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1、。基于场效应管的直流电机驱动控制电路设计游志宇，杜杨，张洪，董秀成(1西华大学电气信息学院，四川成都 610039 ；2中国科学院光电技术研究所，四川成都 610209)1 引言长期以来，直流电机以其良好的线性特性、优异的控制性能等特点成为大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择。特别随着计算机在控制领域，高开关频率、全控型第二代电力半导体器件(GTR、 GTO、 MOSFET 、IGBT 等 )的发展，以及脉宽调制 (PWM) 直流调速技术的应用，直流电机得到广泛应用。为适应小型直流电机的使用需求， 各半导体厂商推出了直流电机控制专用集成电路，构成基于微处理器控制的直流电机伺服系统
2、。但是，专用集成电路构成的直流电机驱动器的输出功率有限，不适合大功率直流电机驱动需求。因此采用N沟道增强型场效应管构建H 桥，实现大功率直流电机驱动控制。该驱动电路能够满足各种类型直流电机需求，并具有快速、精确、高效、低功耗等特点，可直接与微处理器接口，可应用PWM 技术实现直流电机调速控制。2 直流电机驱动控制电路总体结构直流电机驱动控制电路分为光电隔离电路、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，其电路框图如图1 所示。-可编辑修改 -。由图可以看出， 电机驱动控制电路的外围接口简单。其主要控制信号有电机运转方向信号 Dir 电机调速信号 PWM 及
3、电机制动信号 Brake ，Vcc 为驱动逻辑电路部分提供电源， Vm 为电机电源电压， M+ 、M- 为直流电机接口。在大功率驱动系统中， 将驱动回路与控制回路电气隔离，减少驱动控制电路对外部控制电路的干扰。 隔离后的控制信号经电机驱动逻辑电路产生电机逻辑控制信号，分别控制 H 桥的上下臂。由于H 桥由大功率 N 沟道增强型场效应管构成，不能由电机逻辑控制信号直接驱动，必须经驱动信号放大电路和电荷泵电路对控制信号进行放大，然后驱动H 桥功率驱动电路来驱动直流电机。3 H 桥功率驱动原理直流电机驱动使用最广泛的就是H 型全桥式电路，这种驱动电路方便地实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转
4、制动、反转、反转制动。H 桥功率驱动原理图如图 2 所示。H 型全桥式驱动电路的4 只开关管都工作在斩波状态。S1、S2 为一组， S3 、S4为一组，这两组状态互补， 当一组导通时， 另一组必须关断。 当 S1、S2 导通时，-可编辑修改 -。S3、S4 关断，电机两端加正向电压实现电机的正转或反转制动；当S3、S4 导通时， S1、S2 关断，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。实际控制中，需要不断地使电机在四个象限之间切换，即在正转和反转之间切换，也就是在 S1、 S2 导通且 S3、 S4 关断到 S1、 S2 关断且 S3、 S4 导通这两种状态间转换。这种情况理论上要求两组控制
5、信号完全互补，但是由于实际的开关器件都存在导通和关断时间， 绝对的互补控制逻辑会导致上下桥臂直通短路。为了避免直通短路且保证各个开关管动作的协同性和同步性，两组控制信号理论上要求互为倒相，而实际必须相差一个足够长的死区时间，这个校正过程既可通过硬件实现，即在上下桥臂的两组控制信号之间增加延时，也可通过软件实现。图 2 中 4 只开关管为续流二极管，可为线圈绕组提供续流回路。当电机正常运行时，驱动电流通过主开关管流过电机。 当电机处于制动状态时， 电机工作在发电状态，转子电流必须通过续流二极管流通， 否则电机就会发热， 严重时甚至烧毁。4 直流电机驱动控制电路设计-可编辑修改 -。由直流电机驱动
6、控制电路框图可以看出驱动控制电路结构简单，主要由四部分电路构成，其中光电隔离电路较简单，在此不再介绍， 下面对直流电机驱动控制电路的其他部分进行详细介绍。4.1 H 桥驱动电路设计在直流电机控制中常用H 桥电路作为驱动器的功率驱动电路。由于功率MOSFET 是压控元件，具有输入阻抗大、开关速度快、无二次击穿现象等特点，满足高速开关动作需求，因此常用功率MOSFET 构成 H 桥电路的桥臂。 H 桥电路中的 4 个功率 MOSFET 分别采用 N 沟道型和 P 沟道型，而 P 沟道功率 MOSFET一般不用于下桥臂驱动电机，这样就有两种可行方案：一种是上下桥臂分别用2个 P 沟道功率 MOSFE
