1 引言
長期以來，直流電機以其良好的線性特性、優(yōu)異的控制性能等特點成為大多數(shù)變速運動控制和閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)的最佳選擇。
特別隨著計算機在控制領域，高開關(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(diào)制(PWM)直流調(diào)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，各半導體廠商推出了直流電機控制專用集成電路，構(gòu)成基于微處理器控制的直流電機伺服系統(tǒng)。但是，專用集成電路構(gòu)成的直流電機驅(qū)動器的輸出功率有限，不適合大功率直流電機驅(qū)動需求。因此采用N溝道增強型場效應管構(gòu)建H橋，實現(xiàn)大功率直流電機驅(qū)動控制。該驅(qū)動電路能夠滿足各種類型直流電機需求，并具有快速、精確、高效、低功耗等特點，可直接與微處理器接口，可應用PWM技術(shù)實現(xiàn)直流電機調(diào)速控制。
2 直流電機驅(qū)動控制電路總體結(jié)構(gòu)
直流電機驅(qū)動控制電路分為光電隔離電路、電機驅(qū)動邏輯電路、驅(qū)動信號放大電路、電荷泵電路、H橋功率驅(qū)動電路等四部分，其電路框圖如圖1所示。
由圖可以看出，電機驅(qū)動控制電路的外圍接口簡單。其主要控制信號有電機運轉(zhuǎn)方向信號Dir電機調(diào)速信號PWM及電機制動信號Brake，Vcc為驅(qū)動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(qū)動系統(tǒng)中，將驅(qū)動回路與控制回路電氣隔離，減少驅(qū)動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(qū)動邏輯電路產(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溝道增強型場效應管構(gòu)成，不能由電機邏輯控制信號直接驅(qū)動，必須經(jīng)驅(qū)動信號放大電路和電荷泵電路對控制信號進行放大，然后驅(qū)動H橋功率驅(qū)動電路來驅(qū)動直流電機。
3 H橋功率驅(qū)動原理
直流電機驅(qū)動使用最廣泛的就是H型全橋式電路，這種驅(qū)動電路方便地實現(xiàn)直流電機的四象限運行，分別對應正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動。H橋功率驅(qū)動原理圖如圖2所示。
H型全橋式驅(qū)動電路的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，當一組導通時，另一組必須關(guān)斷。當S1、S2導通時，S3、S4關(guān)斷，電機兩端加正向電壓實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動;當S3、S4導通時，S1、S2關(guān)斷，電機兩端為反向電壓，電機反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動。
實際控制中，需要不斷地使電機在四個象限之間切換，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(zhuǎn)換。這種情況理論上要求兩組控制信號完全互補，但是由于實際的開關(guān)器件都存在導通和關(guān)斷時間，絕對的互補控制邏輯會導致上下橋臂直通短路。為了避免直通短路且保證各個開關(guān)管動作的協(xié)同性和同步性，兩組控制信號理論上要求互為倒相，而實際必須相差一個足夠長的死區(qū)時間，這個校正過程既可通過硬件實現(xiàn)，即在上下橋臂的兩組控制信號之間增加延時，也可通過軟件實現(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。當電機正常運行時，驅(qū)動電流通過主開關(guān)管流過電機。當電機處于制動狀態(tài)時，電機工作在發(fā)電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子電流必須通過續(xù)流二極管流通，否則電機就會發(fā)熱，嚴重時甚至燒毀。
4 直流電機驅(qū)動控制電路設計
由直流電機驅(qū)動控制電路框圖可以看出驅(qū)動控制電路結(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，下面對直流電機驅(qū)動控制電路的其他部分進行詳細介紹。
4.1 H橋驅(qū)動電路設計
在直流電機控制中常用H橋電路作為驅(qū)動器的功率驅(qū)動電路。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，滿足高速開關(guān)動作需求，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)動電機，這樣就有兩種可行方案：一種是上下橋臂分別用2個P溝道功率MOSFET和2個N溝道功率MOSFET;另一種是上下橋臂均用N 溝道功率MOSFET。
相對來說，利用2個N溝道功率MOSFET和2個P溝道功率MOSFET驅(qū)動電機的方案，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)動電流小，多用于功率較小的驅(qū)動電路中。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(tǒng)功率、可靠性要求，以及N溝道功率MOSFET的優(yōu)點，本設計采用4個相同的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)動電流。其電路圖如圖3所示。圖中Vm為電機電源電壓，4個二極管為續(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產(chǎn)生的尖峰電壓。
