隨著電力電子技術(shù)以及新型永磁材料的發(fā)展，直流電機(jī)以其良好的線性特性以及優(yōu)異的控制性能等特點(diǎn)，在多數(shù)變速運(yùn)動(dòng)控制和閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)(如機(jī)器人、精密機(jī)床、汽車電子、家用電器以及工業(yè)過(guò)程等)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

目前，直流電機(jī)控制數(shù)字化已成為主流趨勢(shì)，而高性能的電機(jī)控制算法多數(shù)是通過(guò)主控芯片實(shí)現(xiàn)的，隨著高速度、多功能的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的出現(xiàn)，使得更復(fù)雜的電機(jī)控制策略得以實(shí)現(xiàn)。本文以TMS320F28335為主控芯片、IRF530為驅(qū)動(dòng)芯片、IR2110為驅(qū)動(dòng)控制芯片對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行了H橋驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)，該控制達(dá)到了很好的效果，具有較高使用價(jià)值。

1、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理

直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式很多，現(xiàn)成的驅(qū)動(dòng)芯片有33886、L298N以及TB6539等，這些芯片都是基于H橋原理進(jìn)行控制的。如果設(shè)計(jì)一些大功率的驅(qū)動(dòng)，只能用分立元件自行搭接H橋驅(qū)動(dòng)。H橋驅(qū)動(dòng)電路能方便地實(shí)現(xiàn)電機(jī)的4象限運(yùn)行，其原理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。組成H橋驅(qū)動(dòng)電路的4只開(kāi)關(guān)管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，K1、K4為一組，K2、K3為一組，兩組開(kāi)關(guān)管工作狀態(tài)互補(bǔ)。當(dāng)K1、K4導(dǎo)通且K2、K3截止時(shí)，電機(jī)兩端加正向電壓實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn);當(dāng)K2、K3導(dǎo)通且K1、K4截止時(shí)，電機(jī)兩端加反向電壓實(shí)現(xiàn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)。實(shí)際控制中，電機(jī)可以在4個(gè)象限之間切換運(yùn)行。電路中的4個(gè)二極管D1~D4為續(xù)流二極管，用來(lái)保護(hù)開(kāi)關(guān)元件。

2、硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)的整體思路是：用PWM波控制圖1中開(kāi)關(guān)K1、K4以及K2、K3通斷的方式來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，通過(guò)改變PWM波的占空比使電機(jī)得到不同的電壓，從而控制電機(jī)的速度。

2.1、開(kāi)關(guān)元件的選擇

開(kāi)關(guān)元件可選擇雙極型晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管，由于功率場(chǎng)效應(yīng)管是電壓控制型元件，具有輸入阻抗大、開(kāi)關(guān)速度快、無(wú)二次擊穿等特點(diǎn)，能滿足高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作的需求。本文設(shè)計(jì)中4個(gè)開(kāi)關(guān)均選用IR公司的N溝道增強(qiáng)型功率MOSFET管IRF530，其漏極電流為14A，并可以承受49A的單脈沖電流，最大電壓100V，其導(dǎo)通電阻不大于0.16Ω，滿足驅(qū)動(dòng)要求。

2.2、MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器件的選擇

IR公司提供了多種橋式驅(qū)動(dòng)集成電路芯片，典型產(chǎn)品為IR2110。該芯片是一種雙通道、柵極驅(qū)動(dòng)、高壓高速功率器件的單片式集成驅(qū)動(dòng)模塊，由于芯片中采用了高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，大大簡(jiǎn)化了功率器件對(duì)邏輯電路的控制要求，同時(shí)提高了驅(qū)動(dòng)電路的可靠性。尤其是上管采用外部自舉電容上電，使得驅(qū)動(dòng)電源數(shù)目較其他IC驅(qū)動(dòng)大大減少。本次設(shè)計(jì)采用IR公司的IR2110作為驅(qū)動(dòng)芯片。

