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电机驱动电路设计与实现分析

基于直流对电机驱动电路的使用需求,各大半导体厂商专门针对工业企业对直流电机的使用需求,推出了直流电机控制专用的集成电路,共同构成了集成电路控制系统,该种电路控制系统自身具有集成化效果好、驱动电路简单、外围元减少,使用便捷等特点。另外,该电路在使用过程中也存在一定的缺点,输出的功率相对较为有限,无法满足大功率直流电机的驱动需求。本文针对驱动电路存在的不足,专门设计了大功率直流电机驱动电路,提升了驱动电路的设计效果。

1大功率直流电机驱动电路的设计

1.1总体结构

大功率直流电机驱动电路如图1所示:从图1中的总体结构能够看出电机驱动电路在控制信号方面具有重要作用,主要的控制信号包括电机转向控制(DIR)及电机转速控制(PWM)两种。Vcc1是驱动逻辑电路中的部分电源,能够为驱动电路提供电源,Vcc2、Vcc3也是驱动逻辑电路中的重要组成部分,在为大功率直流电机驱动电路进行供电时,主要是采用双电源供电方式。M+、M-作为直流电机的接口[1]。大功率直流电机驱动电路在供电过程中,为了取得良好的供电效果,需要将驱动电路电气与控制电路电气隔离开来,避免驱动电路在运行过程中对其他电路的运行效果造成较大的影响,避免电路运行过程中遭受到其他电路的干扰,给系统的逻辑预算造成较大的影响。加大对逻辑信号的控制和使用,充分利用信号来提升光电隔离效果,放大逻辑信号的作用,充分利用控制电路与驱动电路的作用,来驱动H桥上的下臂,在驱动直流电机,以完成对驱动电路系统的控制[2]。

1.2电机驱动逻辑电路分析

在对驱动电路图进行设计时,需要严格按照电器隔离的要求级Power MOSFET特性要求进行设计,结合当前工业行业对电路的使用要求,设计出了一款大功率直流电机驱动电路。驱动电路在实际的使用过程中,需要确保MCU端和电路输入端进行有效的连接,所设置的输入信号主要包括DIR信号和PWM信号两种。其中DIR信号主要是指数字信号,通常为0或1。而PMN信号为脉宽调制信号,被广泛应用与电机转速控制中,需要确保两种信号的有机连接,以此来提升信号控制效果,满足工业企业对电机驱动逻辑电路的使用需求。通常电机驱动逻辑电路由 电机驱动逻辑电路、光电隔离和驱动放大器电路及H桥功率驱动电路共同组成[3]。电机驱动逻辑电路如图2所示,控制信号PWM和DIR是电机驱动逻辑电路中的重要组成部分,主要用来收集MCU端送来的控制信号,信号会经过与门气74LS08和反向器74LS04运算后,来实现对光电隔离器的再驱动。将DIR作为方向控制信号,在输入信号时需要输入DOR2,将DIR1和转速控制信号PWM,通过74LS08进行预算,以得到转速控制信号PWM2。需要确保PWM相遇DIR2转速信号相运算后,以此来得到转速信号PWM1,在对信号进行控制时,主要分为两组对信号进行控制,将PWM1和DIR1作为一组,将PWM2和DIR2作为二组。PWM1和PWM2主要是用于控制电机的转速,而DIR1和DIR2主要是运用控制电机的正反转向[4]。待DIR1为1时,DIR2为0时,在对电机驱动情况进行记录时,运算器74LS08需要分别于PWM相乘,从相乘后的结果能够看出,PWM2计算所得的波形与PWM的波形相一致,说明两者的输出信号一致。如果DIR1为0时,DIR2为1时,说明PWM1与PWM两者具有一致的波形信号。通过以上对电机驱动逻辑电路进行分析的过程,能够看出DIR1、PWM1,DIR2、PWM2两组信号在逻辑运算中,有助于驱动广电隔离电路,对提升广电隔离电路使用效果具有重要作[5]。

