基于場(chǎng)效應管的直流電機驅動(dòng)控制電路設計

　　4.2 電荷泵電路設計

　　電荷泵的基本原理是通過(guò)電容對電荷的積累效應而產(chǎn)生高壓，使電流由低電勢流向高電勢。最早的理想電荷泵模型是J.Dickson在1976年提出的，當時(shí)這種電路是為可擦寫(xiě)EPROM提供所需電壓。后來(lái)J.Witters，Toru Tranzawa等人對J.Dickson的電荷泵模型進(jìn)行改進(jìn)，提出了比較精確的理論模型，并通過(guò)實(shí)驗加以證實(shí)提出了相關(guān)理論公式。隨著(zhù)集成電路的不斷發(fā)展，基于低功耗、低成本的考慮，電荷泵在電路設計中的應用越來(lái)越廣泛。

　　簡(jiǎn)單電荷泵原理電路圖如圖4所示。電容C1的A端通過(guò)二極管D1接Vcc，電容C1的B端接振幅Vin的方波。當B點(diǎn)電位為0時(shí)，D1導通，Vcc開(kāi)始對電容C1充電，直到節點(diǎn)A的電位達到Vcc；當B點(diǎn)電位上升至高電平Vin時(shí)，因為電容兩端電壓不能突變，此時(shí)A點(diǎn)電位上升為Vcc+Vin。所以，A點(diǎn)的電壓就是一個(gè)方波，最大值是Vcc+Vin，最小值是Vcc(假設二極管為理想二極管)。A點(diǎn)的方波經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的整流濾波，可提供高于Vcc的電壓。

　　在驅動(dòng)控制電路中，H橋由4個(gè)N溝道功率MOSFET組成。若要控制各個(gè)MOSFET，各MOSFET的門(mén)極電壓必須足夠高于柵極電壓。通常要使MOSFET完全可靠導通，其門(mén)極電壓一般在10 V以上，即VCS＞10 V。對于H橋下橋臂，直接施加10 V以上的電壓即可使其導通；而對于上橋臂的2個(gè)MOSFET，要使VGS>10 V，就必須滿(mǎn)足VG>Vm+10 V，即驅動(dòng)電路必須能提供高于電源電壓的電壓，這就要求驅動(dòng)電路中增設升壓電路，提供高于柵極10 V的電壓?？紤]到VGS有上限要求，一般MOSFET導通時(shí)VGS為10 V～15 V，也就是控制門(mén)極電壓隨柵極電壓的變化而變化，即為浮動(dòng)柵驅動(dòng)。因此在驅動(dòng)控制電路中設計電荷泵電路，用于提供高于Vm的電壓Vh，驅動(dòng)功率管的導通。其電路原理圖如圖5所示。

　　電路中A部分是方波發(fā)生電路，由RC與反相施密特觸發(fā)器構成，產(chǎn)生振幅為Vin=5 V的方波。B部分是電荷泵電路，由三階電荷泵構成。當a點(diǎn)為低電平時(shí)，二極管D1導通電容C1充電，使b點(diǎn)電壓Vb=Vm-Vtn；當a點(diǎn)為高電平時(shí)，由于電容C1電壓不能突變，故b點(diǎn)電壓Vb=Vm+Vin-Vtn，此時(shí)二極管D2導通，電容C3充電，使c點(diǎn)電壓Vx=Vm+Vin-2Vtn；當a點(diǎn)再為低電平時(shí)，二極管D1、D3導通，分別對電容C1、C2充電，使得d點(diǎn)電壓Vd=Vm+Vin-3Vtn；當a點(diǎn)再為高電平時(shí)，由于電容C2電壓不能突變，故d點(diǎn)電壓變?yōu)閂d=Vm+2Vin-3Vtn，此時(shí)二極管D2、D4導通，分別對電容C3、c4充電，使e點(diǎn)電壓Ve=Vm+2Vin-4Vtn。這樣如此循環(huán)，便在g點(diǎn)得到比Vm高的電壓Vh=Vm+3Vin-6tn=Vm+11.4 V。其中Vm為二極管壓降，一般取0.6 V。從而保證H橋的上臂完全導通。

