直流電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

6.1直流電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

第1頁/共34頁第一頁，共35頁。直流電動(dòng)機(jī)是一種設(shè)計(jì)以直流電壓電源工作的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)有永磁直流電動(dòng)機(jī)、串勵(lì)和并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。1.直流電動(dòng)機(jī)的單極性和雙極性驅(qū)動(dòng)方式直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有單極性和雙極性兩種，當(dāng)電動(dòng)機(jī)只需要單方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，采用單極性驅(qū)動(dòng)方式。單極性驅(qū)動(dòng)電路如圖6.1.1所示。圖6.1.1（a）由模擬控制器或微控制器的PWM信號(hào)，控制一個(gè)功率MOSFET開關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)，在電動(dòng)機(jī)兩端并接一個(gè)續(xù)流二極管。功率開關(guān)管串接在電動(dòng)機(jī)下方（靠近電源地），其柵極驅(qū)動(dòng)應(yīng)采用低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器。如果功率開關(guān)管串接在電動(dòng)機(jī)上方（靠近電源正極），其柵極驅(qū)動(dòng)應(yīng)采用高側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器。對(duì)于高側(cè)開關(guān)，它的柵極驅(qū)動(dòng)需要附加的電平提升電路，所以大多采用低側(cè)驅(qū)動(dòng)方式。該種電路因電流通過續(xù)流二極管續(xù)流，時(shí)間較長，損耗較大，典型應(yīng)用在小型風(fēng)機(jī)、泵的驅(qū)動(dòng)。第2頁/共34頁第二頁，共35頁。（a）低側(cè)和高側(cè)單極性驅(qū)動(dòng)（b）快速半橋單極性驅(qū)動(dòng)圖6.1.1直流電動(dòng)機(jī)單極性驅(qū)動(dòng)方式第3頁/共34頁第三頁，共35頁。為避免因續(xù)流二極管續(xù)流，帶來時(shí)間較長，損耗較大的缺點(diǎn)，可采用圖6.1.1（b）半橋驅(qū)動(dòng)電路。其中的二極管VD1、VD2實(shí)際上是DMOS管的“體”二極管，在工藝上與DMOS管一起自動(dòng)生成。這樣，不必再附加續(xù)流二極管。半橋驅(qū)動(dòng)電路可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)控制，當(dāng)斷開VF1停止對(duì)電動(dòng)機(jī)供電的同時(shí)，將VF2連續(xù)開通，電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢（EMF）經(jīng)VF2短路，使電動(dòng)機(jī)制動(dòng)。此時(shí)，如果VF2不是連續(xù)開通，而是PWM控制，可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟制動(dòng)。第4頁/共34頁第四頁，共35頁。當(dāng)電動(dòng)機(jī)需要正反兩個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，采用雙極性驅(qū)動(dòng)方式。由四個(gè)功率開關(guān)管組成的H橋電路的雙極性驅(qū)動(dòng)電路如圖6.1.2所示。圖6.1.2基本H橋電路第5頁/共34頁第五頁，共35頁。2.直流電動(dòng)機(jī)控制集成電路的品種各國半導(dǎo)體廠商生產(chǎn)的直流電動(dòng)機(jī)控制集成電路品種繁多，現(xiàn)將部分直流電動(dòng)機(jī)控制集成電路的品種介紹如下：（1）Semiconductors公司生產(chǎn)的直流電動(dòng)機(jī)控制集成電路有CS7054、CS4124、NCV7701、MC33030等型號(hào)。CS7054/CS4124是驅(qū)動(dòng)低側(cè)/高側(cè)MOSFET直流電動(dòng)機(jī)PWM控制器，電源電壓為30V，輸出峰值電流為0.2A/0.15A，具有“休眠”模式、過電壓和過電流保護(hù)功能，采用DIP14和SO-16L封裝形式。