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        具有軟啟動(dòng)功能的大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

        2021-12-17 09:08:32陶瑞
        電子制作 2021年22期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)

        陶瑞

        (珠海云洲智能科技有限公司,廣東珠海,519000)

        1 問題提出

        大功率直流電機(jī)啟動(dòng)瞬間會(huì)有一個(gè)較大的電流沖擊,這個(gè)電流一般是電機(jī)正常工作電流的10倍左右或更大,容易損壞H橋電路,同時(shí)容易拉低供電電源,尤其是在需要頻繁控制電機(jī)啟?;蛘崔D(zhuǎn)換向的場合,流過電機(jī)的電流有效值會(huì)極具增加,可能會(huì)導(dǎo)致線路發(fā)熱或燒毀保險(xiǎn)絲,造成設(shè)備損壞,因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)具有軟啟動(dòng)功能的大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,減小電機(jī)的啟動(dòng)電流沖擊,使電機(jī)平滑啟動(dòng),提高系統(tǒng)可靠性和使用壽命。

        2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

        ■2.1 功能框架

        考慮直流電機(jī)使用中會(huì)出現(xiàn)的常見問題,設(shè)計(jì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包含以下功能:

        (1)軟啟動(dòng)。減小電機(jī)啟動(dòng)的沖擊電流,提高系統(tǒng)可靠性和壽命。(2)寬電壓輸入??梢约嫒菔忻嫔铣S玫?2V和24V直流電機(jī)。(3)電源輸入防反接。防止由于接線錯(cuò)誤導(dǎo)致的模塊損壞。(4)過流保護(hù)。防止電機(jī)堵轉(zhuǎn)或短路等異常情況下,損壞電機(jī)和控制電路。(5)過壓保護(hù)。防止驅(qū)動(dòng)電壓波動(dòng)或接錯(cuò)電壓造成驅(qū)動(dòng)電路損壞。(6)死區(qū)保護(hù)。防止H橋上管和下管同時(shí)導(dǎo)通造成短路燒毀的情況。(7)隔離信號(hào)輸入。系統(tǒng)控制信號(hào)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路隔離,減小驅(qū)動(dòng)電路對(duì)系統(tǒng)電路的影響。(8)正反轉(zhuǎn)切換延時(shí)。防止電機(jī)由正轉(zhuǎn)直接切換到反轉(zhuǎn),或由反轉(zhuǎn)直接切換到正轉(zhuǎn),造成的機(jī)械結(jié)構(gòu)沖擊和驅(qū)動(dòng)電路的電流沖擊,提高系統(tǒng)可靠性和壽命。(9)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)。主要考慮使用場景可能比較苛刻,要求工作溫度在-10℃~70℃,防護(hù)等級(jí)要達(dá)到IP66。

        ■2.2 硬件設(shè)計(jì)

        本設(shè)計(jì)的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊由DCDC電源,2路光電隔離輸入,STM32微處理器,2個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)芯片以,H橋電路以及保護(hù)電路組成,硬件框圖如圖1所示。

        圖1 硬件框圖

        DC/DC電源,用于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊供電,直流電機(jī)常用的工作電壓是12V和24V,因此本設(shè)計(jì)的DC/DC電源選用9~36V輸入,3.3V輸出,可以滿足常用的直流電機(jī)的使用。

        兩路光電隔離輸入,用于接收系統(tǒng)發(fā)來的控制信號(hào),當(dāng)接收到第一路輸入有效信號(hào)后,微處理器會(huì)控制電機(jī)正轉(zhuǎn),當(dāng)接收到第二路輸入有效信號(hào)后,微處理器會(huì)控制電機(jī)反轉(zhuǎn)。同時(shí)具有保護(hù)功能,當(dāng)同時(shí)給正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)信號(hào),驅(qū)動(dòng)器會(huì)停止輸出,使電機(jī)停轉(zhuǎn)。