7、T 和 2 个 N 沟道功率 MOSFET ；另一种是上下桥臂均用N 沟道功率 MOSFET 。相对来说，利用 2 个 N 沟道功率 MOSFET 和 2 个 P 沟道功率 MOSFET 驱动电机的方案，控制电路简单、成本低。但由于加工工艺的原因， P 沟道功率 MOSFET的性能要比 N 沟道功率 MOSFET 的差，且驱动电流小，多用于功率较小的驱动电路中。而 N 沟道功率 MOSFET ，一方面载流子的迁移率较高、频率响应较好、跨导较大；另一方面能增大导通电流、减小导通电阻、降低成本，减小面积。综合考虑系统功率、可靠性要求，以及N 沟道功率 MOSFET 的优点，本设计采用4 个相同的
8、N 沟道功率 MOSFET 的 H 桥电路，具备较好的性能和较高的可靠性，并具有较大的驱动电流。其电路图如图3 所示。图中 Vm 为电机电源电压， 4-可编辑修改 -。个二极管为续流二极管，输出端并联一只小电容C6 ，用于降低感性元件电机产生的尖峰电压。4.2 电荷泵电路设计电荷泵的基本原理是通过电容对电荷的积累效应而产生高压，使电流由低电势流向高电势。最早的理想电荷泵模型是J.Dickson 在 1976 年提出的，当时这种电路是为可擦写 EPROM 提供所需电压。后来J.Witters ，Toru Tranzawa等人对J.Dickson 的电荷泵模型进行改进，提出了比较精确的理论模型，并
9、通过实验加以证实提出了相关理论公式。随着集成电路的不断发展，基于低功耗、 低成本的考虑，电荷泵在电路设计中的应用越来越广泛。简单电荷泵原理电路图如图4 所示。电容 C1 的 A 端通过二极管 D1 接 Vcc ，电容 C1 的 B 端接振幅 Vin 的方波。当 B 点电位为 0 时， D1 导通， Vcc 开始对电容 C1 充电，直到节点 A 的电位达到 Vcc ；当 B 点电位上升至高电平Vin 时，因为电容两端电压不能突变，此时A 点电位上升为 Vcc+Vin 。所以， A 点的电压就是一个方波，最大值是Vcc+Vin ，最小值是 Vcc( 假设二极管为理想二极管)。A 点的方波经过简单的
10、整流滤波，可提供高于Vcc 的电压。-可编辑修改 -。在驱动控制电路中， H 桥由 4 个 N 沟道功率 MOSFET 组成。若要控制各个MOSFET ，各 MOSFET 的门极电压必须足够高于栅极电压。通常要使MOSFET完全可靠导通，其门极电压一般在10 V 以上，即 VCS10 V 。对于 H 桥下桥臂，直接施加 10 V 以上的电压即可使其导通；而对于上桥臂的2 个 MOSFET ，要使 VGS10 V ，就必须满足 VGVm+10 V，即驱动电路必须能提供高于电源电压的电压，这就要求驱动电路中增设升压电路，提供高于栅极10 V 的电压。考虑到 VGS 有上限要求，一般 MOSFET
11、导通时 VGS 为 10 V 15 V ，也就是控制门极电压随栅极电压的变化而变化，即为浮动栅驱动。 因此在驱动控制电路中设计电荷泵电路，用于提供高于Vm 的电压 Vh ，驱动功率管的导通。其电路原理图如图 5 所示。电路中 A 部分是方波发生电路，由RC 与反相施密特触发器构成，产生振幅为Vin=5 V的方波。B 部分是电荷泵电路， 由三阶电荷泵构成。 当 a 点为低电平时，二极管 D1 导通电容 C1 充电，使 b 点电压 Vb=Vm-Vtn；当 a 点为高电平时，由于电容 C1 电压不能突变，故b 点电压 Vb=Vm+Vin-Vtn，此时二极管 D2导通，电容 C3 充电，使 c 点电压
12、 Vx=Vm+Vin-2Vtn；当 a 点再为低电平时，二极管 D1 、 D3 导通，分别对电容C1、C2 充电，使得 d 点电压Vd=Vm+Vin-3Vtn；当 a 点再为高电平时，由于电容C2 电压不能突变，故d点电压变为 Vd=Vm+2Vin-3Vtn，此时二极管 D2 、D4 导通，分别对电容C3 、-可编辑修改 -。c4 充电，使 e 点电压 Ve=Vm+2Vin-4Vtn。这样如此循环，便在g 点得到比Vm 高的电压 Vh=Vm+3Vin-6tn=Vm+11.4 V。其中 Vm 为二极管压降，一般取 0.6 V 。从而保证 H 桥的上臂完全导通。4.3 电机驱动逻辑与放大电路设计直流电机驱动电机驱动电路中电机驱动逻辑及放大电路主要实现外部控制信号到驱动 H 桥控制信号的转换及放大。控制信号Dir 、PWM 、Brake 经光电隔离电路后，由门电路进行译码，产生4 个控制信号 M1 、M2 、 M3 、M4 ，然后经三
