摘 要：介紹了由半橋驅(qū)動(dòng)電路以及轉(zhuǎn)向控制電路構(gòu)成的一種新型、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、實(shí)用的直流電機(jī)控制電路的實(shí)現(xiàn)方法，并闡述了電路的組成以及設(shè)計(jì)過(guò)程。實(shí)踐證明，該套直流電機(jī)控制電路能克服傳統(tǒng)的H橋控制電路中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、死區(qū)時(shí)間不易控制的問(wèn)題，特別在大功率電機(jī)的控制方面該系統(tǒng)具有比傳統(tǒng)H橋控制電路更優(yōu)良的工作性能。

關(guān)鍵詞：半橋驅(qū)動(dòng);單片機(jī);直流電機(jī);繼電器

中圖分類(lèi)號(hào)：TM301.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1004373X(2008)1510502

Design of a Practical DC Motor Control Circuit

LI Chao，LI Bo

(School of Automation，Wuhan University of Technology，Wuhan，430070，China)

Abstract：This paper introduces a realization of a new，simply-structured，convenient debugging，practical DC motor control circuit，which consists of half-bridge driver circuit and steering control circuit，and elaborates composition of the circuit and design process of the circuit.Being proved by practice，this set of DC motor control circuit can overcome problems of traditional H-bridge control circuit in complex structures，and dead-time control.Particularly in the high-power motor control this system has better work performance than traditional H-bridge control circuit.

Keywords：half-bridge driver;single chip computer;DC motor;relay

當(dāng)前很多的直流電機(jī)控制電路一般都采用H橋驅(qū)動(dòng)方案，H橋驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)由于開(kāi)關(guān)器件數(shù)目較半橋結(jié)構(gòu)增加了一倍，會(huì)造成系統(tǒng)成本和重量的增加，且死區(qū)時(shí)間的控制，不然很容易燒壞管子，使其應(yīng)用受到了局限。雖然有一些集成驅(qū)IC的出現(xiàn)能緩解上述問(wèn)題，但在大功率直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)上仍顯不足。本文介紹了一種主要由半橋驅(qū)動(dòng)電路和轉(zhuǎn)向控制電路共同組成的大功率直流電機(jī)控制電路的實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)的組成以及工作原理

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由單片機(jī)、半橋驅(qū)動(dòng)電路、轉(zhuǎn)向控制電路、電機(jī)組成。圖1是系統(tǒng)的硬件模塊框圖。

1.2 系統(tǒng)的工作原理

單片機(jī)根據(jù)外部采集到的信號(hào)發(fā)出相應(yīng)的PWM信號(hào)，該P(yáng)WM信號(hào)輸出后送至半橋驅(qū)動(dòng)集成芯片后控制半橋的開(kāi)閉，半橋驅(qū)動(dòng)電路的輸出信號(hào)再經(jīng)繼電器控制電路配合單片機(jī)發(fā)出的正、反轉(zhuǎn)控制信號(hào)來(lái)控制直流電機(jī)。整套硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便能實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速和轉(zhuǎn)向控制。

2 半橋驅(qū)動(dòng)集成芯片的介紹

IR21844是國(guó)際整流器公司推出的多功能600 V高端及低端驅(qū)動(dòng)集成電路，這種適于功率MOSFET、IGBT驅(qū)動(dòng)的集成電路在照明鎮(zhèn)流器、電源及電機(jī)等功率驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域中獲得廣泛的應(yīng)用。 IR21844的性能特點(diǎn)如下：

(1) 芯片體積小，集成度高(可同時(shí)驅(qū)動(dòng)同一橋臂的上、下兩只開(kāi)關(guān)器件)；

(2) 驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，可驅(qū)動(dòng)600 V的主電路系統(tǒng)，柵極驅(qū)動(dòng)輸入電壓寬達(dá)10~20 V；

(3) 動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，典型T_on/T_off時(shí)間為680/270 ns；

(4) 輸入輸出同相設(shè)計(jì)。提供高端和低端獨(dú)立控制驅(qū)動(dòng)輸出，可通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立CMOS或LSTTL輸入來(lái)控制，為設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的靈活性；

(5) 低功耗設(shè)計(jì)，堅(jiān)固耐用且防噪效能高，IR21844采用高壓集成電路技術(shù)，整合設(shè)計(jì)既降低成本和簡(jiǎn)化電路，又降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和節(jié)省電路板的空間，相比于其他分立式、脈沖變壓器及光耦解決方案，IR21844更能節(jié)省組件數(shù)量和空間，并提高可靠性；

(6) 具有電源欠壓保護(hù)和關(guān)斷邏輯。IR21844有兩個(gè)非倒相輸入及交叉?zhèn)鲗?dǎo)保護(hù)功能，整合了專(zhuān)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的半橋MOSFET或IGBT電路而設(shè)的保護(hù)功能。當(dāng)電源電壓降至4.7 V 以下時(shí)，欠壓鎖定(UVLO) 功能會(huì)立即關(guān)掉兩個(gè)輸出，以防止穿通電流及器件故障。當(dāng)電源電壓大于5 V時(shí)則會(huì)釋放輸出(綜合滯后一般為0.3 V) 。過(guò)壓(HVIC) 及防閉鎖CMOS技術(shù)使IR21844非常堅(jiān)固耐用；

