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        一種帶過(guò)流保護(hù)的隔離型電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

        2018-07-26 01:46:46賈利浦梁帥鋒孫春峰
        機(jī)電信息 2018年21期
        關(guān)鍵詞:信號(hào)

        賈利浦 梁帥鋒 孫春峰

        (河南優(yōu)德醫(yī)療設(shè)備股份有限公司,河南鄭州450000)

        0 引言

        帶過(guò)流保護(hù)的隔離型直流有刷電機(jī)控制電路是在傳統(tǒng)的H橋驅(qū)動(dòng)電路上進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì),主要增加了電路的隔離功能和設(shè)計(jì)了過(guò)流保護(hù)電路??紤]到市場(chǎng)上常用的直流電機(jī)電壓為24 V,本電路電源設(shè)計(jì)輸入電壓為24 V,電源波動(dòng)范圍18~40 V,電源電路為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和電流采樣電路提供15 V電源。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)可為24 V/300 W的電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)能力。電流采樣及反饋電路設(shè)計(jì)為電流保護(hù)閾值可調(diào),保護(hù)時(shí)間可調(diào)。

        1 硬件方案整體設(shè)計(jì)

        電路主要包括電源電路、控制信號(hào)邏輯轉(zhuǎn)換電路、控制信號(hào)隔離電路、H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電流采樣及反饋控制電路。PWM控制信號(hào)經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算后,通過(guò)隔離電路給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路提供控制信號(hào);電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路為H橋提供合適的驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)控制電機(jī);電流采樣電路對(duì)電流進(jìn)行采樣,經(jīng)信號(hào)處理后,反饋給控制信號(hào)邏輯轉(zhuǎn)換電路來(lái)控制電機(jī)的啟停。

        2 各電路模塊設(shè)計(jì)

        2.1 電源電路設(shè)計(jì)

        電源電路采用DC-DC電源芯片LM2596(圖1)。輸入電源設(shè)計(jì)為直流24 V,輸出直流電壓15 V,為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路及電流采用電路供電。

        圖1 電源電路

        LM2596芯片特點(diǎn):

        (1)可調(diào)輸出電壓范圍:1.2~37 V,±4%;

        (2)輸出電流可高達(dá)3 A;

        (3)輸入電壓可高達(dá)40 V;

        (4)低功耗待機(jī)模式,IQ的典型值為80 μA;

        (5)具有過(guò)熱保護(hù)和限流保護(hù)功能。

        2.2 H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)原理及電路設(shè)計(jì)

        圖2中,Q1、Q2、Q3、Q4四個(gè)MOS管構(gòu)成H橋。Q1、Q4導(dǎo)通,電機(jī)正轉(zhuǎn);Q2、Q3導(dǎo)通,電機(jī)反轉(zhuǎn);Q1、Q2導(dǎo)通或Q3、Q4導(dǎo)通電機(jī)制動(dòng)。MOS管選用STP75NF75(漏極至源極電壓Vdss=75 V;電流-連續(xù)漏極Id@25℃=80 A),性能參數(shù)完全能滿足要求,并且性價(jià)比高。D1、D2、D3、D4為續(xù)流二極管。

        圖2 H橋電路結(jié)構(gòu)

        2.3 H橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

        采用兩個(gè)IR2104半橋驅(qū)動(dòng)器組合來(lái)驅(qū)動(dòng)H橋。IR2104性能參數(shù):

        (1)最大偏置電壓(VOFFSET):600 V max;

        (2)IO口電流(IO+/-):130/270 mA;

        (3)輸出電壓(VOUT):10~20 V;

        (4)開(kāi)啟/關(guān)斷時(shí)間(ton/toff(typ.)):680/150 ns;

        (5)死區(qū)時(shí)間(Deadtime(typ.)):520 ns。

        圖3中SD為低電平時(shí),電機(jī)為斷電狀態(tài)。SD為高電平,IN1和IN2電平相同時(shí),電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài);IN1為低電平,IN2為高電平時(shí),電機(jī)反轉(zhuǎn);IN1為高電平,IN2為低電平,電機(jī)正轉(zhuǎn)。

        圖3 H橋驅(qū)動(dòng)電路

        2.4 控制信號(hào)轉(zhuǎn)換及隔離電路設(shè)計(jì)

        邏輯運(yùn)算采用四路與非門(mén)電路74HC00,隔離電路采用高速光耦6N135進(jìn)行電路隔離。圖4中CT1和CT2控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向,PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。OVERLOAD是電流采樣電路的反饋信號(hào),當(dāng)此信號(hào)為高電平時(shí)表明過(guò)流。

        從表1可以看出,當(dāng)OVERLOAD為“0”時(shí),SD一定為“0”,電機(jī)處于斷電狀態(tài)。當(dāng)OVERLOAD為“1”時(shí),CT1=“0”,CT2=“1”,PWM=“1”時(shí),電機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)OVERLOAD為“1”時(shí),CT1=“1”,CT2=“0”,PWM=“1”時(shí),電機(jī)反轉(zhuǎn);當(dāng)OVERLOAD為“1”時(shí),CT1=“1”,CT2=“1”,PWM=“1”時(shí),電機(jī)制動(dòng);其他情況:電機(jī)為斷電狀態(tài)。因此,可以用CT1和CT2來(lái)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向,用PWM來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

        圖4 控制信號(hào)轉(zhuǎn)換及隔離電路

        表1 運(yùn)算電路邏輯狀態(tài)表

        2.5 過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

        過(guò)流保護(hù)電路(圖5)中電機(jī)電流可以經(jīng)一個(gè)采樣電阻R后,得到電壓信號(hào)C_SINGLE,運(yùn)放U4A為電壓比較器,R28為電位器,通過(guò)調(diào)節(jié)R28可以設(shè)置過(guò)流保護(hù)電流閾值的大小。

        電流閾值:

        R6與C12構(gòu)成RC延時(shí)電路;U4B為滯回比較器,可以通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R30的大小來(lái)設(shè)置閾值大小,從而控制過(guò)流保護(hù)的時(shí)間。

        RC充電時(shí)間:

        正向過(guò)程閾值:

        負(fù)向過(guò)程閾值:

        結(jié)合本電路,延時(shí)時(shí)間:

        3 結(jié)語(yǔ)

        本文介紹的直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,由于采用了隔離控制技術(shù)來(lái)避免電路間干擾問(wèn)題,使得電路更加穩(wěn)定;設(shè)計(jì)的過(guò)流保護(hù)電路,有效保護(hù)了電機(jī),避免了電機(jī)過(guò)載燒毀的情況。從實(shí)踐結(jié)果來(lái)看,電路穩(wěn)定可靠,操作方便,適用于多種功率電機(jī),實(shí)用性強(qiáng)。

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