采用N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管實(shí)現(xiàn)大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者：游志宇；杜楊；張洪；董秀成

1 引言

長(zhǎng)期以來，直流電機(jī)以其良好的線性特性、優(yōu)異的控制性能等特點(diǎn)成為大多數(shù)變速運(yùn)動(dòng)控制和閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)的最佳選擇。特別隨著計(jì)算機(jī)在控制領(lǐng)域，高開關(guān)頻率、全控型第二代電力半導(dǎo)體器件（GTR、GTO、MOSFET、IGBT等）的發(fā)展，以及脈寬調(diào)制（PWM）直流調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用，直流電機(jī)得到廣泛應(yīng)用。為適應(yīng)小型直流電機(jī)的使用需求，各半導(dǎo)體廠商推出了直流電機(jī)控制專用集成電路，構(gòu)成基于微處理器控制的直流電機(jī)伺服系統(tǒng)。但是，專用集成電路構(gòu)成的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出功率有限，不適合大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)需求。因此采用N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)建H橋，實(shí)現(xiàn)大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。該驅(qū)動(dòng)電路能夠滿足各種類型直流電機(jī)需求，并具有快速、精確、高效、低功耗等特點(diǎn)，可直接與微處理器接口，可應(yīng)用PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速控制。

2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路總體結(jié)構(gòu)

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路分為光電隔離電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯電路、驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大電路、電荷泵電路、H橋功率驅(qū)動(dòng)電路等四部分，其電路框圖如圖1所示。

由圖可以看出，電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路的外圍接口簡(jiǎn)單。其主要控制信號(hào)有電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向信號(hào)Dir電機(jī)調(diào)速信號(hào)PWM及電機(jī)制動(dòng)信號(hào)Brake，Vcc為驅(qū)動(dòng)邏輯電路部分提供電源，Vm為電機(jī)電源電壓，M+、M-為直流電機(jī)接口。

在大功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，將驅(qū)動(dòng)回路與控制回路電氣隔離，減少驅(qū)動(dòng)控制電路對(duì)外部控制電路的干擾。隔離后的控制信號(hào)經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯電路產(chǎn)生電機(jī)邏輯控制信號(hào)，分別控制H橋的上下臂。由于H橋由大功率N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成，不能由電機(jī)邏輯控制信號(hào)直接驅(qū)動(dòng)，必須經(jīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大電路和電荷泵電路對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行放大，然后驅(qū)動(dòng)H橋功率驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。

3 H橋功率驅(qū)動(dòng)原理

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用最廣泛的就是H型全橋式電路，這種驅(qū)動(dòng)電路方便地實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行，分別對(duì)應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動(dòng)。H橋功率驅(qū)動(dòng)原理圖如圖2所示。

H型全橋式驅(qū)動(dòng)電路的4只開關(guān)管都工作在斬波狀態(tài)。S1、S2為一組，S3、S4為一組，這兩組狀態(tài)互補(bǔ)，當(dāng)一組導(dǎo)通時(shí)，另一組必須關(guān)斷。當(dāng)S1、S2導(dǎo)通時(shí)，S3、S4關(guān)斷，電機(jī)兩端加正向電壓實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動(dòng)；當(dāng)S3、S4導(dǎo)通時(shí)，S1、S2關(guān)斷，電機(jī)兩端為反向電壓，電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動(dòng)。

實(shí)際控制中，需要不斷地使電機(jī)在四個(gè)象限之間切換，即在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間切換，也就是在S1、S2導(dǎo)通且S3、S4關(guān)斷到S1、S2關(guān)斷且S3、S4導(dǎo)通這兩種狀態(tài)間轉(zhuǎn)換。這種情況理論上要求兩組控制信號(hào)完全互補(bǔ)，但是由于實(shí)際的開關(guān)器件都存在導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，絕對(duì)的互補(bǔ)控制邏輯會(huì)導(dǎo)致上下橋臂直通短路。為了避免直通短路且保證各個(gè)開關(guān)管動(dòng)作的協(xié)同性和同步性，兩組控制信號(hào)理論上要求互為倒相，而實(shí)際必須相差一個(gè)足夠長(zhǎng)的死區(qū)時(shí)間，這個(gè)校正過程既可通過硬件實(shí)現(xiàn)，即在上下橋臂的兩組控制信號(hào)之間增加延時(shí)，也可通過軟件實(shí)現(xiàn)。

圖2中4只開關(guān)管為續(xù)流二極管，可為線圈繞組提供續(xù)流回路。當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流通過主開關(guān)管流過電機(jī)。當(dāng)電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子電流必須通過續(xù)流二極管流通，否則電機(jī)就會(huì)發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)甚至燒毀。

4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)

由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路框圖可以看出驅(qū)動(dòng)控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要由四部分電路構(gòu)成，其中光電隔離電路較簡(jiǎn)單，在此不再介紹，下面對(duì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路的其他部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。