NCV7701是H橋驅(qū)動(dòng)器，電源電壓為26V，輸出峰值電流為2A，具有交叉導(dǎo)通、過電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、正反轉(zhuǎn)和制動(dòng)等功能，采用SO-20L封裝形式。MC33030是直流伺服電動(dòng)機(jī)H橋驅(qū)動(dòng)器，電源電壓為36V，輸出峰值電流為1A，具有過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、四象限控制等功能，采用DIP16封裝形式。第6頁/共34頁第六頁，共35頁。（2）AllegroMicrosystems公司生產(chǎn)的直流電動(dòng)機(jī)控制集成電路在辦公自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化、汽車和便攜式電子設(shè)備方面得到廣泛應(yīng)用。其中，雙全橋PWM電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電流為±500～±750mA，電源電壓為20～30V的產(chǎn)品有A3965～A3968、A3967；驅(qū)動(dòng)電流為±750mA，電源電壓為45V的產(chǎn)品有A2916、A2919、A6219；驅(qū)動(dòng)電流為±1500mA，電源電壓為50V的產(chǎn)品有A2917、A3948、A3955、A3957、A3972、A3974；驅(qū)動(dòng)電流為±2000mA，電源電壓為50V的產(chǎn)品有A3952、A3958；驅(qū)動(dòng)電流為±2500mA，電源電壓為50V/30V的產(chǎn)品有A3971/A3977；驅(qū)動(dòng)電流為±3000mA，電源電壓為50V的產(chǎn)品有A3959。他們可用于微步距控制的產(chǎn)品有A3967、A3973A、3955、A3957、A3972和A3977。這些雙全橋電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器也可用于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)。第7頁/共34頁第七頁，共35頁。（3）STMicroelectronics公司生產(chǎn)的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器集成電路有L149（4A線性驅(qū)動(dòng)器）、L165（3A功率運(yùn)算放大器）、L290（測速信號(hào)轉(zhuǎn)換器）、L292（開關(guān)驅(qū)動(dòng)器）、L293（4通道推挽驅(qū)動(dòng)器）和L298（雙全橋驅(qū)動(dòng)器）。（4）FairchildSemi公司生產(chǎn)的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器集成電路，其中，輸出電流為1.6A，DIP封裝的產(chǎn)品有FAN8082、KA3082B（雙向）、KA830IL；輸出電流為1A，SSOP封裝的產(chǎn)品有KA9258D、KA9259ED；FAN8082D（雙向）的輸出電流為0.8A，SOIC封裝。他們適合在VCR、CD播放機(jī)和玩具中應(yīng)用。（5）Infineon公司生產(chǎn)的直流電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器集成電路有TLE4205、TLE4205-GTLE4206-G、TLE4209。其中TLE4205/TLE4205-G的工作電壓為6～32V，最大電流為1A，工作電流為0.6A，采用P-DIP-18-3/P-DSO-20-6封裝。TLE4206-G/TLE4209的工作電壓為8～18V，最大電流為1A，工作電流為0.8A，采用P-DSO-14-8/P-DIP-8-4封裝。他們都具有對(duì)地短路保護(hù)。第8頁/共34頁第八頁，共35頁。（6）ROHM公司生產(chǎn)的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器集成電路有驅(qū)動(dòng)一個(gè)和驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電動(dòng)機(jī)的兩種類型。驅(qū)動(dòng)一個(gè)電動(dòng)機(jī)的是一個(gè)H橋輸出，輸出電壓可由引腳輸入設(shè)定。驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電動(dòng)機(jī)的采用6個(gè)開關(guān)管構(gòu)成3個(gè)半橋，其中一個(gè)半橋是共用的。