IR2110工作頻率可達(dá)500kHz，邏輯電源電壓范圍為5V~15V，其浮置電源采用自舉電路，功率端驅(qū)動(dòng)電壓最大可達(dá)500V，容許邏輯電路參考地與功率電路參考地之間有±5V的偏移量，其邏輯端和功率端使用單個(gè)15V電源即可工作，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。IR2110典型應(yīng)用電路圖如圖2所示。

圖2中的C1、C3和C4均為各電源與地之間的電容，其作用是利用電容的儲(chǔ)能防止電壓有大的波動(dòng)，一般根據(jù)具體情況取10μF~100μF(本文設(shè)計(jì)選用10μF);R1和R2取值均為1k?贅。C2為自舉電容，VCC經(jīng)D1、C2、負(fù)載、T2給C2充電，以確保在T2關(guān)閉、T1導(dǎo)通時(shí)，T1管的柵極靠C2上足夠的儲(chǔ)能來(lái)驅(qū)動(dòng)。自舉電容一般選用1.0μF，具體與PWM的頻率有關(guān)，頻率低時(shí)，選用大電容;頻率高時(shí)，選擇較小的電容，本設(shè)計(jì)選用1.0μF電解電容。需要說(shuō)明的是，若自舉電容取值不合適，將導(dǎo)致不能自舉，具體容量算法可參考參考文獻(xiàn)。

圖2中的D1為保護(hù)二極管，其作用是防止T1導(dǎo)通時(shí)高電壓串入VCC端損壞該驅(qū)動(dòng)芯片。D1應(yīng)選用快速恢復(fù)二極管，且導(dǎo)通電阻要小，以減少充電時(shí)間，如1N4148、FR系列或MUR系列等，本設(shè)計(jì)選用1N4148。

2.3、開(kāi)關(guān)頻率的選擇

PWM波的頻率將影響到電機(jī)能否輸出最大轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性，這里主要考慮最大轉(zhuǎn)矩。要得到最大的輸出轉(zhuǎn)矩，必須知道轉(zhuǎn)子磁極的方向，即確定轉(zhuǎn)子的位置，這對(duì)本設(shè)計(jì)的小型直流電機(jī)來(lái)說(shuō)可暫不考慮。為了避免電機(jī)發(fā)出比較大的噪聲，應(yīng)盡可能讓PWM波頻率在聲波范圍之外;另一方面，由于電機(jī)繞組的感性性質(zhì)，頻率越高感抗越大，高的頻率會(huì)使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩變小[9]。經(jīng)分析比較，本文最終確定的電機(jī)頻率為250Hz，雖然有一定的低頻噪聲，但輸出轉(zhuǎn)矩效果很好。

2.4、控制器的選擇

目前，PWM波的產(chǎn)生有多種方式，可以用專門(mén)的PWM波產(chǎn)生芯片產(chǎn)生，也可由微控制器(如單片機(jī)、ARM、DSP、FPGA等)產(chǎn)生。本文微控制器選用了TI公司TMS320F28335型DSP，它是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，其性能在一定程度上決定了整個(gè)硬件系統(tǒng)的穩(wěn)定性。TMS320F28335為32bit浮點(diǎn)型DSP，其工作主頻達(dá)150MHz，有12路PWM輸出，其中6路是高精度PWM波通道，非常適合電機(jī)控制。

2.5、驅(qū)動(dòng)控制電路整體設(shè)計(jì)

根據(jù)以上關(guān)鍵部件的選擇，設(shè)計(jì)得到圖3所示的驅(qū)動(dòng)控制硬件電路圖。

PWM波由DSP的PWM產(chǎn)生，然后通過(guò)180歐電阻R5送至光耦TLP521。由于本設(shè)計(jì)的PWM波頻率不高，普通光耦TLP521已滿足要求。

