基于DSP的直流电机驱动控制电路设计_何存富
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Ab strac t牶A powe r amp lification o fH-bridge b ipolar PWM contro l is designed for contro lling DC m icro-m o to r o f po sitive rota tion牞reve rse ro tation and speed regula tion. The en tire drive circuit has characteristics o f samp le construc tion牞powe rfu l drive energy and low consum ed pow er by using IR2110 as the drive modular. The DSP 牗TM S320F L2407A牘 gene ra te s the dua l pu lse w id th m odula ted 牗PWM牘 signa l which the drive circu it needs as inpu.t In addition牞the DSP imp lements the closed-loop contro l o fDC m otor by acqu iring the ro ta tiona l speed of m otor and the curren t o f arm ature. T he DSP communicates w ith PC by seria l po rt牞thus牞the PC can send contro l comm ands to operate the m o tion o f DC mo tor. K ey word s牶H-bridge bipo la r PWM contro l牷pow er am plifica tion牷DC mo tor牷IR 2110牷DSP
的开关时间由开启时间 ( turn-on de lay tim e) td(on)、上 升时间 ( rise time) tr、关 断 时 间 ( turn-off de lay tim e) td(off) 和 下 降 时 间 ( fa ll time) tf 组成 。
图 2 H 型双极模式 PWM 功率转换电路原理图
基于 DSP 的直流电机驱动控制电路设计
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同时导通 、同时关断 , 两组晶体管之间是 交替的轮流导通和截止 的 。 亦即基极驱 动信号 ub1 =ub4, ub2 =ub3 = - ub1。 双极模 式工 作时允许电流反向 流通 , 从而保 证电枢 电流始 终是连续 的 。 即 使电机不转动 , 电机电枢两端的瞬时电压也不为零 , 而是宽度相 等的正 、负脉冲电压 。 在电枢回路中流过一个交变的电流 , 使电 动机发生高频颤动 , 有利于减小静摩擦 。
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《测控技术 》2007年第 26卷第 1期
基于 DSP的直流电机驱动控制电路设计
何存富 , 周 龙 , 宋国荣 , 何守印 , 吴 斌
(北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院 , 北京 100022)
摘要 :基于 H 型双极模式 PWM 控制原理 , 设计了一种直流微电 机正反 转调速 功率放大 电路 。 采 用 IR 2110作为 该功率 放 大电路的驱动模块 , 构成的整个驱动电路具有结构简单 、驱动能力强 、功耗低的特点 。 通过 TM S320FL2407A DSP 芯片产 生 驱动电路所需要 的双 PWM 信号 。 同时 , D SP 芯片采集和处理电机 电枢电 流及转 速信号 , 实现 直流电 机的反 馈控制 。 DSP 芯片又通过串口 和 PC机建立通信 , 最终实现通过 PC 机发布指令控制直流电机的运动 。 关键词 :H 型双极模式 PWM 控制 ;功率放大 ;直流电机 ;IR2110;DSP 中图分类号 :TP211 文献标识码 :B 文章编号 :1000 - 8829(2007)01 - 0064 - 04
