一種直流電動(dòng)機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)

1 引言
    直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)制(PWM)控制器UC3637用于控制開(kāi)環(huán)或閉環(huán)直流電動(dòng)機(jī)速度或位置，其內(nèi)部產(chǎn)生1路模擬誤差電壓信號(hào)，并輸出2路PWM脈沖信號(hào)，這2路PWM脈沖信號(hào)與誤差電壓信號(hào)的幅值成正比，并與其極性相關(guān)，因此構(gòu)成雙向調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)PWM雙輸出，驅(qū)動(dòng)電流能力為100 mA，該器件還具有限流保護(hù)、欠電壓封鎖及溫度補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)。而驅(qū)動(dòng)集成電路IR2110對(duì)PWM信號(hào)具有自舉功能。有2路完全獨(dú)立的高保真輸入輸出通道，且這2路通道具有開(kāi)通慢、關(guān)斷快的防橋臂直通的互鎖功能，可使電路可靠工作。這里采用UC3637和IR2110設(shè)計(jì)一種直流電動(dòng)機(jī)PWM開(kāi)環(huán)控制電路，并與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)某種舵系統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的控制，進(jìn)而驗(yàn)證該電路的正確性。

2 PWM開(kāi)環(huán)控制電路
    該電路設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的目標(biāo)是在計(jì)算機(jī)不同的給定信號(hào)下，電動(dòng)機(jī)可快速達(dá)到指定位置，以滿(mǎn)足系統(tǒng)性能要求?？刂圃砜驁D如圖1所示。被控直流電動(dòng)機(jī)M的轉(zhuǎn)速由測(cè)速發(fā)電機(jī)G測(cè)得，測(cè)速發(fā)電機(jī)所測(cè)得的轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)在計(jì)算機(jī)中與給定信號(hào)相比較，再經(jīng)計(jì)算后輸出數(shù)字控制信號(hào)，經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換變?yōu)槟M信號(hào)送至UC3637的脈寬信號(hào)產(chǎn)生電路，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的速度控制。

    圖2為基于UC3637的直流電動(dòng)機(jī)PWM控制電路，該電路分為4部分：脈寬信號(hào)產(chǎn)生電路、自舉驅(qū)動(dòng)電路、主電路、保護(hù)電路。

[!--empirenews.page--]

    該電路產(chǎn)生5～10 V的閾值電壓，分別將U2=10 V接引腳1，U1=5 V接引腳3，這樣三角波就在5~10 V內(nèi)變化，即電容CT連接的引腳2電壓在5~10 V內(nèi)變化。UK是從計(jì)算機(jī)輸出經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換得到的電壓，其范圍為-10～+lO V，而UC3637需要5～10 V的控制電壓接引腳9和11，控制輸出端的占空比。利用R2~R5對(duì)控制電壓UK進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，令R2=10 kΩ、R3=18 kΩ、R5=20 kΩ，當(dāng)UK=-10 V時(shí)，應(yīng)有UR=5 V，由電路分流可以獲得：

  
    代入數(shù)據(jù)解得，R4=2 kΩ。
    為避免工作過(guò)程中發(fā)生直通短路現(xiàn)象，應(yīng)在UC3637的輸出端引腳4和引腳7后各接一個(gè)RC延時(shí)電路，設(shè)需延時(shí)時(shí)間r=5μs，延時(shí)電路中所用電阻R6取5 Ω，由公式可得：