圖3中，“非門(mén)”和“與非門(mén)”不僅是邏輯控制的需要，同時(shí)起到了對(duì)光耦輸出波形信號(hào)進(jìn)行整形的作用。

T1~T4由4片IRF530構(gòu)成H橋驅(qū)動(dòng)對(duì)電機(jī)M進(jìn)行控制，IRF530的柵極驅(qū)動(dòng)由兩片IR2110完成，其中一片IR2110的HIN和另一片的LIN連在一起，用一個(gè)PWM控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的上橋臂和下橋臂MOSFET。

兩片IR2110的SD端連在一起，由DSP的GPIO9管腳通過(guò)光耦合反相器G8后進(jìn)行控制，GPIO9低電平時(shí)正常工作。

DSP的GPIO8管腳為高電平時(shí)G4門(mén)輸出有效，電機(jī)正轉(zhuǎn);否則G3門(mén)輸出有效，電機(jī)反轉(zhuǎn)。所以可由DSP的GPIO8方便地控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

另外，由圖3可以看出，DSP輸出的正脈沖傳輸?shù)絀R2110的控制端時(shí)也是正脈沖，因此可以直接由PWM波占空比的大小控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢。

3、電路的測(cè)試

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，由DSP產(chǎn)生PWM波，經(jīng)過(guò)邏輯電路輸入到IR2110，從而控制IRF530的通斷，調(diào)節(jié)PWM波的占空比即可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

占空比即可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電路中，C1、C6取值為10μF，C2~C5取值為1μF，D1~D6選1N4148二極管，R1~R4取值為1kΩ，R5取值為180Ω，R6取值為10kΩ，反相器選為74LS04，“與非門(mén)”選74LS00，邏輯電壓取為+5V，柵極驅(qū)動(dòng)電壓取為+12V，電機(jī)電壓取為+5V，3個(gè)電源均共地，但DSP電源是隔離的。當(dāng)PWM波的頻率為250Hz、占空比為50%時(shí)，對(duì)型號(hào)為RN260-CN38-18130的電機(jī)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試示波器型號(hào)為安泰信ADS1102C。

圖4為經(jīng)過(guò)“與非門(mén)”和反相器的信號(hào)，也是IR2110的控制信號(hào)?？梢钥闯?，信號(hào)經(jīng)過(guò)門(mén)電路后不僅干擾被大量減少，而且波形更加規(guī)則平整。

下橋臂的柵源電壓容易控制，但上橋臂的柵源電壓是由自舉電路形成的，因?yàn)樵谏蠘虮蹖?dǎo)通時(shí)源極電壓基本等于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電源電壓，這時(shí)要上橋臂的MOSFET繼續(xù)導(dǎo)通就必須使柵極電壓隨著源極電壓一起升高，不管源極電壓是多少，柵源電壓要保持不變，這就使得柵極電壓要隨著源極電壓進(jìn)行浮動(dòng)。

圖5(a)為上橋臂的源極對(duì)地電壓信號(hào)，圖5(b)為上橋臂的柵極對(duì)地電壓信號(hào)?？梢钥闯?，源極電壓隨著PWM波的變化而變化，其平均電壓浮動(dòng)值為4.6V;而柵極電壓會(huì)隨著源極電壓的變化而相應(yīng)浮動(dòng)，其峰峰值為17.6V，則相對(duì)于源極電壓基本是13V，最終使得柵源電壓為穩(wěn)定值。

整體測(cè)試結(jié)果表明，直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，控制精確，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

本文對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行了H橋驅(qū)動(dòng)控制的全過(guò)程設(shè)計(jì)，采用功率MOSFET芯片IRF530作為開(kāi)關(guān)元件，IR2110作為MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)控制，用DSP產(chǎn)生PWM信號(hào)并通過(guò)光耦及邏輯控制送至IR2110。成功地使上橋臂驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行浮動(dòng)控制，可以方便地進(jìn)行啟停和正反轉(zhuǎn)控制，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。本文給出的驅(qū)動(dòng)控制電路也適合其他類似的應(yīng)用，具有較大的實(shí)用參考價(jià)值。