1 直流电机 PWM 控制原理
脉冲宽度调制 (PWM , pu lse w idth m odulation)装置 [ 2] 是一种 利用大功率晶体管的 开关特性 来调制 固定电压 的直流 电接通 ”
收稿日期 :2006 - 03 - 14 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (10372009) 作者简介 :何存富 (1958— ), 男 , 山西省大 同市人 , 博 士学位 , 副 院长 , 教 授 , 博士生导师 , 主要研究方向为现代测控技术与方法 , 计算机 测试与控 制技术 , 智能仪器与虚拟仪器 , 无损检测新技术 ;周龙 (1981— ), 男 , 湖北 省荆州市人 , 硕士研究生 , 主要研究方向为计算机测试与控制技术 。
本设计采用型号 为 IRF540N 功率 场效应管 , 其 栅极驱 动芯 片采用 IR2110, 设计 了如图 3所 示的驱动 电路 , 其中 , 器件 的选 择是关键 。
图 3 驱动电路总体框图 3. 1 绝缘栅型功率场效应管的选择 3. 1. 1 M O SFET 开关特性
由 MO SFET(场效应管 )构成 的共源 电路中 , 当栅 极驱 动电 压使漏极电流为零时 , 则认 为场效应 管的工 作点位 于夹断 区的 边界上 , 当栅 -源的反偏电压再增大 , M OSFET 的工作点完 全进 入夹断区 。 而当栅极控制电压 使漏 (D) -源 (S)电压变为零时 , 则认为 MO SFET 工作点位于饱和区的边界上 。 当提高栅 (G)极 驱动电压时 , M OSFET的工作 点就完全进入可变电阻区 。
动机的调速控制 。 而这种开关特性对整个驱动电路尤其是功 率
放大管提出了较高要求 。 工作在开关状态的 MO SFET, 由夹断区 到可变电阻 区 , 或 者
相反的过 程 , 也 就是其内部 电荷建立 和消失的过 程 , 因 而 , 需 要 一定的时间 。 共 源电 路的 开关 时间 波形 如图 4 所示 , M O SFET
图 5 死区产生波形图 3. 2 场效应管栅极驱动器件的选 择
随着功率 VM O S器件以 及绝缘 栅双 极晶 体管器 件 ( IGBT)
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《测控技术 》2007年第 26卷第 1期
的广泛运用 , 更多场 合使 用 VMO S 器件 或 IG BT 器 件组 成桥 式
电路 , 例如开关电源半桥变换器或全桥变换器 、直流无刷电机的 桥式驱动电路 、步 进电 机驱 动电 路以 及逆 变器 的逆 变电 路 [ 3] 。
与 “断开 ”时间的长短 , 通过改变 直流伺服 电动机电枢 上电压 的 “占空比 ”来改变平均电压的大小 , 从而控 制电动 机的转速 。 因 此 , 这 种装置又称为开关驱动装置 。
PWM 控制原理如图 1所 示 。 可控 开关 S(可以 是三 极管 , M OSFET, IG BT 等 )以一定的时间 间隔重复地导通和断 开 。 当 S 导通时 , 供电电 源通过开关 S施加到电动机两端 , 电源向电机 提 供能量 , 电动机储 能 ;当 S断开时 , 切断 了供电电 源向电动机 提 供能量 ;但是 , 在 S导通期间电枢电感所储存的能量此时通过 续 流二极管 VD 使电动机 电流继续流通 。
图 1 PWM 控制原理示意图
2 H 型双极模式 PWM 控制原理
双极模式 PWM 控 制 [ 2] 的特 点是在 一 个开 关周 期内 , 作 用 在导电枢上的电压极性是 正负交 替的 , 双极性 工作模 式由此 得 名。
H 型双极模式 PWM 的 功率 转换电 路如 图 2所 示 。 它 由 4 个大功率晶体管和 4个续流二极 管组成 。 4个大功率 管分为 两 组 , V 1 和 V4 一组 , V2 和 V3 为 另一组 , 同 一组中 的两个 晶体 管
C ircuit Design for D riving and Controlling DC M otor Based on DSP