　　4.3 電機驅動(dòng)邏輯與放大電路設計

　　直流電機驅動(dòng)電機驅動(dòng)電路中電機驅動(dòng)邏輯及放大電路主要實(shí)現外部控制信號到驅動(dòng)H橋控制信號的轉換及放大?？刂菩盘朌ir、PWM、Brake經(jīng)光電隔離電路后，由門(mén)電路進(jìn)行譯碼，產(chǎn)生4個(gè)控制信號M1'、M2'、M3'、M4'，然后經(jīng)三極管放大，產(chǎn)生控制H橋的4個(gè)信號M1、M2、M3、M4。其電路原理圖如圖6所示。其中Vh是Vm經(jīng)電荷泵提升的電壓，Vm為電機電源電壓。

　　電機工作時(shí)，H橋的上臂處于常開(kāi)或常閉狀態(tài)，由Dir控制，下臂由PWM邏輯電平控制，產(chǎn)生連續可調的控制電壓。該方案中，上臂MOSFET只有在電機換向時(shí)才進(jìn)行開(kāi)關(guān)切換，而電機的換向頻率極低，低端由邏輯電路直接控制，邏輯電路的信號電平切換較快，可以滿(mǎn)足不同頻率要求。該電路還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，由于上臂開(kāi)啟較慢，而下臂關(guān)斷較快，所以，實(shí)際控制時(shí)換向不會(huì )出現上下臂瞬間同時(shí)導通現象，減小了換向時(shí)電流沖擊，提高了MOSFET的壽命。

　　5 直流電機PWM調速控制

　　直流電動(dòng)機轉速n=(U-IR)/Kφ

　　其中U為電樞端電壓，I為電樞電流，R為電樞電路總電阻，φ為每極磁通量，K為電動(dòng)機結構參數。

　　直流電機轉速控制可分為勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速時(shí)受到磁飽和限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結構強度的限制，而且由于勵磁線(xiàn)圈電感較大動(dòng)態(tài)響應較差，所以這種控制方法用得很少。大多數應用場(chǎng)合都使用電樞電壓控制法。隨著(zhù)電力電子技術(shù)的進(jìn)步，改變電樞電壓可通過(guò)多種途徑實(shí)現，其中PWM(脈寬調制)便是常用的改變電樞電壓的一種調速方法。

　　PWM調速控制的基本原理是按一個(gè)固定頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源，并根據需要改變一個(gè)周期內接通和斷開(kāi)的時(shí)間比(占空比)來(lái)改變直流電機電樞上電壓的"占空比"，從而改變平均電壓，控制電機的轉速。在脈寬調速系統中，當電機通電時(shí)其速度增加，電機斷電時(shí)其速度減低。只要按照一定的規律改變通、斷電的時(shí)間，即可控制電機轉速。而且采用PWM技術(shù)構成的無(wú)級調速系統．啟停時(shí)對直流系統無(wú)沖擊，并且具有啟動(dòng)功耗小、運行穩定的特點(diǎn)。

　　設電機始終接通電源時(shí)，電機轉速最大為Vmax，且設占空比為D=t／T，則電機的平均速度Vd為：

　　Vd=VmaxD

　　由公式可知，當改變占空比D=t／T時(shí)，就可以得到不同的電機平均速度Vd，從而達到調速的目的。嚴格地講，平均速度與占空比D并不是嚴格的線(xiàn)性關(guān)系，在一般的應用中，可將其近似地看成線(xiàn)性關(guān)系。 在直流電機驅動(dòng)控制電路中，PWM信號由外部控制電路提供，并經(jīng)高速光電隔離電路、電機驅動(dòng)邏輯與放大電路后，驅動(dòng)H橋下臂MOSFET的開(kāi)關(guān)來(lái)改變直流電機電樞上平均電壓，從而控制電機的轉速，實(shí)現直流電機PWM調速。

　　6 結束語(yǔ)

　　以N溝道增強型場(chǎng)效應管為核心，基于H橋PWM控制的驅動(dòng)控制電路，對直流電機的正反轉控制及速度調節具有良好的工作性能。實(shí)驗結果表明，直流電機驅動(dòng)控制電路運行穩定可靠，電機速度調節響應快。能夠滿(mǎn)足實(shí)際工程應用的要求，有很好的應用前景。