荡器的分析。七、步进电机驱动1.小功率4相步进电机的驱动下面是一种驱动电路框图: 达林顿管阵列ULN2803分别从锁存器取出第0,2,4,6位和1,3,5,7位去驱动两个步进电机.四相步进电机的通电顺序可以有几种:A,B,C,D(4相4拍);AB,BC,CD,DA(4相双4拍);A,AB,B,BC,C,CD,D,DA(4相8拍).为了兼顾稳定性,转矩和功耗,一般采用4相8拍方式.所有这些方式都可以通过循环移位实现(也要有定期监控),为了使4相8拍容易实现,锁存器与驱动部分采用了交叉连接. 步进电机工作在四相八拍模式（即正转的输入信号为100011000100011000100011000110011000），对应每个步进电机要有四个信号输入端，理论上向端口输出信号可以控制两个步进电机的工作。寄存器循环移位奇偶位分别作两个步进电机的驱动端的做法，其思想如下：LOOP:MOV A,#1110000B;在A寄存器中置入11100000RR A;右移位AJMP LOOP;循环右移位 这样在寄存器A中存储的值会有如下循环111000000111000000111000000111000000111000000111100000111100000111100000,其奇数位有如下循环100011000100011000100011000110011000,其偶数位有如下循环110001000110001000110001100110001100.将A输出到P0端口，则奇数位和偶数位正是我们所需要的步进电机输入信号。 而事实上每个电机的动作是不同的,为此我们在RAM中为每个电机开辟一个byte的状态字节用以循环移位.在每一个电机周期里,根据需要对每个电机的byte进行移位,并用ANL指令将两个电机的状态合成到一个字节里输出此时的A同时可以控制两个电机了步进电机的速度由驱动脉冲的频率决定,移位的周期不同,电机的速度也就不同了.前面提到的电机周期,应该取各种可能的周期的最大公约数.换句话说,一旦电机周期取定,每个电机移位的周期应该是它的倍数.在程序中,对每个电机的相应时刻设定相应的分频比值,同时用一个变量进行加一计数:每到一个电机周期若计数变量分频比值,则计数变量加1;若相等,则移位,计数变量清零.这样就实现了分频调速,可以让多个电机同时以不同的速度运转. 另外,也可以采用传统的查表方式进行驱动,程序稍长,但也比较稳定，这种方法非常适合三相步进电机。 UCN5804B/LB是Allegro公司生产的4相步进电机驱动专用芯片,它集成了控制逻辑,脉冲分配和功率推动,通过几个管脚的电平来设定转动方式,方向,通过改变外时钟频率来改变转动速度,这给完成复杂的动作和测试步进电机参数带来了极大的方便.2.步进电机的智能驱动方案 步进电机有可以精确控制的优点，但是功耗大，效率低，力矩小。如果选用大功率步进电机，为了降低功耗，可以采取PWM恒流控制的方法。基本思路是，用带反馈的高频PWM根据输出功率的要求对每相恒流驱动，总体电流顺序又符合转动顺序。需要力矩小的时候应及时减小电流，以降低功耗。该方案实现的电路，可以采用独立的单片机或CPLD加场效应管驱动电路以及电流采样反馈电路。八、附录：几种IRF场效应管的参数型号极性电压(V)电流(A)导通电阻(Ohm)IRF540NN100330.040IRF9540P-100-190.200IRF840N50080.850IRF3205N551100.008IRF530NN100170.090IRF9530P-100-120.300直流电机控制电路专辑永磁式换向器电机的工作原理 永磁式换向器直流电机，是应用很广泛的一种。只要在它上面加适当电压。电机就转动。图9是这种电机的符号和简化等效电路。工作原理这种电机由定子、转子、换向器(又称整流子)、电刷等组成，定子用作产生磁场。转于是在定子磁场作用下，得到转矩而旋转起来。换向器及时改变了电流方向，使转子能连续旋转下去。也就是说，直流电压加在电刷上，经换向器加到转子线圈，流过电流而产生磁场，这磁场与定子的固定磁场作用，转子被强迫转动起来。