a.驅(qū)動(dòng)一個(gè)電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品，其中最大輸出電流為0.5A，電源電壓為4.5～15V的有BA6208/F；最大輸出電流為0.7A，電源電壓為4.5～15V的有BA6218、BA6418；最大輸出電流為1A，電源電壓為4.5～15V的有BA6955N、BA6956AN、BA6283N、BA6285FS/FP、BA6286/N、BA6287F、BA6288FS、BA6418F；而BA6229的最大輸出電流為1.2A，電源電壓為8～23V；BA6209/N的最大輸出電流為1.6A，電源電壓為6～18V；BA6219B/BFP-Y的最大輸出電流為2.2A，電源電壓為8～18V。b.驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品，其中，最大輸出電流為1A，電源電壓為8～18V的有BA6246N、BA6247NFP-Y、BA6259N；而BA6239A/AN的最大輸出電流為1.2A，電源電壓為8～18V；BA6238A/AN的最大輸出電流為1.6A，電源電壓為8～18V。第9頁/共34頁第九頁，共35頁。（7）TOSHIBA公司生產(chǎn)的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器集成電路電源電壓在25V以下的有TA7257P、TA91P、TA33F、TA8401～TA8409、TB6552FL/FN等型號(hào)，最大輸出電流0.5～1.5A；30V以上的有TA8428F/K、TA8429、TA8440H、TB6549F/P，最大輸出電流2.4～4.5A。（8）三菱電機(jī)公司生產(chǎn)直流伺服電動(dòng)機(jī)控制器集成電路有M51971P/L、M51660L；直流雙向電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器集成電路有M54641FP/L、M54687FP，并具有制動(dòng)功能。（9）SANYO公司生產(chǎn)的單向直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器集成電路有LA5527、LA5528N/NM、LA5586；雙向直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器集成電路有LA550、LB1630、LB1634、LB1638、LB1640～LB1651、LB1830、LB1832～LB1843、LB1930～LB1947T等。CD，四通道電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器有LB8106M～LB8109M、LV8200W、LV8206T等。第10頁/共34頁第十頁，共35頁。（10）TexasInstruments和MOTOROLA公司提供多通道的低側(cè)開關(guān)驅(qū)動(dòng)器、高側(cè)開關(guān)驅(qū)動(dòng)器、高側(cè)和低側(cè)（半橋）開關(guān)驅(qū)動(dòng)器、H橋開關(guān)驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品，可用于直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。第11頁/共34頁第十一頁，共35頁。6.1.1基于TPIC2101的直流電機(jī)速度控制電路1.TPIC2101的主要技術(shù)性能與特點(diǎn)TPIC2101是TexasInstruments公司生產(chǎn)的控制直流電動(dòng)機(jī)的單片集成電路，輸出可驅(qū)動(dòng)外接N溝道MOSFET或IGBT，利用模擬電壓信號(hào)或PWM信號(hào)可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)速度。TPIC2101也可用來控制白熾燈、螺線管線圈等感性負(fù)載。TPIC2101有正常運(yùn)轉(zhuǎn)、睡眠和故障三種運(yùn)行狀態(tài)。在正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，接收輸入指令控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；在睡眠狀態(tài)，柵極驅(qū)動(dòng)端（GD）保持為低電平，整個(gè)芯片電流降到200μA；在故障狀態(tài)，當(dāng)芯片檢測到過電壓、過電流等故障后，進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。