6直流电机驱动电路的设计

直流电机驱动电路的设计作者：时间：2007-12-10来源:电子元器件网浏览评论推荐给好友我有问题个性化定制关键词：直流电机元件制造驱动电路的性能很大程度上影响整个系统的工作性能。有许多问题需要慎重设计，例如，导通延时、泵升保护、过压过流保护、开关频率、附加电感的选择等。1.开关频率和主回路附加电感的选择力矩波动也即电流波动，由系统设计给定的力矩波动指标为ΔI/IN，对有刷直流电动机而言，通常在(5~10)%左右。为了便于分析可认为ΔI/IN=ΔI/(Us/Rd)(1)式中Rd为电枢回路总电阻。代入前面各种驱动控制方式的ΔI表达式中，消去Us，可求出：对于单极性控制Ld/Rd≥5T~2.5T(可逆或不可逆)(2)对于双极性控制Ld/Rd≥10T~5T（3）式中T为功率开关的开关周期。对于有刷直流电动机，电磁时间常数Ld/Rd一般在10ms至几十毫秒。若采用GTR，开关频率可取2KHz左右，T=0.5ms。若采用IGBT，开关频率可取18KHz以上，所以上式均能满足。若采用GTO或可控硅功率器件，由于工作频率只有100Hz左右，此时应考虑在主回路附加电抗器，且Ld=Lf+La(4)对不可逆系统还应进一步检查临界电流，IaL=UsT/8Ld≤Ia0应小于电机空载电流，防止空载失控。对于低惯量电机、力矩电动机，由于电磁时间常数很小（几个毫秒或更小），此时应考虑采用开关频率高的IGBT功率开关器件。2.功率驱动电路的选择图1H桥开关电路(Ⅰ)图2H桥开关电路(Ⅱ){{分页}}小功率驱动电路可以采用如图1所示的H桥开关电路。UA和UB是互补的双极性或单极性驱动信号，TTL电平。开关晶体管的耐压应大于1.5倍Us以上。由于大功率PNP晶体管价格高，难实现，所以这个电路只在小功率电机驱动中使用。当四个功率开关全用NPN晶体管时，需要解决两个上桥臂晶体管(BG1和BG3)的基极电平偏移问题。图2中H桥开关电路利用两个晶体管实现了上桥臂晶体管的电平偏移。但电阻R上的损耗较大，所以也只能在小功率电机驱动中使用。当驱动功率比较大时，一般桥臂电压也比较高，例如直接取工频电压，单相220V，或三相380V。为了安全和可靠，希望驱动回路（主回路）与控制回路绝缘。此时，主回路必须采用浮地前置驱动。图3所示的浮地前置驱动电路都是互相独立的，并由独立的电源供电。由于前置驱动电路中采用了光电耦合，使控制信号分别与各自的前置驱动电路电气绝缘，于是使控制信号对主回路浮地（或不共地）。图3大功率驱动电路3.具有光电耦合绝缘的前置驱动电路对于大功率驱动系统，希望将主回路与控制回路之间实行电气隔离，此时常采用光电耦合电路来实现。有三种常用的光电耦合电路如图4所示，其中普通型的典型型号是4N25、117等，高速型的典型型号有985C，高电流传输比型也称达林顿型，典型型号有113等。图4典型光电耦合器电路{{分页}}图中，普通型光耦的Ic/Id=0.1~0.3；高速型光耦采用光敏二极管；高电流传输比型光耦的Ic/Id=0.5；它们的上升延时时间和关断延时时间分别为tr，ts4~5µs；tr，ts1.5µs；tr，ts为10µs左右。光电耦合器与后续电路结合就能构成前置驱动电路，如图5所示。这个前置驱动电路的上升延时tr——3.9µs，关断延时ts——1.6µs，可以在中等功率系统中使用。图5前置驱动电路为了对功率开关提供最佳前置驱动，现在已有很多专用的前置驱动模块。这种驱动模块对功率开关提供理想前置驱动信号，保证功率开关迅速导通，迅速关断，对功率开关的饱和深度进行最佳控制，对功率开关的过电流、过热进行检测和保护。例如，EX356、EX840等等。4.防直通导通延时电路对H桥驱动电路上下桥臂功率晶体管加互补信号，由于带载情况下，晶体管的关断时间通常比开通时间长，这样，例如当下桥臂晶体管未及时关断，而上桥臂抢先开通时就出现所谓“桥臂直通”故障。桥臂直通时电流迅速变大，造成功率开关损坏。所以设置导通延时，是必不可少的。图6是导通延时电路及其波形。图6导通延时电路及波形导通延时，有时也称死区时间，可通过RC时间常数来设置；对GTR可按0.2µs/A来设置；对MOSFET可按0.1~0.2µs设计，且与电流无关，IGBT可按2~5µs设计。举例说明，若为GTR，f=5kHz，双极性工作，调宽区域为T/2=1/10=0.1ms。若I=100A，则Δt=0.2X100=20µs，则PWM调制分辨率最大可能性为(T/2)Δt=0.1/0.02=5(5)这说明死区时间占据了调制周期的1/5，显然是不可行的。所以对于100A的电机系统，GTR的开关频率必须低于5kHz。例如，2kHz以下，此时分辨率达12.5左右。驱动电路的设计还有很多问题，例如过压、过流、过热、泵升保护等等。