  
    這樣雙路互補(bǔ)PWM脈沖信號(hào)在上升沿有幾個(gè)微秒的延時(shí)，在下降沿?zé)o延時(shí)，與IR2110內(nèi)部上下路信號(hào)設(shè)置的延時(shí)相結(jié)合，可確?！癏”橋中同一橋臂的上下兩個(gè)MOS管存在一個(gè)死區(qū)時(shí)間，從而保證電路工作安全穩(wěn)定。由于15 V直流供電電源含有一定的交流雜波，故分別在引腳1、引腳3和15 V電源前并聯(lián)1只0．1μF的電容，以濾除交流雜波的干擾。
2．2 自舉驅(qū)動(dòng)電路
    該電路使用2個(gè)IR2110，這兩個(gè)IR2110由4個(gè)MOS管組成的“H”橋電路相連接。 IR2110的供電電壓為15 V的電源電壓UVD，其輸出工作電源為懸浮電源，通過(guò)自舉技術(shù)由固定電源得出。自舉技術(shù)利用升壓二極管、自舉升壓電容，使電容放電電壓和電源電壓疊加，從而使電壓升高。該技術(shù)可將電源電壓值升高數(shù)倍，所以充電二極管VD的耐壓能力必須大于高壓母線(xiàn)的峰值電壓。為防止自舉電容兩端電壓放電，則采用一個(gè)高頻快恢復(fù)二極管。自舉電容C3的電容值對(duì)于5 kHz以上的開(kāi)關(guān)頻率取O．1μF即可。為向開(kāi)關(guān)的容性負(fù)載提供瞬態(tài)電流，應(yīng)在VCC與COM、VDD與VSS之間連接兩只旁路電容，VCC上旁路用一只 0．1μF的陶瓷電容和一只1μF的鉭電容并聯(lián)，而邏輯電源VDD上用一只0．1斗F的陶瓷電容即可，即電容C4、C5分別為1μF、0．1μF。在具體布線(xiàn)時(shí)，IR2110是邏輯部分和功率變換部分的接口，邏輯信號(hào)地線(xiàn)和主功率電源的地線(xiàn)應(yīng)合理布局，使負(fù)載回路的引線(xiàn)盡可能短，以減少回路電感，同時(shí)還要避免因布線(xiàn)而引起的負(fù)載電流在信號(hào)回路中流動(dòng)產(chǎn)生的共模干擾。
2．3 主電路
    直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速通過(guò)測(cè)速發(fā)電機(jī)測(cè)得，當(dāng)被控直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速小于給定轉(zhuǎn)速時(shí)，計(jì)算機(jī)經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器輸出控制電壓UK，再經(jīng)R2~R5電平轉(zhuǎn)換成UR輸入至引腳9和引腳11，使引腳4導(dǎo)通。引腳4的導(dǎo)通信號(hào)經(jīng)RC延時(shí)電路傳輸至IR2110(1)的引腳10和IR2110(2)的引腳12，分別使上通道引腳10和下通道引腳12導(dǎo)通。這時(shí)2片IR2110間的“H”橋電路中的VF1、VF2被觸發(fā)導(dǎo)通，電路給電動(dòng)機(jī)提供正向的電流，電動(dòng)機(jī)升速。當(dāng)被控直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速大于給定轉(zhuǎn)速時(shí)，UR使UC3637中的引腳7導(dǎo)通，引腳7的導(dǎo)通信號(hào)經(jīng)RC延時(shí)電路傳輸至IR2110(1)的引腳12和IR2110(2)的引腳10，分別使下通道引腳12和上通道引腳1O導(dǎo)通。這時(shí)“H”橋電路中的VF4、VF3 被觸發(fā)導(dǎo)通，流過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流反向，電動(dòng)機(jī)降速。在控制電路輸出的上、下通道輸入信號(hào)的作用下，VF1、VF2和VF4、VF3交替輪流導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。由于IR2110內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)阻抗很小，直接用其驅(qū)動(dòng)“H”橋中的MOSFET器件會(huì)引起快速開(kāi)關(guān)，可能造成MOSFET漏源間電壓振蕩，從而損壞MOS管。所有，應(yīng)在IR211O的輸出端和MOS管之間串接1個(gè)約20 Ω的無(wú)感電阻。

[!--empirenews.page--]
2．4 保護(hù)電路
    在該電路中需限制流經(jīng)直流電動(dòng)機(jī)的電流，以保護(hù)電路的各元件。TA為電流取樣環(huán)節(jié)，由此構(gòu)成對(duì)IR2110的過(guò)流保護(hù)。電流傳感器從電動(dòng)機(jī)的旁路中對(duì)電流取樣，將取樣電流輸入至IR2110的引腳11。當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，SD為高電平，施密特觸發(fā)器的S端被觸發(fā)，Q為低電平，IR2110停止工作。Vf為電壓反饋信號(hào)，構(gòu)成閉環(huán)調(diào)壓網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)中，RS為電動(dòng)機(jī)電流檢測(cè)電阻，RS取值由允許的電動(dòng)機(jī)最大電流決定。檢測(cè)信號(hào)從引腳12和引腳13輸入。設(shè)比較器C／L有200 mV的閾值，則有

  
    取Imax=8 A，則：RS=0．025Ω
    當(dāng)電動(dòng)機(jī)電流增大而使RS上的電壓達(dá)到該閾值時(shí)，C/L輸出高電平，令SRA和SRB復(fù)位至低電平，進(jìn)而AOUT和BOUT變?yōu)榈碗娖剑Ｖ馆敵觥?br />2．5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
    在某種舵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，選用額定工作電壓為27 V，3W2111115679額定工作電流為1 A的永磁直流電動(dòng)機(jī)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的不同要求，電機(jī)系統(tǒng)可完成階躍、正弦等運(yùn)動(dòng)，采用精密電阻電位計(jì)檢測(cè)電機(jī)位置，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換反饋到計(jì)算機(jī)中與給定控制信號(hào)經(jīng)一種自適應(yīng)變結(jié)構(gòu)控制得到1個(gè)輸出信號(hào)，再經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換送至UC3637的PWM控制器中，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)到期望的位置。其中，信號(hào)的給定，反饋信號(hào)取樣、控制算法及控制脈沖輸出均由計(jì)算機(jī)完成。圖3、圖4分別表示系統(tǒng)的數(shù)字仿真與實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)，其中曲線(xiàn)1為實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)，曲線(xiàn)2為一種自適應(yīng)變結(jié)構(gòu)控制的數(shù)字仿真曲線(xiàn)。由圖可知，運(yùn)用該控制電路控制直流電動(dòng)機(jī)是可行的。

3 結(jié)論
    設(shè)計(jì)的直流PWM控制與驅(qū)動(dòng)電路可用于控制直流電動(dòng)機(jī)的速度控制和位置，具有良好的調(diào)速和驅(qū)動(dòng)性能，可與不同的計(jì)算機(jī)控制算法相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)特性，具有一定的普適性。