有自動(dòng)和手動(dòng)兩種速度控制模式，自動(dòng)模式（automode）接收0～100%PWM信號(hào)，手動(dòng)模式（manualmode）接收0～2.2V差動(dòng)電壓。工作電壓范圍為8～16V，驅(qū)動(dòng)輸出電流能力為50mA，工作環(huán)境溫度為-40～+105℃。第12頁/共34頁第十二頁，共35頁。2.TPIC2101的引腳功能與封裝形式TPIC2101采用DIP-14（N）或者SOIC-14（D）封裝，引腳封裝形式如圖6.1.1所示。各個(gè)引腳功能如表6.1.1所列。圖6.1.1TPIC2101引腳封裝形式第13頁/共34頁第十三頁，共35頁。3.TPIC2101的內(nèi)部結(jié)構(gòu)TPIC2101的內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖如圖6.1.2所示，芯片內(nèi)部包含有自動(dòng)和手動(dòng)輸入配置（AUTOandMANInputConfig）、睡眠、自動(dòng)和手動(dòng)工作邏輯（Sleep、AUTOandMANLogic）、振蕩器和斜坡電壓波形發(fā)生器（OscillatorandVoltageRampWaveformGenerator）、柵極驅(qū)動(dòng)（GateDrive）、能隙電源（Bandgap）等電路。第14頁/共34頁第十四頁，共35頁。圖6.1.2TPIC2101內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖第15頁/共34頁第十五頁，共35頁。4.TPIC2101的應(yīng)用電路設(shè)計(jì)TPIC2101構(gòu)成的直流電動(dòng)PWM速度控制電路如圖6.1.3所示，TPIC2101輸出GD腳接到一個(gè)NMOS開關(guān)管的柵極（IRF530），以低側(cè)驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，VD1（MBR1045）是續(xù)流二極管，外接電源電壓Vbat，控制輸入端MAN和AUTO連接到外部控制電路，推薦的外接元件數(shù)值如表6.1.2所列。第16頁/共34頁第十六頁，共35頁。圖6.1.3TPIC2101構(gòu)成的直流電動(dòng)機(jī)PWM速度控制電路第17頁/共34頁第十七頁，共35頁。在自動(dòng)控制模式（見圖6.1.4），頻率約為100HzPWM控制信號(hào)經(jīng)NPN晶體管送入AUTO引腳端（集電極開路），經(jīng)內(nèi)部處理后從SPEED引腳端輸出，經(jīng)RC積分在INT引腳端產(chǎn)生隨AUTO輸入的PWM信號(hào)的占空比變化的直流電壓信號(hào)，在GD端對(duì)應(yīng)輸出的占空比變化的PWM信號(hào)?？梢酝ㄟ^改變供電電壓Vbat的方法，調(diào)節(jié)輸出PWM信號(hào)的占空比來保持電動(dòng)機(jī)電壓恒定。在自動(dòng)模式，輸出PWM信號(hào)的占空比與電源電壓Vbat的關(guān)系如式6.1.1所示。第18頁/共34頁第十八頁，共35頁。圖6.1.4自動(dòng)控制模式電路第19頁/共34頁第十九頁，共35頁。在自動(dòng)模式，使用不同的電源電壓Vbat，輸入PWM信號(hào)對(duì)應(yīng)輸出PWM信號(hào)的占空比的關(guān)系曲線如圖6.1.5所示。圖6.1.5在自動(dòng)模式，使用不同的電源電壓Vbat，輸入PWM信號(hào)對(duì)應(yīng)輸出PWM信號(hào)占空比的關(guān)系曲線第20頁/共34頁第二十頁，共35頁。在手動(dòng)模式（見圖6.1.6），MAN連接到電壓Vbat（>5.5V），芯片內(nèi)部CCS電路使MAN和AUTO腳間流過2mA的恒定電流，利用圖6.1.6所示的一個(gè)手動(dòng)可調(diào)1kΩ電位器，就能產(chǎn)生約0～2.2V電壓的變化（此時(shí)NPN管應(yīng)截止）。在手動(dòng)控制模式，輸入電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)輸出PWM信號(hào)的占空比與電源電壓Vbat的關(guān)系如式6.1.2所示。第21頁/共34頁第二十一頁，共35頁。圖6.1.6手動(dòng)控制模式電路第22頁/共34頁第二十二頁，共35頁。在手動(dòng)控制模式，使用不同的電源電壓Vbat，輸入電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)輸出PWM信號(hào)的占空系數(shù)的關(guān)系曲線如圖6.1.7所示。