4.1 H橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

在直流電機(jī)控制中常用H橋電路作為驅(qū)動(dòng)器的功率驅(qū)動(dòng)電路。由于功率MOSFET是壓控元件，具有輸入阻抗大、開關(guān)速度快、無二次擊穿現(xiàn)象等特點(diǎn)，滿足高速開關(guān)動(dòng)作需求，因此常用功率MOSFET構(gòu)成H橋電路的橋臂。H橋電路中的4個(gè)功率MOSFET分別采用N溝道型和P溝道型，而P溝道功率MOSFET一般不用于下橋臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這樣就有兩種可行方案：一種是上下橋臂分別用2個(gè)P溝道功率MOSFET和2個(gè)N溝道功率MOSFET；另一種是上下橋臂均用N溝道功率MOSFET。

相對(duì)來說，利用2個(gè)N溝道功率MOSFET和2個(gè)P溝道功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方案，控制電路簡(jiǎn)單、成本低。但由于加工工藝的原因，P溝道功率MOSFET的性能要比N溝道功率MOSFET的差，且驅(qū)動(dòng)電流小，多用于功率較小的驅(qū)動(dòng)電路中。而N溝道功率MOSFET，一方面載流子的遷移率較高、頻率響應(yīng)較好、跨導(dǎo)較大；另一方面能增大導(dǎo)通電流、減小導(dǎo)通電阻、降低成本，減小面積。綜合考慮系統(tǒng)功率、可靠性要求，以及N溝道功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用4個(gè)相同的N溝道功率MOSFET的H橋電路，具備較好的性能和較高的可靠性，并具有較大的驅(qū)動(dòng)電流。其電路圖如圖3所示。圖中Vm為電機(jī)電源電壓，4個(gè)二極管為續(xù)流二極管，輸出端并聯(lián)一只小電容C6，用于降低感性元件電機(jī)產(chǎn)生的尖峰電壓。

4.2 電荷泵電路設(shè)計(jì)

電荷泵的基本原理是通過電容對(duì)電荷的積累效應(yīng)而產(chǎn)生高壓，使電流由低電勢(shì)流向高電勢(shì)。最早的理想電荷泵模型是J.Dickson在1976年提出的，當(dāng)時(shí)這種電路是為可擦寫EPROM提供所需電壓。后來J.Witters，Toru Tranzawa等人對(duì)J.Dickson的電荷泵模型進(jìn)行改進(jìn)，提出了比較精確的理論模型，并通過實(shí)驗(yàn)加以證實(shí)提出了相關(guān)理論公式。隨著集成電路的不斷發(fā)展，基于低功耗、低成本的考慮，電荷泵在電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來越廣泛。

簡(jiǎn)單電荷泵原理電路圖如圖4所示。電容C1的A端通過二極管D1接Vcc，電容C1的B端接振幅Vin的方波。當(dāng)B點(diǎn)電位為0時(shí)，D1導(dǎo)通，Vcc開始對(duì)電容C1充電，直到節(jié)點(diǎn)A的電位達(dá)到Vcc；當(dāng)B點(diǎn)電位上升至高電平Vin時(shí)，因?yàn)殡娙輧啥穗妷翰荒芡蛔?，此時(shí)A點(diǎn)電位上升為Vcc+Vin。所以，A點(diǎn)的電壓就是一個(gè)方波，最大值是Vcc+Vin，最小值是Vcc（假設(shè)二極管為理想二極管）。A點(diǎn)的方波經(jīng)過簡(jiǎn)單的整流濾波，可提供高于Vcc的電壓。

在驅(qū)動(dòng)控制電路中，H橋由4個(gè)N溝道功率MOSFET組成。若要控制各個(gè)MOSFET，各MOSFET的門極電壓必須足夠高于柵極電壓。通常要使MOSFET完全可靠導(dǎo)通，其門極電壓一般在10 V以上，即VCS＞10 V。對(duì)于H橋下橋臂，直接施加10 V以上的電壓即可使其導(dǎo)通；而對(duì)于上橋臂的2個(gè)MOSFET，要使VGS＞10 V，就必須滿足VG＞Vm+10 V，即驅(qū)動(dòng)電路必須能提供高于電源電壓的電壓，這就要求驅(qū)動(dòng)電路中增設(shè)升壓電路，提供高于柵極10 V的電壓?？紤]到VGS有上限要求，一般MOSFET導(dǎo)通時(shí)VGS為10 V～15 V，也就是控制門極電壓隨柵極電壓的變化而變化，即為浮動(dòng)?xùn)膨?qū)動(dòng)。因此在驅(qū)動(dòng)控制電路中設(shè)計(jì)電荷泵電路，用于提供高于Vm的電壓Vh，驅(qū)動(dòng)功率管的導(dǎo)通。其電路原理圖如圖5所示。