        STM32微處理器,是本設(shè)計(jì)的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的控制核心,用于接收控制狀態(tài),并通過發(fā)送脈寬調(diào)制(PWM)命令來控制電機(jī)緩啟動(dòng),以及正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)切換功能。通過控制PWM脈寬調(diào)制,控制H橋電路輸出給電機(jī)的電壓從0V逐漸增加到電機(jī)工作的額定電壓,可有效減小電機(jī)的啟動(dòng)電流,從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)緩啟動(dòng)。

        兩個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)芯片,用來驅(qū)動(dòng)H橋電路,本設(shè)計(jì)之所有采用半橋驅(qū)動(dòng)芯片來控制H橋驅(qū)動(dòng),出于兩方面原因:首先,半橋驅(qū)動(dòng)芯片具有死區(qū)保護(hù)功能,可以防止同橋臂上下兩個(gè)MOS同時(shí)導(dǎo)通導(dǎo)致的燒毀情況,而如果使用MCU來控制死區(qū)時(shí)序,不夠穩(wěn)定,異常情況下可能會(huì)出現(xiàn)燒毀MOS管的現(xiàn)象。其次,半橋驅(qū)動(dòng)芯片具有自舉電路,可以驅(qū)動(dòng)N通道場效應(yīng)管(NMOS),同級(jí)別的N通道場效應(yīng)管比P通道場效應(yīng)管的內(nèi)阻低很多,而驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)熱和這個(gè)內(nèi)阻成正比,因此可以大大減小驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)熱現(xiàn)象。

        H橋電路由4個(gè)NMOS組成,通過控制4個(gè)NMOS的導(dǎo)通和關(guān)閉,可以控制電流的流向,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。

        保護(hù)電路具有三個(gè)功能,首先是過壓保護(hù)功能,通過在電源輸入端加入TVS來實(shí)現(xiàn)。其次是輸入反接保護(hù)功能,通過控制一個(gè)NMOS的開關(guān)來實(shí)現(xiàn),然后是短路保護(hù)功能,通過電流采樣電阻和電壓比較器實(shí)現(xiàn)。

        ■2.3 軟件設(shè)計(jì)

        (1)電機(jī)正轉(zhuǎn)緩啟動(dòng)控制

        微處理器的PWM1口:占空比從0%逐漸調(diào)高至98%;PWM2口:占空比設(shè)置為0%,發(fā)送給半橋驅(qū)動(dòng)芯片,從而驅(qū)動(dòng)H橋左橋臂上面的NMOS和右橋臂下面的NMOS打開,并且使電壓從0V逐漸升高至VCC,實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)緩啟動(dòng)(見圖2)。

        圖2 電機(jī)正轉(zhuǎn)緩啟動(dòng)控制

        (2)電機(jī)反轉(zhuǎn)緩啟動(dòng)控制

        微處理器的的PWM1口:占空比設(shè)置為0%;PWM2口:占空比從0%逐漸調(diào)高至98%,發(fā)送給半橋驅(qū)動(dòng)芯片,從而驅(qū)動(dòng)H橋左橋臂下面的NMOS和右橋臂上面的NMOS打開,并且使電壓從0V逐漸升高至VCC,實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)緩啟動(dòng)(見圖3)。

        圖3 電機(jī)反轉(zhuǎn)緩啟動(dòng)控制

        (3)緩啟動(dòng)時(shí)間配置

        為了適應(yīng)不同的運(yùn)用場景,軟件可以配置緩啟動(dòng)時(shí)間。在需要相應(yīng)速度比較快的場合,可以縮短緩啟動(dòng)時(shí)間,代價(jià)是啟動(dòng)電流的增加,在需要相應(yīng)速度不高的場合,可以增加緩啟動(dòng)時(shí)間,可以減小啟動(dòng)電流沖擊。