(7) IR21844還配備有大脈沖電流緩沖級(jí)，可將交叉?zhèn)鲗?dǎo)減至最低;同時(shí)采用具有下拉功能的施密特(Schmitt) 觸發(fā)式輸入設(shè)計(jì)，可有效隔絕噪音，以防止器件意外開(kāi)通。

IR21844采用16腳DIP或SOIC封裝，該芯片與其他同類(lèi)產(chǎn)品的特性比較見(jiàn)表1。

從表1可看出IR21844比同類(lèi)其他產(chǎn)品特性更優(yōu)越、集成度更高。

IR21844的典型接線圖如圖2所示。

3 硬件電路的設(shè)計(jì)

3.1 半橋驅(qū)動(dòng)電路

按照工作原理半橋驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如圖3所示。

半橋驅(qū)動(dòng)電路采用IXYS的HiperFET功率管組成半橋控制電路。上半橋的功率管經(jīng)MOSFET保護(hù)電路中的電阻R₃接到IR21844芯片的HO輸出端，下半橋的功率管經(jīng)MOSFET保護(hù)電路中的電阻R₆接到IR21844芯片的LO輸出端。HO和LO輸出端受IR21844的IN輸出端控制，IN端接收來(lái)自PIC單片機(jī)的PWM信號(hào)。在SD輸入端為低電平時(shí)，IN輸入信號(hào)被封鎖無(wú)效，HO和LO輸出端均為低電平;在SD輸入端為高電平時(shí)，IN輸入信號(hào)有效，HO輸出端輸出與IN信號(hào)同相的PWM信號(hào)，LO輸出與IN信號(hào)反相的PWM信號(hào)。VT1和VT2功率管在有效的HO和LO輸出信號(hào)下交互導(dǎo)通，此過(guò)程中HO和LO之間的死區(qū)時(shí)間必須控制好，以防止上、下半橋同時(shí)導(dǎo)通燒壞MOSFET管。在電路設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)DT端的輸入電阻R₇來(lái)控制死區(qū)時(shí)間的大小，設(shè)計(jì)中取R₇=180 kΩ，死區(qū)時(shí)間可調(diào)節(jié)至5 μs。圖中C₃為自舉電容，當(dāng)VT1關(guān)斷，VT2開(kāi)通時(shí)，VCC經(jīng)D₄，C₃、負(fù)載、VT2給C₃充電，以確保VT2關(guān)斷，VT1開(kāi)通時(shí)，VT1管的柵極靠C₃上足夠的儲(chǔ)能來(lái)驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自舉式驅(qū)動(dòng)。如果負(fù)載阻抗較大，C₃經(jīng)負(fù)載降壓充電降慢，使得VT2關(guān)斷，VT1開(kāi)通時(shí)C₃上的電壓仍不能充電到自舉電壓以上時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)會(huì)因欠壓被片內(nèi)邏輯封鎖，VT1就不能正常工作，每個(gè)周期VT1開(kāi)通一次，C₃就通過(guò)VT2充電一次。因此C₃的選取很關(guān)鍵，應(yīng)根據(jù)電路系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行選取。

半橋驅(qū)動(dòng)的輸出信號(hào)然后去控制電機(jī)轉(zhuǎn)向控制電路中的電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。

3.2 轉(zhuǎn)向控制電路

電機(jī)轉(zhuǎn)向控制電路采用繼電器來(lái)控制，該套電路規(guī)模小，功耗小，正反轉(zhuǎn)互鎖、可靠性高。電路中共有3個(gè)繼電器，每個(gè)繼電器都有兩組觸點(diǎn)，一組常閉，一組常開(kāi)。圖4中的繼電器JDQ3為轉(zhuǎn)向控制電路的總進(jìn)電端口，當(dāng)X1為高電平24 V時(shí)，JDQ3得電，它的第3和第6觸點(diǎn)之間的開(kāi)關(guān)被吸合，轉(zhuǎn)向控制電路就被上電。X4上電后即為24 V，若此時(shí)PIC35輸出為高電平，PIC34輸出為低電平，則三極管V₁的輸出為低電平，三極管V₂的輸出為高電平，此時(shí)只有JDQ2得電，故它的第3和第6觸點(diǎn)之間的開(kāi)關(guān)被吸合，此時(shí)可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)。同理，在PIC35輸出為低電平，PIC34輸出為高電平時(shí)，三極管V₂的輸出為低電平，三極管V₁的輸出為高電平，此時(shí)只有JDQ1得電，故它的第3和第6觸點(diǎn)之間的開(kāi)關(guān)被吸合，此時(shí)可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)。假設(shè)在電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制過(guò)程中，JDQ1和JDQ2同時(shí)得電，則電機(jī)停轉(zhuǎn)，電路不會(huì)出現(xiàn)短路的情況，故正反轉(zhuǎn)互鎖、可靠性高。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹的電機(jī)控制電路控制原理成熟可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，從實(shí)踐結(jié)果來(lái)看，能實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的良好控制，操作方便，運(yùn)行可靠，實(shí)用性好。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介 李 超 男，1982年出生，湖北咸寧人，碩士研究生。主要研究領(lǐng)域?yàn)槠?chē)電子信息與控制技術(shù)。