直流电机正反向驱动电路设计与实现研究
分类：免费论文 更新时间：08-23 来源：网络
第一章 前言
1. 引言
1.1开发背景
现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备，伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机正反向调速驱动逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使其又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。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。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。
PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展，到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。
1.2选题的目的和意义
直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。
传统的控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。
目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。
1.3 研究方法
直流电机控制系统是动力系统的“CPU”，其具有十分重要的作用，对直流电机控制系统的设计必须要高度重视，准确把握系统功能与性能要求，提高设计的质量。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。对于PWM 调速的电机控制系统要满足以下性能指标：输出电流和电压范围满足需要，它决定着电路能驱动多大功率的电机；效率高能耗低，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2 个功率器件同时导通使电源短路）入手；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；关注对电源的影响，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，大的电流可能会导致地线电位浮动；同时，还要充分考虑系统的可靠性，以避免发生故障。
第二章 电路及软件设计
2. 总体设计概述
2.1直流电机驱动控制电路总体结构
2.1.1直流电机的基本工作原理
图2.1.1 直流电机工作原理图
如果直流电机的转子不用原动机拖动，而把它的电刷A、B接在电压为U的直流电源上（如图所示），那么会发生什么样的情况呢？从图上可以看出，电刷A是正电位，B是负电位，在N极范围内的导体ab中的电流是从a流向b，在S极范围内的导体cd中的电流是从c流向d。前面已经说过，载流导体在磁场中要受到电磁力的作用，因此，ab和cd两导体都要受到电磁力Fde的作用。根据磁场方向和导体中的电流方向，利用电动机左手定则判断，ab边受力的方向是向左，而cd边则是向右。由于磁场是均匀的，导体中流过的又是相同的电流，所以，ab边和cd边所受电磁力的大小相等。这样，线圈上就受到了电磁力的作用而按逆时针方向转动了。当线圈转到磁极的中性面上时，线圈中的电流等于零，电磁力等于零，但是由于惯性的作用，线圈继续转动。线圈转过半州之后，虽然ab与cd的位置调换了，ab边转到S极范围内，cd边转到N极范围内，但是，由于换向片和电刷的作用，转到N极下的cd边中电流方向也变了，是从d流向c，在S极下的ab边中的电流则是从b流向a。因此，电磁力Fdc的方向仍然不变，线圈仍然受力按逆时针方向转动。可见，分别处在N、S极范围内的导体中的电流方向总是不变的，因此，线圈两个边的受力方向也不变，这样，线圈就可以按照受力方向不停的旋转了，通过齿轮或皮带等机构的传动，便可以带动其它工作机械。
从以上的分析可以看到，要使线圈按照一定的方向旋转，关键问题是当导体从一个磁极范围内转到另一个异性磁极范围内时（也就是导体经过中性面后），导体中电流的方向也要同时改变。换向器和电刷就是完成这个任务的装置。在直流发电机中，换向器和电刷的任务是把线圈中的交流电变为直流电向外输出；而在直流电动机中，则用换向器和电刷把输入的直流电变为线圈中的交流电。可见，换向器和电刷是直流电机中不可缺少的关键性部件。
当然，在实际的直流电动机中，也不只有一个线圈，而是有许多个线圈牢固地嵌在转子铁芯槽中，当导体中通过电流、在磁场中因受力而转动，就带动整个转子旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。
比较直流发电机和直流电动机的工作原理可以看出，它们的输入和输出的能量形式不同的。正如前面已经说过，直流发电机由原动机拖动，输入的是机械能，输出的是电能；直流电动机则是由直流电源供电，输入的是电能，输出的是机械能。
2.2.2直流电机驱动控制结构
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、H桥功率驱动电路等四部分，其电路框图如下图:直流电机驱动控制电路组成如图2.1所示。由图2.1 可看出电机驱动电路主要控制信号有电机转向控制信号DIR, 电机转速控制信号PWM,E1为驱动逻辑电路部分提供电源;E2 和E3为电机驱动电源, 采用双电源供电; M+ , M- 为直流电机接口。
图2.2.2 直流电机驱动控制电路总图
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。
2.2 Ｈ桥驱动电路设计
直流电机驱动使用最广泛的就是H 型全桥式电路, 这种驱动电路方便实现直流电机的四象限运行, 分别对应正转、正转制动、反转和反转制动。H桥式功率驱动原理如图2.2 所示, 组成H 桥驱动电路的4 只开关管工作在斩波状态, S1, S4 为1 组, S2, S3 为1 组, 这2 组状态互补, 当1 组导通时, 另1 组必须截止。当S1, S4 导通时, S2, S3 截止, 电机两端加正向电压实现电机的正转或反转制动; 当Sl, S4截止, S2, S3 导通时, 电机两端为反向电压, 电机反转或正转制动。
图2.2 H桥驱动原理图
实际控制中, 需要不断使电机在4 个象限之间切换, 也即在S1, S4 导通且S2, S3 截止, 到S1, S4截止且S2, S3 导通这2 种状态间转换。这种情况理论上要求2 组控制信号完全互补。但由于实际的开关器件都存在导通和截止时间, 绝对互补控制会导致上下桥臂直通短路。为避免直通短路且保证各个开关管动作的协同性和同步性, 2 组控制信号理论上要求互为倒相, 而实际必须相差一个一定长的死区时间, 这个校正过程既可通过硬件实现, 即在上下桥臂的2 组控制信号之间增加延时( 本文即采用这种方法) , 也可通过软件实现。图2.2 中D1~ D4 为4个续流二极管, 为电机线圈绕组提供续流回路。在各种开关元件中, 由于功率MOSFET 是压控元件, 具有输入阻抗大、开关速度快和无二次击穿现象等特点, 满足高速开关动作的需求, 因此常用功率MOSFET 为H 桥的开关元件, 构成H 桥电路的桥臂。H 桥电路中的4 个功率MOSFET 可分别采用N 沟道型和P 沟道型。P 沟道功率MOSFET 一般用于上桥臂驱动电机, 这样有2 种可行方案: 一种是上下桥臂分别用2 个P 沟道和2 个N 沟道功率MOSFET; 另一种是上下桥臂均用N 沟道功率MOSFET。由于加工工艺原因, P 沟道功率MOS