電路中A部分是方波發(fā)生電路，由RC與反相施密特觸發(fā)器構(gòu)成，產(chǎn)生振幅為Vin=5 V的方波。B部分是電荷泵電路，由三階電荷泵構(gòu)成。當(dāng)a點(diǎn)為低電平時(shí)，二極管D1導(dǎo)通電容C1充電，使b點(diǎn)電壓Vb=Vm-Vtn；當(dāng)a點(diǎn)為高電平時(shí)，由于電容C1電壓不能突變，故b點(diǎn)電壓Vb=Vm+Vin-Vtn，此時(shí)二極管D2導(dǎo)通，電容C3充電，使c點(diǎn)電壓Vx=Vm+Vin-2Vtn；當(dāng)a點(diǎn)再為低電平時(shí)，二極管D1、D3導(dǎo)通，分別對(duì)電容C1、C2充電，使得d點(diǎn)電壓Vd=Vm+Vin-3Vtn；當(dāng)a點(diǎn)再為高電平時(shí)，由于電容C2電壓不能突變，故d點(diǎn)電壓變?yōu)閂d=Vm+2Vin-3Vtn，此時(shí)二極管D2、D4導(dǎo)通，分別對(duì)電容C3、c4充電，使e點(diǎn)電壓Ve=Vm+2Vin-4Vtn。這樣如此循環(huán)，便在g點(diǎn)得到比Vm高的電壓Vh=Vm+3Vin-6tn=Vm+11.4 V。其中Vm為二極管壓降，一般取0.6 V。從而保證H橋的上臂完全導(dǎo)通。

4.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯與放大電路設(shè)計(jì)

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯及放大電路主要實(shí)現(xiàn)外部控制信號(hào)到驅(qū)動(dòng)H橋控制信號(hào)的轉(zhuǎn)換及放大。控制信號(hào)Dir、PWM、Brake經(jīng)光電隔離電路后，由門電路進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生4個(gè)控制信號(hào)M1‘、M2’、M3‘、M4’，然后經(jīng)三極管放大，產(chǎn)生控制H橋的4個(gè)信號(hào)M1、M2、M3、M4。其電路原理圖如圖6所示。其中Vh是Vm經(jīng)電荷泵提升的電壓，Vm為電機(jī)電源電壓。

電機(jī)工作時(shí)，H橋的上臂處于常開或常閉狀態(tài)，由Dir控制，下臂由PWM邏輯電平控制，產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的控制電壓。該方案中，上臂MOSFET只有在電機(jī)換向時(shí)才進(jìn)行開關(guān)切換，而電機(jī)的換向頻率極低，低端由邏輯電路直接控制，邏輯電路的信號(hào)電平切換較快，可以滿足不同頻率要求。該電路還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，由于上臂開啟較慢，而下臂關(guān)斷較快，所以，實(shí)際控制時(shí)換向不會(huì)出現(xiàn)上下臂瞬間同時(shí)導(dǎo)通現(xiàn)象，減小了換向時(shí)電流沖擊，提高了MOSFET的壽命。

5 直流電機(jī)PWM調(diào)速控制

直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=（U-IR）/Kφ

其中U為電樞端電壓，I為電樞電流，R為電樞電路總電阻，φ為每極磁通量，K為電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制可分為勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。勵(lì)磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速時(shí)受到磁飽和限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，而且由于勵(lì)磁線圈電感較大動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，所以這種控制方法用得很少。大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合都使用電樞電壓控制法。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，改變電樞電壓可通過多種途徑實(shí)現(xiàn)，其中PWM（脈寬調(diào)制）便是常用的改變電樞電壓的一種調(diào)速方法。

PWM調(diào)速控制的基本原理是按一個(gè)固定頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)接通和斷開的時(shí)間比（占空比）來改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”，從而改變平均電壓，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)其速度增加，電機(jī)斷電時(shí)其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。而且采用PWM技術(shù)構(gòu)成的無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)．啟停時(shí)對(duì)直流系統(tǒng)無沖擊，并且具有啟動(dòng)功耗小、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。

設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為Vmax，且設(shè)占空比為D=t／T，則電機(jī)的平均速度Vd為：

Vd=VmaxD

由公式可知，當(dāng)改變占空比D=t／T時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度Vd，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格地講，平均速度與占空比D并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可將其近似地看成線性關(guān)系。 在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路中，PWM信號(hào)由外部控制電路提供，并經(jīng)高速光電隔離電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯與放大電路后，驅(qū)動(dòng)H橋下臂MOSFET的開關(guān)來改變直流電機(jī)電樞上平均電壓，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)PWM調(diào)速。

6 結(jié)束語

以N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管為核心，基于H橋PWM控制的驅(qū)動(dòng)控制電路，對(duì)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制及速度調(diào)節(jié)具有良好的工作性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路運(yùn)行穩(wěn)定可靠，電機(jī)速度調(diào)節(jié)響應(yīng)快。能夠滿足實(shí)際工程應(yīng)用的要求，有很好的應(yīng)用前景。

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