一種帶過(guò)流保護(hù)的隔離型電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

賈利浦 梁帥鋒 孫春峰

（河南優(yōu)德醫(yī)療設(shè)備股份有限公司，河南鄭州450000）

0 引言

帶過(guò)流保護(hù)的隔離型直流有刷電機(jī)控制電路是在傳統(tǒng)的H橋驅(qū)動(dòng)電路上進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，主要增加了電路的隔離功能和設(shè)計(jì)了過(guò)流保護(hù)電路?？紤]到市場(chǎng)上常用的直流電機(jī)電壓為24 V，本電路電源設(shè)計(jì)輸入電壓為24 V，電源波動(dòng)范圍18～40 V，電源電路為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和電流采樣電路提供15 V電源。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)可為24 V/300 W的電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)能力。電流采樣及反饋電路設(shè)計(jì)為電流保護(hù)閾值可調(diào)，保護(hù)時(shí)間可調(diào)。

1 硬件方案整體設(shè)計(jì)

電路主要包括電源電路、控制信號(hào)邏輯轉(zhuǎn)換電路、控制信號(hào)隔離電路、H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電流采樣及反饋控制電路。PWM控制信號(hào)經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算后，通過(guò)隔離電路給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路提供控制信號(hào)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路為H橋提供合適的驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)控制電機(jī)；電流采樣電路對(duì)電流進(jìn)行采樣，經(jīng)信號(hào)處理后，反饋給控制信號(hào)邏輯轉(zhuǎn)換電路來(lái)控制電機(jī)的啟停。

2 各電路模塊設(shè)計(jì)

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路采用DC-DC電源芯片LM2596（圖1）。輸入電源設(shè)計(jì)為直流24 V，輸出直流電壓15 V，為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路及電流采用電路供電。

圖1 電源電路

LM2596芯片特點(diǎn)：

（1）可調(diào)輸出電壓范圍：1.2～37 V，±4%；

（2）輸出電流可高達(dá)3 A；

（3）輸入電壓可高達(dá)40 V；

（4）低功耗待機(jī)模式，IQ的典型值為80 μA；

（5）具有過(guò)熱保護(hù)和限流保護(hù)功能。

2.2 H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)原理及電路設(shè)計(jì)

圖2中，Q1、Q2、Q3、Q4四個(gè)MOS管構(gòu)成H橋。Q1、Q4導(dǎo)通，電機(jī)正轉(zhuǎn)；Q2、Q3導(dǎo)通，電機(jī)反轉(zhuǎn)；Q1、Q2導(dǎo)通或Q3、Q4導(dǎo)通電機(jī)制動(dòng)。MOS管選用STP75NF75（漏極至源極電壓Vdss=75 V；電流-連續(xù)漏極Id@25℃=80 A），性能參數(shù)完全能滿足要求，并且性價(jià)比高。D1、D2、D3、D4為續(xù)流二極管。

圖2 H橋電路結(jié)構(gòu)

2.3 H橋驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

采用兩個(gè)IR2104半橋驅(qū)動(dòng)器組合來(lái)驅(qū)動(dòng)H橋。IR2104性能參數(shù)：

（1）最大偏置電壓（VOFFSET）：600 V max；

（2）IO口電流（IO+/-）：130/270 mA；

（3）輸出電壓（VOUT）：10～20 V；

（4）開(kāi)啟/關(guān)斷時(shí)間（ton/toff（typ.））：680/150 ns；

（5）死區(qū)時(shí)間（Deadtime（typ.））：520 ns。

圖3中SD為低電平時(shí)，電機(jī)為斷電狀態(tài)。SD為高電平，IN1和IN2電平相同時(shí)，電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)；IN1為低電平，IN2為高電平時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；IN1為高電平，IN2為低電平，電機(jī)正轉(zhuǎn)。

圖3 H橋驅(qū)動(dòng)電路

2.4 控制信號(hào)轉(zhuǎn)換及隔離電路設(shè)計(jì)

邏輯運(yùn)算采用四路與非門(mén)電路74HC00，隔離電路采用高速光耦6N135進(jìn)行電路隔離。圖4中CT1和CT2控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。OVERLOAD是電流采樣電路的反饋信號(hào)，當(dāng)此信號(hào)為高電平時(shí)表明過(guò)流。

從表1可以看出，當(dāng)OVERLOAD為“0”時(shí)，SD一定為“0”，電機(jī)處于斷電狀態(tài)。當(dāng)OVERLOAD為“1”時(shí)，CT1=“0”，CT2=“1”，PWM=“1”時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)OVERLOAD為“1”時(shí)，CT1=“1”，CT2=“0”，PWM=“1”時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)OVERLOAD為“1”時(shí)，CT1=“1”，CT2=“1”，PWM=“1”時(shí)，電機(jī)制動(dòng)；其他情況：電機(jī)為斷電狀態(tài)。因此，可以用CT1和CT2來(lái)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向，用PWM來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖4 控制信號(hào)轉(zhuǎn)換及隔離電路

表1 運(yùn)算電路邏輯狀態(tài)表

2.5 過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)

過(guò)流保護(hù)電路（圖5）中電機(jī)電流可以經(jīng)一個(gè)采樣電阻R后，得到電壓信號(hào)C_SINGLE，運(yùn)放U4A為電壓比較器，R28為電位器，通過(guò)調(diào)節(jié)R28可以設(shè)置過(guò)流保護(hù)電流閾值的大小。

電流閾值：

R6與C12構(gòu)成RC延時(shí)電路；U4B為滯回比較器，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電位器R30的大小來(lái)設(shè)置閾值大小，從而控制過(guò)流保護(hù)的時(shí)間。

RC充電時(shí)間：

正向過(guò)程閾值：

負(fù)向過(guò)程閾值：

結(jié)合本電路，延時(shí)時(shí)間：

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，由于采用了隔離控制技術(shù)來(lái)避免電路間干擾問(wèn)題，使得電路更加穩(wěn)定；設(shè)計(jì)的過(guò)流保護(hù)電路，有效保護(hù)了電機(jī)，避免了電機(jī)過(guò)載燒毀的情況。從實(shí)踐結(jié)果來(lái)看，電路穩(wěn)定可靠，操作方便，適用于多種功率電機(jī)，實(shí)用性強(qiáng)。