H E Cun-fu牞ZHOU Long牞SONG Guo-rong牞H E Shou-y in牞W U B in
牗C ollege of M echanical Engineering and A pp lied E lectron ics Technology牞B eijing U nivers ity of Technology牞Bei jing 100022牞Ch ina牘
传动控制系统是通过对电 机的控制 , 将电能转换为机械能 , 并且控制工作机械按给定的运 动规律运动的装置 。 而用直流电 动机作为原动机的传动称为直 流传动 。 由于直流传动系统具有 良好的 启动 、制动 、正反转及 调速等性能 , 目前 在传动领域 仍占 主要地位 。
在机器人技术领 域 , 直流 电机作 为机器 人各关 节或执 行机 构的动力源得到了 广泛的 应用 。 因此 , 机器 人控制 器作为 机器 人信息处理和控制的 主体 , 其设计好 坏将决 定机器 人系统 的整 体行为和整体性能 。 早 期的机 器人 , 特别是 工业机 器人所 采用 的控制系统基本上是 设计者基 于自己 的独立结 构而开 发的 , 它 采用了 专用计算 机 、专 用机器人语 言 、专 用操作系统 、专用 微处 理器 [ 1] 。 本设计基于 通用 DSP 控制 芯片开 发了 直流电 机控 制 驱动卡 , 取得了满意的控制效果 。
PWM 驱动电路就是利用 MO SFET 的开关特性 , 使之交替工 作在 截止 区和饱 和区 , 从 而越过 M O SFET 的 恒流区 , 通 过调 整 占空比的办法来调整 分配在电 动机电 枢两端的 电压 , 达到 对电
图 4 场效应管开关特性 本驱动电路采用型号 IRF540N 的绝 缘栅型 功率场 效应管 , 该管的开关时间值如下 :td(on) =30 ns;tr =60 ns;td(off) =80 ns;tf =30 ns。 该器件的开关频率可达到 1 ～ 2M H z, 能 够满足本系统 的设计要求 。 3. 1. 2 M OSFET 的功耗要求与共态直通 在 PWM 系统中 , M OSFET 的功率损耗是决定 其使用寿命的 重要因 素 , 也 是 衡 量 PWM 驱 动 效 率 的 一个 指 标 。 为 了 保 证 PWM 系统工作安全可靠 , 通常需要使 M OSFET工 作在额定功率 范围之内 。 降低功耗对 M O SFET 的特性参数有以下要求 : ①M OSFET 可变电阻区电压要小 ; ②上升时间 tr 和下降时间 tf 要短 。 而所谓的 “共 态直通 ” [ 2] 是 指 H 型 功率转 换电路中 的功 率 元件 (M O SFET、GTR)在 一 个开 关周 期内 的切 换瞬 间把 主电 源 短路的现象 。 共态直通发生的 原因是由 于功率 元件 (M OSFET、 GTR)开启时间 td(on)的 存在和 基极 驱动的 PWM 信号过 零点 无 延迟而引起的 。 因此 , 要 求功率元 件 (M OSFET、GTR)的开启 时 间尽可能短 , 同 时设计基极驱动电路时 , 应使同侧对管在开关 切 换期 间有 一个共 同休 止的延 时死 区 。 图 5 为死 区驱动 信号 波 形。
的开关时间由开启时间 ( turn-on de lay tim e) td(on)、上 升时间 ( rise time) tr、关 断 时 间 ( turn-off de lay tim e) td(off) 和 下 降 时 间 ( fa ll time) tf 组成 。
图 2 H 型双极模式 PWM 功率转换电路原理图
基于 DSP 的直流电机驱动控制电路设计
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同时导通 、同时关断 , 两组晶体管之间是 交替的轮流导通和截止 的 。 亦即基极驱 动信号 ub1 =ub4, ub2 =ub3 = - ub1。 双极模 式工 作时允许电流反向 流通 , 从而保 证电枢 电流始 终是连续 的 。 即 使电机不转动 , 电机电枢两端的瞬时电压也不为零 , 而是宽度相 等的正 、负脉冲电压 。 在电枢回路中流过一个交变的电流 , 使电 动机发生高频颤动 , 有利于减小静摩擦 。
