電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)分析

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基于直流對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的使用需求，各大半導(dǎo)體廠商專門針對(duì)工業(yè)企業(yè)對(duì)直流電機(jī)的使用需求，推出了直流電機(jī)控制專用的集成電路，共同構(gòu)成了集成電路控制系統(tǒng)，該種電路控制系統(tǒng)自身具有集成化效果好、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、外圍元減少，使用便捷等特點(diǎn)。另外，該電路在使用過(guò)程中也存在一定的缺點(diǎn)，輸出的功率相對(duì)較為有限，無(wú)法滿足大功率直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)需求。本文針對(duì)驅(qū)動(dòng)電路存在的不足，專門設(shè)計(jì)了大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，提升了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)效果。

1大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

1.1總體結(jié)構(gòu)

大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示：從圖1中的總體結(jié)構(gòu)能夠看出電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路在控制信號(hào)方面具有重要作用，主要的控制信號(hào)包括電機(jī)轉(zhuǎn)向控制（DIR）及電機(jī)轉(zhuǎn)速控制（PWM）兩種。Vcc1是驅(qū)動(dòng)邏輯電路中的部分電源，能夠?yàn)轵?qū)動(dòng)電路提供電源，Vcc2、Vcc3也是驅(qū)動(dòng)邏輯電路中的重要組成部分，在為大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行供電時(shí)，主要是采用雙電源供電方式。M+、M-作為直流電機(jī)的接口[1]。大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路在供電過(guò)程中，為了取得良好的供電效果，需要將驅(qū)動(dòng)電路電氣與控制電路電氣隔離開(kāi)來(lái)，避免驅(qū)動(dòng)電路在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)其他電路的運(yùn)行效果造成較大的影響，避免電路運(yùn)行過(guò)程中遭受到其他電路的干擾，給系統(tǒng)的邏輯預(yù)算造成較大的影響。加大對(duì)邏輯信號(hào)的控制和使用，充分利用信號(hào)來(lái)提升光電隔離效果，放大邏輯信號(hào)的作用，充分利用控制電路與驅(qū)動(dòng)電路的作用，來(lái)驅(qū)動(dòng)H橋上的下臂，在驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，以完成對(duì)驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)的控制[2]。

1.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯電路分析

在對(duì)驅(qū)動(dòng)電路圖進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要嚴(yán)格按照電器隔離的要求級(jí)Power MOSFET特性要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合當(dāng)前工業(yè)行業(yè)對(duì)電路的使用要求，設(shè)計(jì)出了一款大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路在實(shí)際的使用過(guò)程中，需要確保MCU端和電路輸入端進(jìn)行有效的連接，所設(shè)置的輸入信號(hào)主要包括DIR信號(hào)和PWM信號(hào)兩種。其中DIR信號(hào)主要是指數(shù)字信號(hào)，通常為0或1。而PMN信號(hào)為脈寬調(diào)制信號(hào)，被廣泛應(yīng)用與電機(jī)轉(zhuǎn)速控制中，需要確保兩種信號(hào)的有機(jī)連接，以此來(lái)提升信號(hào)控制效果，滿足工業(yè)企業(yè)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯電路的使用需求。通常電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯電路由 電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯電路、光電隔離和驅(qū)動(dòng)放大器電路及H橋功率驅(qū)動(dòng)電路共同組成[3]。電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯電路如圖2所示，控制信號(hào)PWM和DIR是電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯電路中的重要組成部分，主要用來(lái)收集MCU端送來(lái)的控制信號(hào)，信號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)與門氣74LS08和反向器74LS04運(yùn)算后，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光電隔離器的再驅(qū)動(dòng)。將DIR作為方向控制信號(hào)，在輸入信號(hào)時(shí)需要輸入DOR2，將DIR1和轉(zhuǎn)速控制信號(hào)PWM，通過(guò)74LS08進(jìn)行預(yù)算，以得到轉(zhuǎn)速控制信號(hào)PWM2。需要確保PWM相遇DIR2轉(zhuǎn)速信號(hào)相運(yùn)算后，以此來(lái)得到轉(zhuǎn)速信號(hào)PWM1，在對(duì)信號(hào)進(jìn)行控制時(shí)，主要分為兩組對(duì)信號(hào)進(jìn)行控制，將PWM1和DIR1作為一組，將PWM2和DIR2作為二組。PWM1和PWM2主要是用于控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而DIR1和DIR2主要是運(yùn)用控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)向[4]。待DIR1為1時(shí)，DIR2為0時(shí)，在對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)情況進(jìn)行記錄時(shí)，運(yùn)算器74LS08需要分別于PWM相乘，從相乘后的結(jié)果能夠看出，PWM2計(jì)算所得的波形與PWM的波形相一致，說(shuō)明兩者的輸出信號(hào)一致。如果DIR1為0時(shí)，DIR2為1時(shí)，說(shuō)明PWM1與PWM兩者具有一致的波形信號(hào)。通過(guò)以上對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯電路進(jìn)行分析的過(guò)程，能夠看出DIR1、PWM1，DIR2、PWM2兩組信號(hào)在邏輯運(yùn)算中，有助于驅(qū)動(dòng)廣電隔離電路，對(duì)提升廣電隔離電路使用效果具有重要作[5]。

