大功率直流电机驱动电路设计与实现分析

1、大功率直流电机驱动电路设计与实现分析 摘 要：直流电机主要是指将直流电能转换成机械能的电机，自身的调速特性优良，调速范围较广，使用方便，调速平滑性强，具有良好的过载能力，在启动应用过程中能够频繁的实现无级快速启动、制动机反转工作，能够满足自动化系统在各个不同阶段的特殊运行需求，在工业领域内被广泛应用。当前一些半导体公司针对工业对直流电机的使用需求，制作了驱动芯片，将其应用在直流电机中。本文从设计与实?F两方面的内容对大功率直流电机驱动电路进行分析。 关键词：大功率；直流电机；驱动电路；设计；实现 DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.13.160 0 前言 基于

2、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（D

3、IR）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

4、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

5、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

6、。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

7、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

8、，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

9、，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。 1.4 H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

10、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，Q3一直处于导通状态，当控制工作?于开关状态下，电机会出现反转情况，受PWM控制影响较大8。 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

11、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

12、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。 3 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

13、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。 参考文献： 1王凯，黄卫清，王寅，潘松.三角转换式双足压电直线电机的驱动电路设计J.中国电机工程学报，2014（S1）：189-194. 2王瑞.大功率IGBT栅极驱动电路的研究J.电气自动化，2014（03）：115-117. 3邓华燕，梁荣峰.基于AVR单片机的大功率LED驱动和控制电路的设计与分析J.电子制作，2014（07）：4-5. 4宋超，王刚，栾宁.双闭环无刷直流电机驱动电路的设计与实现J. 现代电子技术，2013（04）：107-110. 5张广智，王琳琳，赵伟华，张伟光，李全熙.大功率IGBT击穿故障分析及驱动保护电路设计J.科技创新导报，2012（35）：29-30. 6宋坚波，汪宋良.一种大功率LED驱动电路的设计与实现J. 机电信息，2012（18）：150-151. 7余晓填，杨曦，陈安，解辉，黄泽毅.基于移动机器人直流电机