簡(jiǎn)析直流有刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

呂曉春

摘要：在自動(dòng)化或者智能控制領(lǐng)域，動(dòng)力源的種類繁多，但從源頭上大體可以分為氣動(dòng)動(dòng)力與電動(dòng)動(dòng)力兩大類;在電動(dòng)動(dòng)力方面，有電機(jī)或者電磁鐵等電能到動(dòng)能轉(zhuǎn)換部件;電機(jī)的細(xì)分種類，大致又可分為：直流有刷電機(jī)（BDC）與直流無(wú)刷電機(jī)（BLDC），步進(jìn)電機(jī)（STEP MOTOR）;伺服電機(jī)（SERVO MOTOR），與交流電機(jī)（AC MOTOR）。有刷直流電機(jī)雖然有結(jié)構(gòu)與可靠性上的一些缺點(diǎn)，但是有刷直流電機(jī)價(jià)格在性價(jià)比上，即滿足必要的性能，相對(duì)合適的成本，有刷電機(jī)依舊是一個(gè)很好的選擇;直流有刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)看似簡(jiǎn)單，但實(shí)際有很多問題，主要在于：電機(jī)啟動(dòng)、停止、換向時(shí)容易損壞驅(qū)動(dòng)器，在啟動(dòng)停止換向瞬間的沖擊電流比正常工作電流大十倍以上;這就要求驅(qū)動(dòng)器的負(fù)載能力與各種保護(hù)措施都要求強(qiáng)壯才能保證驅(qū)動(dòng)器可靠。

關(guān)鍵詞：直流電機(jī);驅(qū)動(dòng)器;電機(jī)驅(qū)動(dòng)器;通用驅(qū)動(dòng)器

1.直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)概述

方案1，使用繼電器實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、或者換向和制動(dòng);這種方式由于繼電器開合次數(shù)壽命非常有限，在開合時(shí)觸點(diǎn)上產(chǎn)生電弧，以及在電流較大時(shí)觸點(diǎn)接觸電阻導(dǎo)致觸點(diǎn)發(fā)熱，導(dǎo)致觸點(diǎn)加速氧化導(dǎo)致接觸不良，這種方案用在課堂教學(xué)中問題不大，但如果頻繁換向或者制動(dòng)的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，繼電器就很容易損壞，這種方案就不是一個(gè)可靠方案。

方案2，驅(qū)動(dòng)器使用半導(dǎo)體功率器件來(lái)實(shí)現(xiàn)全橋，如下圖所示：

這種控制方式，在啟動(dòng)或者負(fù)載電流較大時(shí)，功率器件進(jìn)入完全導(dǎo)通或者完全關(guān)斷的狀態(tài)是有一個(gè)過程的，功率器件處于半導(dǎo)通的狀態(tài)的過程，在功率器件上的壓降大，而導(dǎo)致功率器件發(fā)熱嚴(yán)重;另外這種方案還有上下橋臂的功率管直通的過程出現(xiàn)，雖然在整個(gè)控制啟停過程中可能直通過程很短暫，但即便短暫也很有可能直接就導(dǎo)致燒毀;

方案3，基于MOS管的H橋。這種類型的驅(qū)動(dòng)電路有很多的經(jīng)典電路，甚至都有很多現(xiàn)成H橋集成電路芯片可選，比如MC33HB2000等，舉例的這個(gè)芯片負(fù)載電流可以到3A，峰值電流能到16A，電機(jī)工作電壓可以高達(dá)28V;集成過熱保護(hù)，短路保護(hù)，可以說(shuō)能滿足很大部分中小額定電流的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)合;但這種方案也不是本設(shè)計(jì)要討論的重點(diǎn)，因?yàn)镽dsOn的典型值為235mOhm，這個(gè)值還是有點(diǎn)偏大;在可靠性要求比較苛刻的工業(yè)控制環(huán)境下，對(duì)于需要頻繁啟動(dòng)停止與換向的應(yīng)用場(chǎng)合，發(fā)熱還是偏大，這個(gè)可靠性無(wú)法保證;