        (4)正反轉(zhuǎn)切換時(shí)間配置

        與緩啟動(dòng)時(shí)間配置類似,軟件可以配置正反轉(zhuǎn)切換時(shí)間,以適應(yīng)不同的運(yùn)用場景。在需要相應(yīng)速度比較快的場合,可以減小正轉(zhuǎn)切換到反轉(zhuǎn)的時(shí)間,代價(jià)是啟動(dòng)電流的增加,在需要相應(yīng)速度不高的場合,可以增加正轉(zhuǎn)切換到反轉(zhuǎn)的時(shí)間,可以減小啟動(dòng)電流沖擊。

        3 應(yīng)用效果

        本設(shè)計(jì)應(yīng)用到一個(gè)船用液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上,用于控制船用液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的液壓泵,液壓泵的電機(jī)額定工作電壓12V,正常工作電流6~8A,通過控制施加在液壓泵站電機(jī)上的電壓,來控制電機(jī)正反轉(zhuǎn),從而驅(qū)動(dòng)液壓泵正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn),當(dāng)給液壓泵站電機(jī)施加正向電壓時(shí),液壓泵正轉(zhuǎn),當(dāng)給液壓泵站電機(jī)施加負(fù)向電壓時(shí),液壓泵反轉(zhuǎn)。

        為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的實(shí)際使用效果,使用普通H橋驅(qū)動(dòng)器和本設(shè)計(jì)帶有緩啟動(dòng)功能的H橋驅(qū)動(dòng)器做對(duì)比,分別驅(qū)動(dòng)液壓泵電機(jī),抓取驅(qū)動(dòng)過程中的電流波形,對(duì)比電機(jī)啟停和換向過程中的最大沖擊電流。

        首先測量普通H橋驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)液壓泵電機(jī)的沖擊電流,抓取的電流波形如圖4所示。

        圖4 普通H橋驅(qū)動(dòng)器—電流波形圖

        電流傳感器采用100A/5V傳感器,電流值=Volts×20,從圖4可以看出,啟動(dòng)電流峰值=5×20=100A。使用普通H橋電路來控制這個(gè)電機(jī),在不加緩啟動(dòng)的情況下,啟動(dòng)沖擊電流在100A左右,如果頻繁啟動(dòng)會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)帶來很大沖擊,同時(shí)會(huì)造成電流有效值極具升高,可能會(huì)燒保險(xiǎn)絲,或拉低供電電壓,造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

        再對(duì)比本設(shè)計(jì)加入緩啟動(dòng)的H橋驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)液壓泵電機(jī)的沖擊電流,抓取的電流波形如圖5所示。

        圖5 加入緩啟動(dòng)的H橋驅(qū)動(dòng)器—電流波形圖

        電流傳感器采用100A/5V傳感器,電流值=Volts×20,從圖5可以看出,啟動(dòng)電流峰值=0.6×20=12A。使用本設(shè)計(jì)帶緩啟動(dòng)的H橋驅(qū)動(dòng)控制這個(gè)電機(jī),啟動(dòng)沖擊電流在12A左右,對(duì)比普通H橋驅(qū)動(dòng)100A的沖擊電流,上電沖擊電流明顯減小,達(dá)到了緩啟動(dòng)的效果,提高了系統(tǒng)的可靠性。

        下面列出測試數(shù)據(jù)對(duì)比表格,如表1所示。

        表1

        4 結(jié)語

        大功率直流電機(jī)的啟動(dòng)沖擊電流不容忽視,直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定,本設(shè)計(jì)的具有軟啟動(dòng)功能的大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,有效的減小了電機(jī)啟動(dòng)電流,使電機(jī)平滑啟動(dòng),同時(shí)加入了反接保護(hù),過壓保護(hù),過流保護(hù)等功能,杜絕了實(shí)際使用中的常見問題的發(fā)生,是一個(gè)高可靠性的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,極大的提高了系統(tǒng)的可靠性和使用壽命,同時(shí)可以配置緩啟動(dòng)時(shí)間和正反轉(zhuǎn)切換時(shí)間,增加了產(chǎn)品的適用性。

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