圖6.1.7在手動(dòng)模式，使用不同的電源電壓Vbat，輸入電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)輸出PWM信號(hào)的占空比的關(guān)系曲線第23頁/共34頁第二十三頁，共35頁。TPIC2101具有欠電壓保護(hù)功能，當(dāng)電壓Vbat低于8V時(shí)，芯片進(jìn)入睡眠模式，輸出維持低電平。當(dāng)Vbat增加，到高于電壓閥值（約7V）大約1V以上，自動(dòng)恢復(fù)正常。TPIC2101具有過電壓保護(hù)功能，其門限設(shè)定在17～20V之間，典型值為18.5V，用戶不可更改。當(dāng)內(nèi)部檢測Vbat高于門限電壓時(shí)，進(jìn)入故障狀態(tài)。當(dāng)Vbat回降到比門限電壓低0.5～1V，自動(dòng)恢復(fù)正常。第24頁/共34頁第二十四頁，共35頁。TPIC2101具有過電流保護(hù)功能，當(dāng)GD引腳端是低電平時(shí)，內(nèi)部電路維持ILS引腳端為低電平。如果GD引腳端為高電平，限流檢測ILS端可能高于限流基準(zhǔn)ILR端，內(nèi)電路將INT引腳端電壓拉低（通過內(nèi)部低于500Ω電阻），命令GD端輸出占空比降低，從而限制了輸出電流和芯片的損耗。上述情況最低可設(shè)置持續(xù)8192個(gè)時(shí)鐘周期，如果設(shè)置8個(gè)8192個(gè)時(shí)鐘周期，到達(dá)65536個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)，芯片將自動(dòng)進(jìn)入過電流保護(hù)狀態(tài)，GD腳維持低電平。然后，一個(gè)自動(dòng)恢復(fù)重新開始。但是，如果過電流故障條件還存在，則故障保護(hù)狀態(tài)保持。第25頁/共34頁第二十五頁，共35頁。6.1.2基于M51660L的直流電機(jī)伺服控制器電路1.M51660L的主要技術(shù)性能和特點(diǎn)M51660L是三菱電機(jī)公司生產(chǎn)的直流伺服電動(dòng)機(jī)控制集成電路，芯片內(nèi)部含有穩(wěn)壓器和差動(dòng)放大器電路，工作電源電壓為3.5～5V，工作電流輸出開路時(shí)最大為5mA，輸出導(dǎo)通時(shí)為20mA；輸出低電平電壓最大為0.2V（IOSINK=100mA），輸出高電平電壓最低為3.4V；驅(qū)動(dòng)外部PNP晶體管的驅(qū)動(dòng)電流為30mA；內(nèi)部穩(wěn)壓器電壓為2.3～2.6V；穩(wěn)壓器輸出電流為3.0mA。第26頁/共34頁第二十六頁，共35頁。2.M51660L的引腳功能與封裝形式M51660L采用Outline14P5A封裝，引腳封裝形式如圖6.1.8所示，各個(gè)引腳功能如表6.1.3所列。圖6.1.8M51660L引腳封裝形式第27頁/共34頁第二十七頁，共35頁。3.M51660L的內(nèi)部結(jié)構(gòu)M51660L的內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖如圖6.1.9所示，芯片內(nèi)部包含有控制邏輯電路（Controllogiccircuit）、觸發(fā)器（Flip-flop）、輸出驅(qū)動(dòng)電路（Outputdrivecircuit）、單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器（One-shotmultivibrator）、脈沖展寬電路（Pulsestretcher）、穩(wěn)壓器（Voltageregulatingcircuit）等電路。第28頁/共34頁第二十八頁，共35頁。圖6.1.9M51660L內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖第29頁/共34頁第二十九頁，共35頁。4.M51660L的應(yīng)用電路M51660L是為無線電操縱的車、船、飛機(jī)模型等電動(dòng)玩具專門設(shè)計(jì)的，由無線電發(fā)射器發(fā)出的脈寬變化信號(hào)，通過本電路來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)作旋轉(zhuǎn)和正反轉(zhuǎn)運(yùn)行。該直流電動(dòng)機(jī)作為模型電動(dòng)玩具的動(dòng)力，通過遙控器可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)玩具的運(yùn)動(dòng)控制。一個(gè)可用來控制電動(dòng)玩具的方向，如控制船的舵、飛機(jī)副翼和尾舵運(yùn)動(dòng)的位置伺服電機(jī)控制電路如6.1.10所示。電路中，引腳端1與電位器