较大功率直流电机驱动电路的设计方案.docx
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较大功率直流电机驱动电路的设计方案
较大功率直流电机驱动电路的设计方案
1引言
直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便、调速范围广，过载能力强，可以
实现频繁的无级快速启动、制动和反转，能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊运
行要求，因此在工业控制领域，直流电机得到了广泛的应用。
基于此，本文详细分析和探讨
有针对性设计和实现了一款基
抗干扰能力强，具有广泛的应
许多半导体公司推出了直流电机专用驱动芯片,但这些芯片多数只适合小功率直流电
机，对于大功率直流电机的驱动，其集成芯片价格昂贵。
了较大功率直流电机驱动电路设计中可能出现的各种问题，于25D60-24A的直流电机驱动电路。
该电路驱动功率大，
用前景。
在直流电机中，可以采用GTR集电极输出型和射极输出性驱动电路实现电机的驱动,但是它们都属于不可逆变速控制,其电流不能反向，无制动能力，也不能反向驱动,
机只能单方向旋转，补对称式驱动电路使用最为广泛。
行，有效实现电机的正、反转弱励磁磁通、改变电枢回路电阻。
2H桥功率驱动电路的设计
无制动能力，也不能反向驱动，电
因此这种驱动电路受到了很大的限制。
对于可逆变速控制，H桥型互
可逆驱动允许电流反向，可以实现直流电机的四象限运
控制。
而电机速度的控制主要有三种,调节电枢电压、减
三种方法各有优缺点，改变电枢回路电阻只能实现有级
调速，减弱磁通虽然能实现平滑调速，但这种方法的调速范围不大，一般都是配合变压
调速使用。
因此在直流调速系统中，都是以变压调速为主，通过PWM（PulseWidthModulation）信号占空比的调节改变电枢电压的大小，从而实现电机的平滑调速。
H桥驱动原理
要控制电机的正反转，需要给电机提供正反向虫压，这就需要四路开关去控制电机两个输入端的电压。
当开关S1和S4闭合时，电流从电机左端流向电机的右端，电机沿一
个方向旋转；当开关S2和S3闭合时，电流从电机右端流向电机左端，电机沿另一个方向
旋转，H桥驱动原理等效电路图如图1所示。
T1
MOTOR
O
图1H桥驱动原理电路图
开关器件的选择及H桥电路设计
常用的电子开关器件有继电器，三极管，MOS管，IGBT等。
普通继电器属机械器
件，开关次数有限，开关速度比较慢。
而且继电器内部为感性负载，对电路的干扰比较
大。
但继电器可以把控制部分与被控制部分分开，实现由小信号控制大信号，高压控制
中经常会用到继电器。
三极管属于电流驱动型器件，设基极电流为IB,集电极电流为IC,三极管的放大系数为如果，IB*3>=IC,则三极管处于饱和状态，可以当作开关使用。
要
使三极管处于开关状态，IB=IC/3,三极管驱动管的电流跟三极管输出端的电流成正比，
如果三极管输出端电流比较大，对三极管驱动端的要求也比较高。
MOS管属于电压驱动
型器件，对于NMOS来说，只要栅极电压高于源极电压即可实现NMOS的饱和导通，MOS管开启与关断的能量损失仅是对栅极和源极之间的寄生电容的充放电，对MOS管驱
动端要求不高。
同时MOS端可以做到很大的电流输出，因此一般用于需要大电流的场所。
IGBT则是结合了三极管和MOS管的优点制造的器件，一般用于200V以上的情况。
在本设计中，电机工作电流为，工作电压24V,电机驱动的控制端为51系列单片机，最
大灌电流为30mA.因此采用MOS管作为H桥的开关器件。
MOS管又有NMOS和PMOS
之分，两种管子的制造工艺不同，控制方法也不同。
NMOS导通要求栅极电压大于源极
电压（10V-15V）,而PMOS的导通要求栅极电压小于源极电压（10V-15V）。
在本设计中，采
用24V单电源供电，采用NMOS管的通断控制的接线如图2所示，只要G极电压在
10-15V的范围内，NMOS即可饱和导通，G极电压为0时，NMOS管关断。
采用PMOS管实现通断控制时，其接线如图3所示，G极电压等于电源电压VCC时
PMOS关断。
10V15V时，要使PMOS导通则G极电压为VCC-15V.PMOS的导通与关断，是在
电源电压VCC与VCC-15V之间切换，当电源电压VCC较大时控制不方便。
比较图2图
3可知：
NMOS位于负载的下方，而PMOS位于负载的上方，用NMOS和PMOS,替换
掉图1中的开关，就可以组成由MOS管组成的H桥，如图4所示。
Q1和Q4导通，电机沿一个方向旋转，Q2
本系统中，电机的工作电压为24V,即电源电压为
和关断的电压分别为24V-15V=9V和24V,而对于下管（NMOS）来说，导通与关断电压分别为15V和0V,要想同时打开与关断上、下两管，所用的控制电路比较复杂。
而且，相同
工艺做出的PMOS要比NMOS的工作电流小，PMOS的成本高。
分别用PMOS和NMOS做上管与下管，电路的对称性不好。