1.3光电隔离和驱动放大电路分析

为了确保直流电机驱动电路有着良好的应用效果,避免受其他电路影响,给电路系统的安全稳定运转造成较大的影响,需要加大电路保护工作,将电机驱动电路与其他控制电路有机的结合起来,通过两者共同来实现对电气进行隔离。光电隔离器在大功率直流电机驱动中具有良好的应用效果,要做好光电隔离器的合理选择,光电隔离器自身的功能必须要满足大功率直流电机的使用需求,以便提升直流电机的驱动效果,满足电路的适应需求[6]。本文在对光电隔离和驱动放大器电路进行研究时,结合实际的功能需求,选择了817C和PS9713两种光电隔离器如图3所示,其中817C自身的频率相对较低,在实际的应用过程中,主要是运用对电机的方向控制。而PS9713在电路中使用,作为一种快速光电隔离器,自身的开关频率相对较高,被广泛应用于电机的转速控制中。在电机运转的过程中,PWM2为PWM的一致转速控制信号,通常将A点作为电位1,到光电隔离器U3截止,U4具有导通功能,B、F点的电位通常为0。隔离器U1在实际的应用过程中,被广泛应用与饱和通电中,在U2处截止使用,需要将D点的电位设置为E2+E3,要想确保直流电机驱动控制的合理性,需要做好PWM2处控制工作,确保开关在大功率直流电机驱动中始终保持良好的运转状态。另外,还需要加大对控制方向隔离器进行控制,所使用的隔离器主要是817C隔离器,在实际的应用过程中通过两两配合使用的形式,来完成对U1、U2、U3、U4的控制,能够确保电路在实际的运转过程中,电机能够有效的进行切换,避免上下桥臂出现直通短路现象,给电机系统的安全运转造成较大的影响,能够放大信号、起到隔离作用[7]。于导通状态,当控制工作处于开关状态下,电机会出现反转情况,受PWM控制影响较大[8]。图3电机驱动电路图

1.4H桥功率驱动电路分析

为了确保大功率直流电机驱动工作的稳定运转,避免电路自身存在的缺陷,对电路系统造成较大的影响,需要加大对H桥功率电路的研究力度,H桥功率驱动电路图如图4所示。本文在研究过程中主要是使用双电源形式,电源为E2、E3两种驱动电源,其中E2主要是用于提升电压,E3主要是用于电机供电,其中Q1、Q3门极主要是用于提升电压,运用的场效应管为AM60N06,对提升沟道增强型场效应具有重要作用,确保了驱动电流的正常稳定运行。另外,还需要明确工作开关状态,运用电阻R4、R5为U5提供电压,确保Q4能够与E点相连,通常门极电压波形通常会与PWM2波形相一致。为了减少导通及截止时间,需要合理选择电压,综合各因素进行考虑,当DIR为1时,Q2、Q3通常会处于截止状态,Q1在持续充电,Q4受PWM2控制影响较大。当工作在开关状态时,能够确保确保电机处于正常的运转状态,转速受PWM控制影响较大。当DIR为0时,Q1、Q4处于截止状态,Q2受PWM2控制开关影响较大,Q3一直处2大功率直流电机驱动电路的实现为了验证驱动器性能对大功率直流电机驱动电路所造成的影响,本文主要选用25D60-24V型直流电机,运用该电机来进行闭环控制。25D60-24V型直流电机的额定功率为60W,额定电压为24V,额定转速为2800rpm,额定电流为3.8A。电机在启动过程中最高的转速能够达到2915rpm,在运转过程中不会发生明显的发热现象,表明电机运转正常,在大功率直流电机驱动电路中具有良好的使用效果,最高的工作时间能够满足连续三天,每天工作的时间超过8小时。为了确保直流电机在工作过程中,免受其他测试电路影响,需要做好系统与开关之间的自由切换工作,提升测试电路的抗干扰能力及抗冲击力,避免电路系统发生严重的故障。另外,直流电路系统在实际的使用过程中受增加负载现象影响较大,给电机的正常运转造成较大的影响,导致电机无法正常工作,严重影响电机的实际运行效果。针对这一情况,为了能够确保电机的正常运转,满足电机的驱动需求,需要做好电机的优化设计,避免电流在启动和制动过程中出现严重的电流骤升现象,需要在电路中留有一定的电流冗余,提升了电路的抗干扰能力,对确保电路系统的安全运转及稳定工作具有重要作用[9]。

2结论

大功率直流电机驱动系统自身具有可靠性和稳定性特点,通常驱动功率能够达到50A,驱动功率相对较大,电机的速度调节响应较快,符合电机驱动的高效运转要求,在对PWM的占空比进行调节时,需要将调节的范围控制在0-1之间,将电机的转速控制为0-nmax之间,加大对广电隔离技术的应用力度,有效避免对驱动电路对逻辑电路造成的干扰,强化MCU电路和逻辑电路保护效果,以便能够满足工业行业对大功率直流电机驱动电路的使用需求。

作者:唐亦敏 单位:无锡科技职业学院

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