电机驱动控制电路

1、直流电机驱动电路直流电机（direct current machine）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将 机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换 的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流 发电机，将机械能转换为电能。（阮智富，郭忠新.现代汉语大词典：上海辞书出版社，2009 .一直以来，凭借优良的线性特性和优异的控制性能等特点，直流电机成为大多数闭环位 置伺服控制系统和变速运动控制的最佳选择。特别随着计算机在控制领域，全控型、高开关 频率的第二代电力半导体器件（MOSFET、GTO、GTR、IGBT

2、等）的发展，以及脉宽调制（PWM） 直流调速技术的发展，直流电机得到广泛应用。在手指康复机器人系统中，直流电机起着牵 引手指进行康复训练的作用。由于是面向偏瘫患者这一特殊的人群，因而直流电机需要能够 在长期的低速运转时提供足够的转矩，从而带动负载，并且可以在低转速下实现稳定的运行。直流电机的驱动电路应当具有快速、高效、精确、低功耗等特点，能够直接与微处理器 接口，应用PWM技术对直流电机调速控制。典型的直流电机驱动控制电路结构主要有分为 光电隔离电路、电机驱动逻辑电路、驱动信号放大电路、电荷泵电路、H桥功率驱动电路等 四部分组成，如下图：BRAKE光BRAKE光7电荷泵电路H桥功率 驱动电 隔

3、离 电 路电机 驱动 逻辑 电路/驱动信号放大电路电路其主要控制信号有：Dir是电机运转方向信号，PWM （脉冲宽度调制）作用是电机调速 信号，Brake为电机制动信号，Vcc为电机驱动逻辑电路部分提供电源，VM为直流电机电 源电压，M+、M-为电机接口。在大功率驱动系统中，采用光电隔离技术，将驱动回路和控制回路电气隔离，能够有效 减少驱动控制电路对外部控制电路的干扰。光耦隔离就是采用光耦合器进行隔离，光耦合器 的结构相当于把发光二极管和光敏（三极）管封装在一起。发光二极管把输入的电信号转换为 光信号传给光敏管转换为电信号输出，由于没有直接的电气连接，这样既耦合传输了信号， 又有隔离作用。手指

4、康复机器人系统中的光电隔离模块，对于高频的 PWM信号，采用 HCPL2630进行隔离；对于低频的刹车信号和输出状态反馈信号采用TLP185进行隔离。对于电机驱动逻辑电路，电荷泵电路，驱动放大电路以及H桥功率驱动电路，采用一 种驱动小功率的直流电机的集成芯片MC33186。MC33186芯片自身已经集成了 H桥，非常适用于小马力DC电机和双向推力电磁控制。 MC33186原本是为广泛应用于汽车的H桥驱动器，在严酷的环境下具备相当的可靠性。它 的工作电压为528V，连续负载电流可达5A，最高开关频率为20kHz。其与逻辑控制有关 的输入输出与TTL/CMOS电平兼容，因此很容易与微处理器和微控制

5、器接口。MC33186的 功能结构如下图：Cp电荷泵一欠压保护一 1-2门控* 3门控-过热保护电流限制：0DNINhVbat二一内部5VCp电荷泵一欠压保护一 1-2门控* 3门控-过热保护电流限制：0DNINhVbat二一内部5V电游|orDhSF控制遗辑过护桥保上流过护桥保下流3c-LI 2E T lrLT o oMC33186的控制逻辑电路部分提供功率部分的门极驱动，以及欠压、过热和过流保护。 这部分电路产生的电机逻辑控制信号分别控制H桥的上下臂。由于大功率N沟道增强型场 效应管构成的H桥不能由电机逻辑控制信号直接驱动，因此需要驱动信号放大电路和电荷 泵电路将控制信号放大，然后才能驱动

6、H桥功率，最终驱动电路来驱动直流电机。电荷泵提供门驱动电压，基本原理是给电容充电，通过电容积累电荷产生高压。nn Vm4Vccnn Vm4Vcc跨接在输入输出之间的电容A端通过二极管接Vcc，另一端B接Vin，当B处的电位 为0时，A处的电位为Vcc；当B的电位上升到Vin时，电容两端电容不能发生突变，依旧 存在Vcc的电势差，因此A点的电位就会上升到Vcc+Vin。MC33186功率输出级是组成桥式结构的4个功率MOSFETo T1和T3构成上半桥，T2 和T4构成下半桥。上半桥和下半桥各由其自己的短路电流限制机制。电机工作时，H桥上 T1,T2, T3, T4工作在斩波状态，其中T1和T4