由于上述问题，在构建H桥的时候仅采用NMOS作
为功率开关器件。
用NMOS搭建出的H桥如图5所示：
:
A：
:
图5NMOS管构成的H桥
5NMOS管组成的H桥中，首先分析由Q1和Q4组成的通路，当Q1和Q4关断
时，A
先打开
点的电位处于"悬浮"状态（不确定电位为多少）（Q2和Q3也关断）。
在打开Q4之前，Q1,给Q1的G极15V的电压，由于A点”悬浮”状态，则A点可以是任何电平，
要打开由NMOS构成的H桥的上管，必由于NMOS的S极一般接地，被称为"极相对于浮地有10-15V的电压差，
这样可能导致Q1打开失败；在打开Q4之后，尝试打开Q1,在Q1打开之前，A点为低电位，给Q1的G极加上15V电压，Q1打开，由于Q1饱和导通，A点的电平等于电源电压（本系统中电源电压为24V），此时Q1的G极电压小于Q1的S极电压，Q1关断，Q1打开失败。
Q2和Q3的情况与Q1和Q4相似。
这就
须处理好A点（也就是上管的S极）"悬浮”的问题。
浮地".要使上管NMOS打开，必须使上管的G需要采用升压电路。
H桥控制器
率控制中一般采用在两次状态转变中插入"死区"的方法来防止瞬时的短路。
在选择H桥垄
本系统中采用IR2103作为NMOS控制器，IR2103内部集成升压电路，外部仅需要
一个自举电容和一个自举二极管即可完成自举升压。
IR2103内部集成死区升成器，可以
在每次状态转换时插入"死区",同时可以保证上、下两管的状态相反。
IR2103和NMOS组
成的H桥半桥电路如下图6所示:
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7-
图6IR2103和NMOS管构成的H桥半桥电路
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15V
图7自举电路升压波形
图中B部分为自举升压后VB端的电压，图中A部分是由于在上管关断的过程中，由
使VS端产生负电压，从而使电容过充。
要削弱
同时可以在地与VS端加入续流二极管。
如下图所
图8在IR2103中加入续流二极管电路。
图中D2即为续流二极管，续流二极管采用普通二极管即可，但VS电压恢复越快，自
举电容过充现象越不明显，本系统采用1N4148作为续流二极管。
以及IC和
由于驱动器和MOSFET栅极之间的引线、地回路的引线等所产生的电感,
FET内部的寄生电感，在开启时会在MOSFFT栅极出现振铃,一方面增加MOSFFT的开
关损耗，同时EMC方面不好控制。
在MOSFET的栅极和驱动IC的输出之间串联一个电
阻（如图9中B所示）。
这个电阻称为"栅极电阻",其作用是调节MOSFET的开关速度，减少栅极出现的振铃现象，减小EMI,也可以对栅极电容充放电起限流作用。
该电阻的引入
减慢了MOS管的开关速度，但却能减少EMI,使栅极稳定。
344-
純
图9消除振铃电路。
MOS管的关断时间要比开启时间慢（开启充电，关断放电），因此就要改变MOS管的关断速度，可以在栅极电阻上反向并联一个二极管（如图9中A所示），当MOS管关断时，二极管导通，将栅极电阻短路从而减少放电时间。
由于VS端可能出现负电压，在VS端串入一个合适的电阻，可以在产生负电压时起到限流作用，针对负载电机为感性器件，在
其电路如下图
H桥的输出端并一个小电容，并在局部供电部分加一个去藕电容十分必要。
所示：
图10限流去耦电路。
图中C7为局部去藕电容，可以取lOOuF,C6为输出电容，根据负载取值。
由于采用
电容式自举电路，电容在工作的过程中会自行放电，所以PWM波的占空比接近100%但
不能达到100%.但这不影响电机的正常工作，因为电机本身固有的特性，电机有一个较小
的饱和区，即或占空比增大，其转速也不会有明显的变化。
因此上述电路完全满足工作
的需要。
3硬件测试
为了对驱动器性能进行测试,选用25D60-24V的直流电机进行闭环控制控制，电机
的额定功率为60W,额定转速为2800rpm,额定电压为24V,额定电流为.其电机的最高转速可达2910rpm,电机启动的最低转速为44rpm,堵转时无明显发热现象。
为了测试电路工作
的稳定性，连续三天电机工作8小时以上，电路的发热较小；为了测试电路的抗冲击，抗
干扰能力，系统在开与关之间连续进行多次切换，电路工作没有出现任何故障；另外系统
在突然增加负载的情况下也能正常工作。
因此完全满足驱动的需要，而且设计过程中，
8A,
防止启动和制动电流的骤然升高，电路有较大的电流冗余，电路中最高电流可以达到
有效地保证了电路工作的稳定性，并具有很强的抗干扰能力。
从器件的选择到系统的实现，并通过理论计算和工程实践解决上
4结论
本文设计并实现了一种较大功率直流电机驱动电路，
细分析和探讨了电路设计过程中可能出现的各种问题，
述问题。
该电路鲁棒性强，实用性广，尤其适合驱动较大功率的直流电机。
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