1.3光電隔離和驅(qū)動(dòng)放大電路分析

為了確保直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路有著良好的應(yīng)用效果，避免受其他電路影響，給電路系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)造成較大的影響，需要加大電路保護(hù)工作，將電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與其他控制電路有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，通過(guò)兩者共同來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣進(jìn)行隔離。光電隔離器在大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中具有良好的應(yīng)用效果，要做好光電隔離器的合理選擇，光電隔離器自身的功能必須要滿足大功率直流電機(jī)的使用需求，以便提升直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)效果，滿足電路的適應(yīng)需求[6]。本文在對(duì)光電隔離和驅(qū)動(dòng)放大器電路進(jìn)行研究時(shí)，結(jié)合實(shí)際的功能需求，選擇了817C和PS9713兩種光電隔離器如圖3所示，其中817C自身的頻率相對(duì)較低，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，主要是運(yùn)用對(duì)電機(jī)的方向控制。而PS9713在電路中使用，作為一種快速光電隔離器，自身的開(kāi)關(guān)頻率相對(duì)較高，被廣泛應(yīng)用于電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制中。在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，PWM2為PWM的一致轉(zhuǎn)速控制信號(hào)，通常將A點(diǎn)作為電位1，到光電隔離器U3截止，U4具有導(dǎo)通功能，B、F點(diǎn)的電位通常為0。隔離器U1在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，被廣泛應(yīng)用與飽和通電中，在U2處截止使用，需要將D點(diǎn)的電位設(shè)置為E2+E3，要想確保直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的合理性，需要做好PWM2處控制工作，確保開(kāi)關(guān)在大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中始終保持良好的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。另外，還需要加大對(duì)控制方向隔離器進(jìn)行控制，所使用的隔離器主要是817C隔離器，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中通過(guò)兩兩配合使用的形式，來(lái)完成對(duì)U1、U2、U3、U4的控制，能夠確保電路在實(shí)際的運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，電機(jī)能夠有效的進(jìn)行切換，避免上下橋臂出現(xiàn)直通短路現(xiàn)象，給電機(jī)系統(tǒng)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)造成較大的影響，能夠放大信號(hào)、起到隔離作用[7]。于導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)控制工作處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，電機(jī)會(huì)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)情況，受PWM控制影響較大[8]。圖3電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