当它转动时，由于磁场的相互作用，也将产生反电动势，它的大小正比于转子的速度，方向和所加的直流电压相反。图9(b)给出了等效电路。Rw代表转子绕组的总电阻，E代表与速度相关的反电动势。永磁式换流器电机的特点当电机负载固定时，电机转速正比于所加的电源电压。当电机直流电源固定时，电机的工作电流正比于转予负载的大小。加于电机的有效电压，等于外加直流电压减去反电动势。因此当用固定电压驱动电机时，电机的速度趋向于自稳定。因为负载增加时，转子有慢下来的倾向，于是反电动势减少，而使有效电压增加，反过来又将使转子有快起来的倾向，所以总的效果使速度稳定。当转子静止时，反电动势为零，电机电流最大。其最大值等于VRw(这儿V是电源电压)。最大电流出现在刚起动的条件。转子转动的方向，可由电机上所加电压的极性来控制。体积小，重量轻。起动转矩大。由于具备上述的那些特点，所以在医疗器械、小型机床、电子仪器、计算机、气象探空仪、探矿测井、电动工具、家用电器及电子玩具等各个方面，都得到广泛的应用。对这种永磁式电机的控制，主要有电机的起停控制、方向控制、可变速度控制和速度的稳定控制。1、电机的起停控制电机的起停控制，最简单最原始的方法是在电机与电源之间，加一机械开关。或者用继电器的触点控制。大家都比较熟悉，故不举例。现在比较流行的方法，是用开关晶体管来代替机械开关，无触点、无火花干扰，速度快。电路如图10(a)所示。当输入端为低电平时，开关晶体管Q1截止，电机无电流而处于停止状态。如果输入端为高电平时，Q1饱和导通，电机中有电流，因此电机起动运转。图中二极管D1和D2是保护二极管，防止反电动势损坏晶体管。电容C1是消除射频干扰而外加的。R1基极限流电阻，限制Q1的基极电流。在6V电源时，基极电流不超过52mA。在这种情况下，Q1提供电机的最大电流为1A左右。图10(a)的电路，因基极电流需外部驱动电路。如果再增加一级缓冲放大，如图10(b)的电路，驱动电流减少到2mA。R3限制Q1的基极电流到安全值。其他元件作用与(a)图中相同。2、电机的方向控制水磁式换流器电机的转动方向，可以用改变电源极性的方法，使电机反转。如果用正、负双极性电源，可用一个单刀进行转换，如图11(a)所示。因为电机的电流直接通过开关，容易烧坏开关接点。所以可以改用功率开关晶体管来代替机械开关，就可以克服上述缺点。电路如图11(b)所示。电路工作原理：当开关SW1置于“正转”位时，Q1和Q3的基极加上偏流；Q2和Q4的偏置电路被断开。所以Q1和Q3导通，Q2和Q4截止。电流从V Q3发射极Q3集电极电机正端电机负端地形成回路，此时电机正转。同理，如果SW1置于“反转位置时，Q2和Q4得到偏流而导通；01和 Q3截止。电流从电源地端电机负端电机正端Q4集电极Q4发射极电源负端形成回路，故电机电源与上述情况相反，因此电机反转。而SW1置于断时，电机停止转动。图11(b)电路中SW1要转接正、负电源。在接口电路的应用中，用电子开关来代替SW1就比较困难。为了克服这个缺点，可用图11(c)的电路加以改进。图11(c)中的SW1就很容易用电子开关来代替。在这个电路中，SW1置于“正转”位置时，Q1和Q3导通，Q2和 Q4截止。SW1置于“反转”位置时，Q2和Q4导通，Q1和Q3截止。3、单极性电源的方向控制如果电源为单极性，那么控制方向的开关就要双刀三掷。如图12(a)所示。不过用晶体管连接为桥式电路，也是最基本和最通用的形式。电路如图12(b)所示。从电路中可以看出，当SW1置于“正转”位置时，Q1和Q4导通，Q2和Q3截止。当SW1置于“反转”位置时，Q2和Q3导通，Q1和Q4截止。二极管D1D4是保护电路，防止电机反电动势可能损坏晶体管。图12(c)为图12(b)的改进电路。它使SW1只控制正转反转，而SW2只控制电机的起停。用简图指出了电路中的关键点。Q1或Q2总有一个是接通的，Q3或Q4是起通断作用。当电路被断开时，电机电流经Q1D2或Q2D1环路迅速减少，这是所谓的“飞轮效应”。如果SW2用脉冲调制的电子开关代替的话，就是需要这种“飞轮效应”。