直流电机驱动电路图及设计思路

2019-06-29 10:17字体:
  

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  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, 电机只能单方向旋转, 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 桥型互补对称式驱动电路使用最为广泛。

  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。

  电路设计中可能出现的各种问题, 有针对性设计和实现了一款基于25D60-24A 的直流电机驱动电路。 该电路驱动功率大, 抗干扰能力强, 具有广泛的应用前景。

  电流不能反向, 无制动能力, 也不能反向驱动, 电机只能单方向旋转, 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 桥型互补对称式驱动电路使用最为广泛。可逆驱动允许电流反向, 可以实现直流电机的四象限运行, 有效实现电机的正、反转控制。 而电机速度的控制主要有三种, 调节电枢电压、减弱励磁磁通、改变电枢回路电阻。 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(Pulse Width Modulation)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。

  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。

  三极管场效应管继电器直接带动电机即可,当电机需要双向转动时,可以使用由4个功率元件组成的H桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。如果不需要调速,只要使用继电器即可;但如果需要调速,可以使用三极管,场效应管等开关元件实现PWM(脉冲宽度调制)调速。

  污染;大的电流可能导致地线)可靠性。电机驱动电路应该尽可能做到,无论加上何种控制信号,何种无源负载,电路都是安全的。

  指示灯和一个二极管的2.7V基准电压比较,转换成接近功率电源电压幅度的方波信号。KF347的输入电压范围不能接近负电源电压,否则会出错。因此在运放输入端增加了防止电压范围溢出的二极管。输入端的两个电阻一个用来限流,一个用来在输入悬空时把输入端拉到低电平。不能用LM339或其他任何开路

  当运放输出端为低电平(约为1V至2V,不能完全达到零)时,下面的三极管截止,场效应管导通。上面的三极管导通,场效应管截止,输出为高电平。当运放输出端为高电平(约为VCC-(1V至2V),不能完全达到VCC)时,下面的三极管导通,场效应管截止。上面的三极管截止,场效应管导通,输出为低电平。

  上面的分析是静态的,下面讨论开关转换的动态过程:三极管导通电阻远小于2千欧,因此三极管由截止转换到导通时场效应管栅极电容上的电荷可以迅速释放,场效应管迅速截止。但是三极管由导通转换到截止时场效应管栅极通过2千欧电阻充电却需要一定的时间。相应的,场效应管由导通转换到截止的速度要比由截止转换到导通的速度快。假如两个三极管的开关动作是同时发生的,这个电路可以让上下两臂的场效应管先断后通,消除共态导通现象。

  大功率场效应管内部在源极和漏极之间反向并联有二极管,接成H桥使用时,相当于输出端已经并联了消除电压尖峰用的四个二极管,因此这里就没有外接二极管。输出端并联一个小电容(out1和out2之间)对降低电机产生的尖峰电压有一定的好处,但是在使用PWM时有产生尖峰电流的副作用,因此容量不宜过大。在使用小功率电机时这个电容可以略去。如果加这个电容的话,一定要用高耐压的,普通的瓷片电容可能会出现击穿短路的故障。

  时用焊锡填满,否则可能会烧断。另外,如果使用了稳压管,场效应管源极对电源和地的导线要尽可能的短粗,否则在大电流时,这段导线上的压降可能会经过正偏的稳压管和导通的三极管将其烧毁。在一开始的设计中,NMOS管的源极于地之间曾经接入一个0.15欧的电阻用来检测电流,这个电阻就成了不断烧毁板子的罪魁祸首。当然如果把稳压管换成电阻就不存在这个问题了。

  在2004年的Robocon比赛中,我们主要采用了这个电路用以电机驱动。

  左图就是一个12V驱动桥的一边,上面电路的三极管部分被两个二极管和两个电阻代替。(注意,跟上图逻辑是反的)由于场效应管栅极电容的存在,通过R3,R4向栅极电容充电使场效应管延缓导通;而通过二极管直接将栅极电容放电使场效应管立即截止,从而避免了共态导通。

  R3,R4的选取与IN信号边沿升降速度有关,信号边缘越陡峭,R3,R4可以选的越小,开关速度也就可以做的越快。Robocon比赛使用的升压电路(原理相似)中,IN前用的是555。

  在前级逻辑电路里,有意地对控制PMOS的下降沿和控制NMOS的上升沿进行延时,再整形成方波,也可以避免场效应管的共态导通。另外,这样做可以使后级的栅极驱动电路简化,可以是低阻推挽驱动栅极,不必考虑栅极电容,可以较好的适应不同的场效应管。2003年Robocon比赛采用的就是这种驱动电路。下图是两种边沿的延时电路:

  这个栅极驱动电路由两级三极管组成:前级提供驱动场效应管栅极所需的正确电压,后级是一级射极跟随器,降低输出阻抗,消除栅极电容的影响。为了保证不共态导通,输入的边沿要比较陡,上述先延时再整形的电路就可以做到。

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