中心論題：
- 直流電機驅動(dòng)控制電路總體結構
- H橋功率驅動(dòng)原理
- 直流電機驅動(dòng)控制電路設計
解決方案：
- 光電隔離電路
- 電機驅動(dòng)邏輯電路
- 電荷泵電路和驅動(dòng)信號放大電路
- H橋功率驅動(dòng)電路
引言
長(cháng)期以來(lái)，直流電機以其良好的線(xiàn)性特性、優(yōu)異的控制性能等特點(diǎn)成為大多數變速運動(dòng)控制和閉環(huán)位置伺服控制系統的最佳選擇。特別隨著(zhù)計算機在控制領(lǐng)域，高開(kāi)關(guān)頻率、全控型第二代電力半導體器件(GTR、GTO、MOSFET、IGBT等)的發(fā)展，以及脈寬調制(PWM)直流調速技術(shù)的應用，直流電機得到廣泛應用。為適應小型直流電機的使用需求，各半導體廠(chǎng)商推出了直流電機控制專(zhuān)用集成電路，構成基于微處理器控制的直流電機伺服系統。但是，專(zhuān)用集成電路構成的直流電機驅動(dòng)器的輸出功率有限，不適合大功率直流電機驅動(dòng)需求。因此采用N溝道增強型場(chǎng)效應管構建H橋，實(shí)現大功率直流電機驅動(dòng)控制。該驅動(dòng)電路能夠滿(mǎn)足各種類(lèi)型直流電機需求，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，可應用PWM技術(shù)實(shí)現直流電機調速控制。
直流電機驅動(dòng)控制電路總體結構
直流電機驅動(dòng)控制電路分為光電隔離電路、電機驅動(dòng)邏輯電路、驅動(dòng)信號放大電路、電荷泵電路、H橋功率驅動(dòng)電路等四部分，其電路框圖如圖1所示。
由圖可以看出，電機驅動(dòng)控制電路的外圍接口簡(jiǎn)單。其主要控制信號有電機運轉方向信號Dir電機調速信號PWM及電機制動(dòng)信號Brake，Vcc為驅動(dòng)邏輯電路部分提供電源，Vm為電機電源電壓，M+、M-為直流電機接口。
在大功率驅動(dòng)系統中，將驅動(dòng)回路與控制回路電氣隔離，減少驅動(dòng)控制電路對外部控制電路的干擾。隔離后的控制信號經(jīng)電機驅動(dòng)邏輯電路產(chǎn)生電機邏輯控制信號，分別控制H橋的上下臂。由于H橋由大功率N溝道增強型場(chǎng)效應管構成，不能由電機邏輯控制信號直接驅動(dòng)，必須經(jīng)驅動(dòng)信號放大電路和電荷泵電路對控制信號進(jìn)行放大，然后驅動(dòng)H橋功率驅動(dòng)電路來(lái)驅動(dòng)直流電機。
H橋功率驅動(dòng)原理
直流電機驅動(dòng)使用最廣泛的就是H型全橋式電路，這種驅動(dòng)電路方便地實(shí)現直流電機的四象限運行，分別對應正轉、正轉制動(dòng)、反轉、反轉制動(dòng)。H橋功率驅動(dòng)原理圖如圖2所示。
H型全橋式驅動(dòng)電路的4只開(kāi)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，當一組導通時(shí)，另一組必須關(guān)斷。當S1、S2導通時(shí)，S3、S4關(guān)斷，電機兩端加正向電壓實(shí)現電機的正轉或反轉制動(dòng)；當S3、S4導通時(shí)，S1、S2關(guān)斷，電機兩端為反向電壓，電機反轉或正轉制動(dòng)。
實(shí)際控制中，需要不斷地使電機在四個(gè)象限之間切換，即在正轉和反轉之間切換，也就是在S1、S2導通且S3、S4關(guān)斷到S1、S2關(guān)斷且S3、S4導通這兩種狀態(tài)間轉換。這種情況理論上要求兩組控制信號完全互補，但是由于實(shí)際的開(kāi)關(guān)器件都存在導通和關(guān)斷時(shí)間，絕對的互補控制邏輯會(huì )導致上下橋臂直通短路。為了避免直通短路且保證各個(gè)開(kāi)關(guān)管動(dòng)作的協(xié)同性和同步性，兩組控制信號理論上要求互為倒相，而實(shí)際必須相差一個(gè)足夠長(cháng)的死區時(shí)間，這個(gè)校正過(guò)程既可通過(guò)硬件實(shí)現，即在上下橋臂的兩組控制信號之間增加延時(shí)，也可通過(guò)軟件實(shí)現。
圖2中4只開(kāi)關(guān)管為續流二極管，可為線(xiàn)圈繞組提供續流回路。當電機正常運行時(shí)，驅動(dòng)電流通過(guò)主開(kāi)關(guān)管流過(guò)電機。當電機處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電機工作在發(fā)電狀態(tài)，轉子電流必須通過(guò)續流二極管流通，否則電機就會(huì )發(fā)熱，嚴重時(shí)甚至燒毀。
直流電機驅動(dòng)控制電路設計
由直流電機驅動(dòng)控制電路框圖可以看出驅動(dòng)控制電路結構簡(jiǎn)單，主要由四部分電路構成，其中光電隔離電路較簡(jiǎn)單，在此不再介紹，下面對直流電機驅動(dòng)控制電路的其他部分進(jìn)行詳細介紹。
在直流電機控制中常用H橋電路作為驅動(dòng)器的功率驅動(dòng)電路。由于功率MOSFET是壓控元件，具有輸入阻抗大、開(kāi)關(guān)速度快、無(wú)二次擊穿現象等特點(diǎn)，滿(mǎn)足高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作需求，因此常用功率MOSFET構成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動(dòng)電機，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。
相對來(lái)說(shuō)，利用2個(gè)N溝道功率MOSFET和2個(gè)P溝道功率MOSFET驅動(dòng)電機的方案，控制電路簡(jiǎn)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，且驅動(dòng)電流小，多用于功率較小的驅動(dòng)電路中。而N溝道功率MOSFET，一方面載流子的遷移率較高、頻率響應較好、跨導較大；另一方面能增大導通電流、減小導通電阻、降低成本，減小面積。綜合考慮系統功率、可靠性要求，以及N溝道功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，本設計采用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，并具有較大的驅動(dòng)電流。其電路圖如圖3所示。圖中Vm為電機電源電壓，4個(gè)二極管為續流二極管，輸出端并聯(lián)一只小電容C6，用于降低感性元件電機產(chǎn)生的尖峰電壓。
