基於(yu) 直流電機H 橋的驅動和控製原理， 本文詳細分析和探討了電路設計過程中可能出現的各種問題， 提出了切實可行的解決(jue) 手段。 該電路采用NMOS場效應管作為(wei) 功率輸出器件， 設計並實現了較大功率的直流電機H 橋驅動電路，並對額定電壓為(wei) 24 伏， 額定電流為(wei) 3.8A 的25D60-24A 直流電機進行閉環控製， 電路的抗幹擾能力強， 魯棒性好。

    1 引言

    直流電機具有優(you) 良的調速特性， 調速平滑、方便、調速範圍廣， 過載能力強， 可以實現頻繁的無級快速啟動、製動和反轉， 能滿足生產(chan) 過程中自動化係統各種不同的特殊運行要求， 因此在工業(ye) 控製領域， 直流電機得到了廣泛的應用。

    許多半導體(ti) 公司推出了直流電機專(zhuan) 用驅動芯片， 但這些芯片多數隻適合小功率直流電機， 對於(yu) 大功率直流電機的驅動， 其集成芯片價(jia) 格昂貴。 基於(yu) 此， 本文詳細分析和探討了較大功率直流電機驅動電路設計中可能出現的各種問題， 有針對性設計和實現了一款基於(yu) 25D60-24A 的直流電機驅動電路。 該電路驅動功率大， 抗幹擾能力強， 具有廣泛的應用前景。

    2 H 橋功率驅動電路的設計

    在直流電機中， 可以采用GTR 集電極輸出型和射極輸出性驅動電路實現電機的驅動， 但是它們(men) 都屬於(yu) 不可逆變速控製， 其電流不能反向， 無製動能力， 也不能反向驅動， 電機隻能單方向旋轉， 因此這種驅動電路受到了很大的限製。對於(yu) 可逆變速控製， H 橋型互補對稱式驅動電路使用最為(wei) 廣泛。可逆驅動允許電流反向， 可以實現直流電機的四象限運行， 有效實現電機的正、反轉控製。 而電機速度的控製主要有三種， 調節電樞電壓、減弱勵磁磁通、改變電樞回路電阻。 三種方法各有優(you) 缺點， 改變電樞回路電阻隻能實現有級調速， 減弱磁通雖然能實現平滑調速， 但這種方法的調速範圍不大， 一般都是配合變壓調速使用。 因此在直流調速係統中， 都是以變壓調速為(wei) 主， 通過PWM(Pulse Width Modulation)信號占空比的調節改變電樞電壓的大小， 從(cong) 而實現電機的平滑調速。

    2.1 H 橋驅動原理

    要控製電機的正反轉， 需要給電機提供正反向電壓， 這就需要四路開關(guan) 去控製電機兩(liang) 個(ge) 輸入端的電壓。 當開關(guan) S1 和S4 閉合時， 電流從(cong) 電機左端流向電機的右端， 電機沿一個(ge) 方向旋轉;當開關(guan) S2 和S3 閉合時， 電流從(cong) 電機右端流向電機左端， 電機沿另一個(ge) 方向旋轉， H 橋驅動原理等效電路圖如圖1 所示。

圖1 H 橋驅動原理電路圖

    2.2 開關(guan) 器件的選擇及H 橋電路設計

    常用的電子開關(guan) 器件有繼電器， 三極管， MOS 管， IGBT 等。 普通繼電器屬機械器件， 開關(guan) 次數有限， 開關(guan) 速度比較慢。 而且繼電器內(nei) 部為(wei) 感性負載， 對電路的幹擾比較大。 但繼電器可以把控製部分與(yu) 被控製部分分開， 實現由小信號控製大信號， 高壓控製中經常會(hui) 用到繼電器。 三極管屬於(yu) 電流驅動型器件， 設基極電流為(wei) IB, 集電極電流為(wei) IC, 三極管的放大係數為(wei) β， 如果， IB*β>=IC, 則三極管處於(yu) 飽和狀態， 可以當作開關(guan) 使用。 要使三極管處於(yu) 開關(guan) 狀態， IB= IC/β， 三極管驅動管的電流跟三極管輸出端的電流成正比， 如果三極管輸出端電流比較大， 對三極管驅動端的要求也比較高。 MOS 管屬於(yu) 電壓驅動型器件， 對於(yu) NMOS 來說， 隻要柵極電壓高於(yu) 源極電壓即可實現NMOS 的飽和導通， MOS 管開啟與(yu) 關(guan) 斷的能量損失僅(jin) 是對柵極和源極之間的寄生電容的充放電， 對MOS管驅動端要求不高。 同時MOS 端可以做到很大的電流輸出， 因此一般用於(yu) 需要大電流的場所。 IGBT 則是結合了三極管和MOS 管的優(you) 點製造的器件， 一般用於(yu) 200V 以上的情況。

    在本設計中， 電機工作電流為(wei) 3.8A, 工作電壓24V, 電機驅動的控製端為(wei) 51 係列單片機， 最大灌電流為(wei) 30mA. 因此采用MOS管作為(wei) H橋的開關(guan) 器件。 MOS管又有NMOS和PMOS之分， 兩(liang) 種管子的製造工藝不同， 控製方法也不同。 NMOS 導通要求柵極電壓大於(yu) 源極電壓(10V-15V)， 而PMOS 的導通要求柵極電壓小於(yu) 源極電壓(10V-15V)。 在本設計中， 采用24V 單電源供電， 采用NMOS 管的通斷控製的接線如圖2 所示， 隻要G 極電壓在10-15V 的範圍內(nei) ， NMOS 即可飽和導通， G 極電壓為(wei) 0 時， NMOS 管關(guan) 斷。

圖2 NMOS 接線圖

    采用PMOS 管實現通斷控製時， 其接線如圖3 所示， G 極電壓等於(yu) 電源電壓VCC 時PMOS 關(guan) 斷。

圖3 PMOS 接線圖

    10V15V 時， 要使PMOS 導通則G 極電壓為(wei) VCC-15V. PMOS 的導通與(yu) 關(guan) 斷， 是在電源電壓VCC 與(yu) VCC-15V 之間切換， 當電源電壓VCC 較大時控製不方便。 比較圖2 圖3 可知：NMOS位於(yu) 負載的下方， 而PMOS 位於(yu) 負載的上方， 用NMOS 和PMOS, 替換掉圖1 中的開關(guan) ， 就可以組成由MOS 管組成的H 橋， 如圖4 所示。

圖4 PMOS 和NMOS 管構成的H 橋

    Q1 和Q4 導通， 電機沿一個(ge) 方向旋轉， Q2 和Q3 導通電機沿另一個(ge) 方向旋轉。 在本係統中， 電機的工作電壓為(wei) 24V, 即電源電壓為(wei) 24V, 則要控製H 橋的上管(PMOS)導通和關(guan) 斷的電壓分別為(wei) 24V-15V=9V 和24V, 而對於(yu) 下管(NMOS)來說， 導通與(yu) 關(guan) 斷電壓分別為(wei) 15V 和0V, 要想同時打開與(yu) 關(guan) 斷上、下兩(liang) 管， 所用的控製電路比較複雜。 而且， 相同工藝做出的PMOS 要比NMOS 的工作電流小， PMOS 的成本高。 分別用PMOS 和NMOS 做上管與(yu) 下管， 電路的對稱性不好。 由於(yu) 上述問題， 在構建H 橋的時候僅(jin) 采用NMOS 作為(wei) 功率開關(guan) 器件。 用NMOS 搭建出的H 橋如圖5 所示：

圖5 NMOS 管構成的H 橋