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《测控技术 》2007年第 26卷第 1期
基于 DSP的直流电机驱动控制电路设计
何存富 , 周 龙 , 宋国荣 , 何守印 , 吴 斌
(北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院 , 北京 100022)
摘要 :基于 H 型双极模式 PWM 控制原理 , 设计了一种直流微电 机正反 转调速 功率放大 电路 。 采 用 IR 2110作为 该功率 放 大电路的驱动模块 , 构成的整个驱动电路具有结构简单 、驱动能力强 、功耗低的特点 。 通过 TM S320FL2407A DSP 芯片产 生 驱动电路所需要 的双 PWM 信号 。 同时 , D SP 芯片采集和处理电机 电枢电 流及转 速信号 , 实现 直流电 机的反 馈控制 。 DSP 芯片又通过串口 和 PC机建立通信 , 最终实现通过 PC 机发布指令控制直流电机的运动 。 关键词 :H 型双极模式 PWM 控制 ;功率放大 ;直流电机 ;IR2110;DSP 中图分类号 :TP211 文献标识码 :B 文章编号 :1000 - 8829(2007)01 - 0064 - 04
1 直流电机 PWM 控制原理
脉冲宽度调制 (PWM , pu lse w idth m odulation)装置 [ 2] 是一种 利用大功率晶体管的 开关特性 来调制 固定电压 的直流 电接通 ”
收稿日期 :2006 - 03 - 14 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (10372009) 作者简介 :何存富 (1958— ), 男 , 山西省大 同市人 , 博 士学位 , 副 院长 , 教 授 , 博士生导师 , 主要研究方向为现代测控技术与方法 , 计算机 测试与控 制技术 , 智能仪器与虚拟仪器 , 无损检测新技术 ;周龙 (1981— ), 男 , 湖北 省荆州市人 , 硕士研究生 , 主要研究方向为计算机测试与控制技术 。
本设计采用型号 为 IRF540N 功率 场效应管 , 其 栅极驱 动芯 片采用 IR2110, 设计 了如图 3所 示的驱动 电路 , 其中 , 器件 的选 择是关键 。
图 3 驱动电路总体框图 3. 1 绝缘栅型功率场效应管的选择 3. 1. 1 M O SFET 开关特性
由 MO SFET(场效应管 )构成 的共源 电路中 , 当栅 极驱 动电 压使漏极电流为零时 , 则认 为场效应 管的工 作点位 于夹断 区的 边界上 , 当栅 -源的反偏电压再增大 , M OSFET 的工作点完 全进 入夹断区 。 而当栅极控制电压 使漏 (D) -源 (S)电压变为零时 , 则认为 MO SFET 工作点位于饱和区的边界上 。 当提高栅 (G)极 驱动电压时 , M OSFET的工作 点就完全进入可变电阻区 。
动机的调速控制 。 而这种开关特性对整个驱动电路尤其是功 率
放大管提出了较高要求 。 工作在开关状态的 MO SFET, 由夹断区 到可变电阻 区 , 或 者
相反的过 程 , 也 就是其内部 电荷建立 和消失的过 程 , 因 而 , 需 要 一定的时间 。 共 源电 路的 开关 时间 波形 如图 4 所示 , M O SFET
图 5 死区产生波形图 3. 2 场效应管栅极驱动器件的选 择
随着功率 VM O S器件以 及绝缘 栅双 极晶 体管器 件 ( IGBT)
66
《测控技术 》2007年第 26卷第 1期
的广泛运用 , 更多场 合使 用 VMO S 器件 或 IG BT 器 件组 成桥 式
电路 , 例如开关电源半桥变换器或全桥变换器 、直流无刷电机的 桥式驱动电路 、步 进电 机驱 动电 路以 及逆 变器 的逆 变电 路 [ 3] 。
与 “断开 ”时间的长短 , 通过改变 直流伺服 电动机电枢 上电压 的 “占空比 ”来改变平均电压的大小 , 从而控 制电动 机的转速 。 因 此 , 这 种装置又称为开关驱动装置 。