电机的速度可用脉宽控制。这种技术在本文后面将叙述。图12(b)的电路，需要大的驱动电流。如果需要更灵敏的控制电路，可以采用图13(a)的方案。在这个电路中，A、B、C和D的四个输入端，只需要几毫安的驱动电流。这个电路也可以像图13(b)那样，用人工进行控制。图中用CMOS集成电路CD4052B，作双刀四路双向开关。逻辑电平“0”或逻辑电平“1”加到A或B的输入端。正转反转，起动停止是相互独立的。这个电路也具有“飞轮效应”。图13(a)和图3(c)的电路工作的逻辑真值表如表4列出。4、电机的速度控制直流电机的转速与所加的电压有效值成正比。图14是12V直流电机的可变电压速度控制。图中Q1和Q2是复合管射极跟随器，电机的直流电压可从0V变到12v。这种电路的特点是：在中速和高速时，速度的控制和自动调节的性能很好。但是低速和慢启动特性比较差。用开关方式或脉宽调制，可以获得非常好的速度控制性能。电路图如15所示。图中IC1作为50Hz的无稳多谐振荡器，它产生一个矩形波输出，占空比可变从20比1到1比20，由RV1进行调节。这个波形经过Q1和Q2送到电机，电机上的电压有效值是随RV1的调节而变化的(总的周期是50HZ)。不过电机上所加上的电压，是具有峰值电压为12V的功率脉冲。因此在整个调速范围内；性能都非常好。即使在很低的速度，转矩也很大。速度控制的程度，正比于所加电压的有效值。5、模型火车速度控制器图16所示的电路是具有自动短路保护的模型火车速度控制器。电源用12V，最大输出电流为1.5A。如果轨道上出现短路时，控制单元上张有短路探测器和保护电路，自动将输出电流限制在100mA(有效值)这个电路的工作原理如下：交流电源经变压器T1降压后，经BR1进行全波桥式整流，得到一个未滤波的直流电压。通过一个串联的单向可控硅(SCR1)与方向控制开关SW3，将整流电压加在电机上。在整流输出直流的每个开始的半周，可控硅(SCR)是断开的。直流电压经R4和ZD1稳压后，加到双基极二极管(UJT)Q1及相关的定时电路C1和 RV1上。当C1上的电压超过UJT发射极的门限值时，触发可控硅，使SCR1饱和导通。而另一半周期SCR1关断复位。电机的电源是经SCR1阴极、 R2和R3、SW3而得到。未经滤波原整流后的频率为电源频率的二倍。电机通电时间的长短，受电位器RV1控制。所以模型火车的速度能在很宽的范围内变化。还要提醒一下，输出电流流过了并联电阻R2 和R3，电阻上的电压正比于电流。该电压经过一个峰值检波电路D1和C2，检波后妁直流电压馈送到Q2的基极。当输出电流的峰值超过1.5A或输出短路时，由于C2的电压储能作用，使R8和R9的分压、正好能使Q2导通，将Q1的定时电路短路，停止几个半周不触发SCR1。如果出现短路情况，由电路内部电阻限流在几安的峰值电流，每15个半周触发一次SCR1，使输出电流的有效值限制在100mA，这就保护了电路的安全。6、自动轨道清洁机图17是典型的铁路轨道清洁机的电路原理图。电源部份与图16的整流部份相同。有了自动轨道清洁机，就可以保持模型火车与轨道之间有良好的电接触。因为车轮与轨道之间，容易被脏物或氧化造成接触障碍。这个问题的解决是经过一个高频高压小功率的信号发生器，把控制信号送至轨道，如果道轨上存在污物或氧化的危害时，将使其信号中断，高压发生器便工作。结合图17叙述其工作原理。电路的振荡频率大约为100KHz，由变压器T1的电感与C2的容量而定。C4是抵销不希望的轨道效应的分布电容。在T1的次级，峰值电压有几佰伏，但为高阻抗。如果负载是低阻抗时，振荡器就停止振荡不产生高压。变压器T1次级用粗漆包铜线绕制，通过火车控制信号送到道轨。当火车电机与道轨的电接触为低阻抗时，振荡停止。只有火车的控制信号送到轨道。然而，如果接触被污物中断，车轮与道轨的接触变成高阻抗；这时高压发生器迅速工作。建立起良好的电接触。排除了中断的障碍。当轨道清洁机有效时，T1次级的氖灯的亮度指示轨道的接触损失。R6限制振荡器只有很小的振荡电压送到火车的控制端。7电机速度控制及稳定电机速度稳定器，意味着控制电路的