1.4H橋功率驅(qū)動(dòng)電路分析

為了確保大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，避免電路自身存在的缺陷，對(duì)電路系統(tǒng)造成較大的影響，需要加大對(duì)H橋功率電路的研究力度，H橋功率驅(qū)動(dòng)電路圖如圖4所示。本文在研究過(guò)程中主要是使用雙電源形式，電源為E2、E3兩種驅(qū)動(dòng)電源，其中E2主要是用于提升電壓，E3主要是用于電機(jī)供電，其中Q1、Q3門極主要是用于提升電壓，運(yùn)用的場(chǎng)效應(yīng)管為AM60N06，對(duì)提升溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)具有重要作用，確保了驅(qū)動(dòng)電流的正常穩(wěn)定運(yùn)行。另外，還需要明確工作開(kāi)關(guān)狀態(tài)，運(yùn)用電阻R4、R5為U5提供電壓，確保Q4能夠與E點(diǎn)相連，通常門極電壓波形通常會(huì)與PWM2波形相一致。為了減少導(dǎo)通及截止時(shí)間，需要合理選擇電壓，綜合各因素進(jìn)行考慮，當(dāng)DIR為1時(shí)，Q2、Q3通常會(huì)處于截止?fàn)顟B(tài)，Q1在持續(xù)充電，Q4受PWM2控制影響較大。當(dāng)工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，能夠確保確保電機(jī)處于正常的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速受PWM控制影響較大。當(dāng)DIR為0時(shí)，Q1、Q4處于截止?fàn)顟B(tài)，Q2受PWM2控制開(kāi)關(guān)影響較大，Q3一直處2大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)現(xiàn)為了驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)器性能對(duì)大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路所造成的影響，本文主要選用25D60-24V型直流電機(jī)，運(yùn)用該電機(jī)來(lái)進(jìn)行閉環(huán)控制。25D60-24V型直流電機(jī)的額定功率為60W，額定電壓為24V，額定轉(zhuǎn)速為2800rpm，額定電流為3.8A。電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中最高的轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到2915rpm，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不會(huì)發(fā)生明顯的發(fā)熱現(xiàn)象，表明電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，在大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中具有良好的使用效果，最高的工作時(shí)間能夠滿足連續(xù)三天，每天工作的時(shí)間超過(guò)8小時(shí)。為了確保直流電機(jī)在工作過(guò)程中，免受其他測(cè)試電路影響，需要做好系統(tǒng)與開(kāi)關(guān)之間的自由切換工作，提升測(cè)試電路的抗干擾能力及抗沖擊力，避免電路系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重的故障。另外，直流電路系統(tǒng)在實(shí)際的使用過(guò)程中受增加負(fù)載現(xiàn)象影響較大，給電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成較大的影響，導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法正常工作，嚴(yán)重影響電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行效果。針對(duì)這一情況，為了能夠確保電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，滿足電機(jī)的驅(qū)動(dòng)需求，需要做好電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免電流在啟動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)嚴(yán)重的電流驟升現(xiàn)象，需要在電路中留有一定的電流冗余，提升了電路的抗干擾能力，對(duì)確保電路系統(tǒng)的安全運(yùn)轉(zhuǎn)及穩(wěn)定工作具有重要作用[9]。

2結(jié)論

大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自身具有可靠性和穩(wěn)定性特點(diǎn)，通常驅(qū)動(dòng)功率能夠達(dá)到50A，驅(qū)動(dòng)功率相對(duì)較大，電機(jī)的速度調(diào)節(jié)響應(yīng)較快，符合電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)要求，在對(duì)PWM的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，需要將調(diào)節(jié)的范圍控制在0-1之間，將電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制為0-nmax之間，加大對(duì)廣電隔離技術(shù)的應(yīng)用力度，有效避免對(duì)驅(qū)動(dòng)電路對(duì)邏輯電路造成的干擾，強(qiáng)化MCU電路和邏輯電路保護(hù)效果，以便能夠滿足工業(yè)行業(yè)對(duì)大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的使用需求。

作者:唐亦敏 單位:無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院