PWM 控制原理如图 1所 示 。 可控 开关 S(可以 是三 极管 , M OSFET, IG BT 等 )以一定的时间 间隔重复地导通和断 开 。 当 S 导通时 , 供电电 源通过开关 S施加到电动机两端 , 电源向电机 提 供能量 , 电动机储 能 ;当 S断开时 , 切断 了供电电 源向电动机 提 供能量 ;但是 , 在 S导通期间电枢电感所储存的能量此时通过 续 流二极管 VD 使电动机 电流继续流通 。
图 1 PWM 控制原理示意图
2 H 型双极模式 PWM 控制原理
双极模式 PWM 控 制 [ 2] 的特 点是在 一 个开 关周 期内 , 作 用 在导电枢上的电压极性是 正负交 替的 , 双极性 工作模 式由此 得 名。
H 型双极模式 PWM 的 功率 转换电 路如 图 2所 示 。 它 由 4 个大功率晶体管和 4个续流二极 管组成 。 4个大功率 管分为 两 组 , V 1 和 V4 一组 , V2 和 V3 为 另一组 , 同 一组中 的两个 晶体 管
C ircuit Design for D riving and Controlling DC M otor Based on DSP
H E Cun-fu牞ZHOU Long牞SONG Guo-rong牞H E Shou-y in牞W U B in
牗C ollege of M echanical Engineering and A pp lied E lectron ics Technology牞B eijing U nivers ity of Technology牞Bei jing 100022牞Ch ina牘
传动控制系统是通过对电 机的控制 , 将电能转换为机械能 , 并且控制工作机械按给定的运 动规律运动的装置 。 而用直流电 动机作为原动机的传动称为直 流传动 。 由于直流传动系统具有 良好的 启动 、制动 、正反转及 调速等性能 , 目前 在传动领域 仍占 主要地位 。
在机器人技术领 域 , 直流 电机作 为机器 人各关 节或执 行机 构的动力源得到了 广泛的 应用 。 因此 , 机器 人控制 器作为 机器 人信息处理和控制的 主体 , 其设计好 坏将决 定机器 人系统 的整 体行为和整体性能 。 早 期的机 器人 , 特别是 工业机 器人所 采用 的控制系统基本上是 设计者基 于自己 的独立结 构而开 发的 , 它 采用了 专用计算 机 、专 用机器人语 言 、专 用操作系统 、专用 微处 理器 [ 1] 。 本设计基于 通用 DSP 控制 芯片开 发了 直流电 机控 制 驱动卡 , 取得了满意的控制效果 。
PWM 驱动电路就是利用 MO SFET 的开关特性 , 使之交替工 作在 截止 区和饱 和区 , 从 而越过 M O SFET 的 恒流区 , 通 过调 整 占空比的办法来调整 分配在电 动机电 枢两端的 电压 , 达到 对电
图 4 场效应管开关特性 本驱动电路采用型号 IRF540N 的绝 缘栅型 功率场 效应管 , 该管的开关时间值如下 :td(on) =30 ns;tr =60 ns;td(off) =80 ns;tf =30 ns。 该器件的开关频率可达到 1 ～ 2M H z, 能 够满足本系统 的设计要求 。 3. 1. 2 M OSFET 的功耗要求与共态直通 在 PWM 系统中 , M OSFET 的功率损耗是决定 其使用寿命的 重要因 素 , 也 是 衡 量 PWM 驱 动 效 率 的 一个 指 标 。 为 了 保 证 PWM 系统工作安全可靠 , 通常需要使 M OSFET工 作在额定功率 范围之内 。 降低功耗对 M O SFET 的特性参数有以下要求 : ①M OSFET 可变电阻区电压要小 ; ②上升时间 tr 和下降时间 tf 要短 。 而所谓的 “共 态直通 ” [ 2] 是 指 H 型 功率转 换电路中 的功 率 元件 (M O SFET、GTR)在 一 个开 关周 期内 的切 换瞬 间把 主电 源 短路的现象 。 共态直通发生的 原因是由 于功率 元件 (M OSFET、 GTR)开启时间 td(on)的 存在和 基极 驱动的 PWM 信号过 零点 无 延迟而引起的 。 因此 , 要 求功率元 件 (M OSFET、GTR)的开启 时 间尽可能短 , 同 时设计基极驱动电路时 , 应使同侧对管在开关 切 换期 间有 一个共 同休 止的延 时死 区 。 图 5 为死 区驱动 信号 波 形。