7、 一组，T2和T3 一组。这两组功率MOSFET 工作状态互补，T1/T4闭合时，T2/T3断开，电机正转；T2/T3闭合时，T1/T4断开，电机反 转。VCCVCC两个输入IN1和IN2分别控制H桥的左右两边。在控制电动机的时候，这两个信号既 可以是静态的电平信号，也可以是PWM信号。两个输出OUT1和OUT2是与直流电动机连 接的。由此可以看到，驱动器的使用避免了采用分立元件的复杂的设计和制作。电机工作时，T1收到PWM信号的控制，DIR信号控制T4施加高电平，T2， T3施加低电平，电机根据PWM信号以一定的速度正转；T2收到PWM信号的控制， DIR信号控制T3施加高电平，T1，T4施

8、加低电平，电机根据PWM信号以一定的 速度反转。该方案中，上臂MOSFET 只有在电机换向时才进行开关切换，而电机 的换向频率极低，低端由逻辑电路直接控制，逻辑电路的信号电平切换较快，可 以满足不同频率要求。该电路还有一个优点，由于上臂开启较慢，而下臂关断较 快，所以，实际控制时换向不会出现上下臂瞬间同时导通现象，减小了换向时电 流冲击，提高了 MOSFET的寿命。PWM （脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变 负载两端的电压，满足控制要求的一种电压调整方法。PWM调速控制的基本原理 是以一定的固定频率来断开和接通电源，并根据需要改变一个周期内断开和接通 的时间比（占空

9、比）来改变直流电机上电枢的电压占空比，从而改变平均电压，实现对电机转速的控制。在脉宽调速系统中，电机通电会增加电机转速，电机断 电会降低电机的转速。只要按照一定的规律改变接通和断开电源的时间，实现对 电机转速的控制。在直流电机驱动控制电路中，PWM信号由外部控制电路提供，并经高速光电 隔离电路、电机驱动逻辑与放大电路后，驱动H桥下臂MOSFET的开关来改变直 流电机电枢上平均电压，从而控制电机的转速，实现直流电机PWM调速。采用P WM技术构成的无级调速系统.启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、 运行稳定的特点。(1方健，李肇基涨正，杨忠.电荷泵高端浮动自举式H桥功率驱动电路J. 微电

10、子学.2000(03)MC33186典型应用电路MC33186真值表如下Dviw Stateinpurc Ctbndltions-statusOUTPUTDI1向Q时INIIN2SFl0)CUI0U21-FordLHHLHHHL2-RewerseLTLHHHLH3-Free Wheeling LawLHLLHHLL4-Free Wheeling HigfiLHHHHHHH5-DisaNe 1HXXXLHZZ6-Disabfle 2XLXXLHzz7-IN1 DisconnMljedLHzXHHHXB-IN2 DisoonnecledLHXzHHXH9-DU DisconnKtedZXXXLHz

11、zI0-D12 DisconnectedXZXXLHzz1 l-Currenl LlmiLa网戒L-IXXHHzz12-Undeiltagee；XXXXLLzz13-ChreriefiipErature11XXXXLLzzU-Overajrrent17,1XXXXLLzzH =高电平状态;L =低电平状态;Z =高阻态；X =无关系。根据MC33186真值表可知，可令DI1作为刹车信号BRAKE,DI1加高电平时，OU1和 OU2都是高阻态，直流电机处于刹车状态。当DI1为低电平，DI2为高电平，IN1高电平， IN2低电平，电机正转；IN2高电平，IN1低电平，电机反转；IN1和IN2都为高电平或者 都为低电平时，直流电机处于刹车状态。LPC1764输出PWM控制电机转速，DIR输出控制 电机运转方向。PGNDPGNDMOSF2MOIN3PVCC|?_6MOI178 1。R8MOSF2MOIN3PVCC|?_6MOI178 1。R8AGND SF INI Vb