另外如果需要驅(qū)動(dòng)的直流電機(jī)的額定電流接近3A甚至是超過3A，設(shè)計(jì)出的驅(qū)動(dòng)器額定功率與負(fù)載功率接近，功率余量不足，甚至不夠，這個(gè)場(chǎng)合就不能采用這個(gè)芯片方案;基于MOS管的非集成芯片的H橋驅(qū)動(dòng)方案，更普遍地應(yīng)用到直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方案中，而基于MOS管的H橋分立驅(qū)動(dòng)方案有兩大類：A方案，上下橋臂都使用NMOS管，上橋臂通過一個(gè)電荷泵升電路控制通斷; B方案，上橋臂采用PMOS管，下橋臂采用NMOS管;在A方案的設(shè)計(jì)中，可以考慮采用IR2104S半橋驅(qū)動(dòng)器去驅(qū)動(dòng)H橋功率電路，該芯片廠商也提供了經(jīng)典的設(shè)計(jì)方案;A方案的最大問題是怎么確保上下橋臂不出現(xiàn)橋臂直通現(xiàn)象;功率管開關(guān)通斷時(shí)，會(huì)產(chǎn)生比較大的電源振鈴波動(dòng)，這個(gè)波動(dòng)會(huì)影響IR2104S的驅(qū)動(dòng)波形，這個(gè)方案對(duì)供電的電源要求相對(duì)較高;為規(guī)避上述這些方案的問題，在當(dāng)前芯片制造工藝下PMOS造價(jià)與導(dǎo)通電阻都與NMOS接近情況下，采用B方案的是本方案設(shè)計(jì)的討論重點(diǎn)。

2.設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)的直流有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，要求穩(wěn)定，可靠，相對(duì)高的性價(jià)比;H橋臂絕對(duì)避開單邊直通情況;更低的RdsOn;對(duì)供電電源要求相對(duì)不苛刻，對(duì)各種工作電壓工作電流的直流有刷電機(jī)能夠很好適應(yīng)。

2.1設(shè)計(jì)原理圖，如圖b：

2.2原理解釋

本設(shè)計(jì)H橋臂有兩個(gè)輸入，分別為Rz與Rf;如上圖，Rz接左橋臂的上下橋臂，Rf接右橋臂的上下橋臂，從圖上看，注意左右橋臂的比較器的基準(zhǔn)是設(shè)置值不同，用比較器做電平切換是因?yàn)榍袚Q翻轉(zhuǎn)速度足夠快，另外因?yàn)樯舷聵虮鄣幕鶞?zhǔn)設(shè)置不同，驅(qū)動(dòng)器在啟動(dòng)或者換向以及停止時(shí)，控制邏輯電平的切換理論上非?？?，可以做到uS級(jí)別，但是考慮控制邏輯輸入線路上的分布電容，結(jié)電容的影響，這個(gè)uS級(jí)會(huì)被遲滯放大，就是邏輯電平在高低電平切換期間，有一個(gè)危險(xiǎn)電平，這個(gè)上下橋臂不同基準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，可以保證這個(gè)危險(xiǎn)電平期間，上下橋臂的MOS管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，從而保證在切換的整個(gè)周期，都不會(huì)出現(xiàn)上下橋臂直通的情況;即便在電機(jī)啟停換向期間電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)反饋回輸入電源導(dǎo)致電源的波動(dòng)疊加在輸入電平的的各種干擾都會(huì)被這種上下橋臂錯(cuò)位基準(zhǔn)設(shè)計(jì)給過濾掉，這樣的設(shè)計(jì)對(duì)供電電源的要求比較低。

下面詳細(xì)分析一下本設(shè)計(jì)的橋臂電平切換過程，由于本設(shè)計(jì)的電路橋臂是對(duì)稱的，所以我們先只看如圖的左橋臂的上下臂控制與切換過程。一般情況下，VCC=5V，Rz開始在高電平（邏輯1），TTL邏輯高電平是5V，比較器同向輸入為上橋臂的邏輯電平輸入，比較器的反向輸入為基準(zhǔn)電平輸入;如圖所示，上橋臂基準(zhǔn)電壓Vjz=5*15/（10+15）V=3V;此時(shí)，比較器輸出為高電平，LM293的高電平輸出是OC輸出，Q3的基極，被R5+R12上拉到VCtr，Q3截止，PMOS管CEM4435（M2）的柵極G，被R9與R18分壓到二分之一VCtr電平，PMOS管導(dǎo)通;對(duì)于左下橋臂而言，同樣的比較器在Rz為邏輯高電平時(shí)，也為OC輸出，Q6被R22上拉完全導(dǎo)通，左下橋臂的NMOS管CEM4410的柵極G被Q6下拉到近似0電平而截止;但Rz為邏輯低電平時(shí)，上下橋臂的比較器都輸出低電平，即Q3和Q6的基極都被下拉到地，此時(shí)Q3導(dǎo)通，PMOS管CEM4435（M2）的柵極G被Q3上拉到近似VCtr電平，此時(shí)M2截止，同時(shí)，因?yàn)镼6截止，NMOS管CEM4410的柵極G被R25與R31分壓到二分之一VCtr電平，此時(shí)N1導(dǎo)通;在邏輯高電平與邏輯低電平，保證了橋臂要么上橋臂通，要么下橋臂通，不會(huì)出現(xiàn)上下橋臂同時(shí)通的情況;現(xiàn)在再分析一下Rz在邏輯電平切換期間，即Rz從邏輯0到邏輯1（5V）或者從邏輯1（5V）切換到邏輯0時(shí)，由于Rz邏輯輸入線路上的分布電容以及邏輯輸入到最終功率MOS管之間結(jié)電容等的影響下，最終體現(xiàn)在功率MOS管柵極的控制電平不可能發(fā)生0時(shí)序階躍變化，總是有一個(gè)漸變過程，為了確保不出現(xiàn)哪怕是極其短暫的直通狀態(tài)出現(xiàn)，上下橋臂的功率MOS管的柵極控制電路必須確保PMOS與NMOS不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，本設(shè)計(jì)以輸入邏輯電平在切換過程的中點(diǎn)為例再分析一下電路的工作結(jié)果。當(dāng)Rz=2.5V時(shí)，上橋臂PMOS前級(jí)比較器U2A輸出低電平，Q3導(dǎo)通，M2的柵極G被拉高導(dǎo)致M2截止，下橋臂NMOS前級(jí)比較器U2B輸出高電平，Q6導(dǎo)通，導(dǎo)致N1的柵極G被下拉到接近0的電平而導(dǎo)致N1截止，這個(gè)情況下，上下橋臂的功率MOS管都截止，沒有出現(xiàn)直通情況;本設(shè)計(jì)的這種柵極驅(qū)動(dòng)方式，保證了上下橋臂在不確定的邏輯電平狀態(tài)下不出現(xiàn)直通情況，該截止的，提前進(jìn)入截止期，保證了在2～3V之間的一個(gè)危險(xiǎn)電平期間，上下橋臂都截止，這樣設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器，無(wú)論是冷啟動(dòng)還是熱關(guān)機(jī)，還是換向，還是電源波動(dòng)串入干擾，都不會(huì)出現(xiàn)上下橋臂直通的情況發(fā)生。

2.3參數(shù)分析

按原理圖的元器件設(shè)計(jì)，功率MOS管上橋臂PMOS管為CEM4435，根據(jù)資料RdsOn約為20mOhm，下橋臂也約為20mOhm，合計(jì)約為40mOhm，與用集成芯片方案的RdsOn為235mOhm小很多，可以減少功率MOS管的發(fā)熱，另外CEM4435的Id高達(dá)±8A，CEM4410更高，達(dá)±10A，上下橋臂的功率MOS管的|Vds|達(dá)30V，考慮足夠余量，本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器在24V供電下，驅(qū)動(dòng)4A以下的額定電流的直流電機(jī)，能夠穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

3.驅(qū)動(dòng)器的延伸設(shè)計(jì)

本驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，是基于分立器件的方案設(shè)計(jì)，在需要更高的驅(qū)動(dòng)電壓以及更高的額定電流時(shí)，可以選用Vdss與Id參數(shù)更好的功率MOS管，比如，上橋臂的PMOS管改為IRF5305，這個(gè)功率MOS的Vdss達(dá)-55V，而Id在25℃時(shí)達(dá)-31A;當(dāng)然，同時(shí)下橋臂功率MOS也必須重新選擇，比如改為IRF1205，這個(gè)NMOS的Vdss=55V，Id=41A;這種功率MOS的配對(duì)使用情況下，驅(qū)動(dòng)能力可以大幅增加，這種方案的直流有刷驅(qū)動(dòng)器，可以驅(qū)動(dòng)市面上絕大多數(shù)的的直流有刷電機(jī);在分布式控制系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)模塊化控制，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器模塊一般都以控制器形式存在，而非單純的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制器與驅(qū)動(dòng)器的區(qū)別就是控制器在驅(qū)動(dòng)器的基礎(chǔ)上在外加了控制CPU，電源轉(zhuǎn)換電路，位置檢測(cè)電路，通訊電路與各種保護(hù)電路等等。

總結(jié)

直流有刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器/控制器的整體設(shè)計(jì)大致如上文所述，經(jīng)過分析可知該驅(qū)動(dòng)器的思路是可行的;本文講述的延伸版本的直流有刷電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)已經(jīng)通過量產(chǎn)驗(yàn)證，量產(chǎn)的模塊從未出現(xiàn)過燒毀或者溫度太高停止工作等問題;由上述可知本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器能夠適應(yīng)各種類型的直流有刷電機(jī)，本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器工作效率較高，負(fù)載能力大，同時(shí)自身溫升極低，這樣有利于驅(qū)動(dòng)器/控制器長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。