直流电机驱动电路的设计

精品文档 你我共享 腹有诗书气自华 直流电机驱动电路的设计 驱动电路的性能很大程度上影响整个系统的工作性能。 有许多问题需 要慎重设计，例如，导通延时、泵升保护、过压过流保护、开关频率、 附加电感的选择等。 1. 开关频率和主回路附加电感的选择 力矩波动也即电流波动，由系统设计给定的力矩波动指标为 △ I/IN，对有刷直流电动机而言，通常在(5~10)%左右。为了便于分 析可认为 △ I/IN= △ l/(Us/Rd) (1) 式中Rd为电枢回路总电阻。代入前面各种驱动控制方式的 △ I 表达式中，消去Us,可求出： 对于单极性控制 &nbs p; Ld/Rd > 5T~2.5T(可逆或不可逆)(2)

对于双极性控制 Ld/Rd > 10T~5T ( 3)

式中T为功率开关的开关周期。 对于有刷直流电动机，电磁时间常数 Ld/Rd 一般在10ms至几十 毫秒。若采用GTR开关频率可取2KHz左右，T=0.5ms。若采用IGBT, 精品文档 你我共享 腹有诗书气自华 开关频率可取18KHZ以上，所以上式均能满足。若采用GTO或可控硅 功率器件，由于工作频率只有100Hz左右，此时应考虑在主回路附加 电抗器，且 Ld二"Lf"+La (4)精品文档 你我共享 对不可逆系统还应进一步检查临界电流，laL二UsT/8Ld < laO 应 小于电机空载电流，防止空载失控。对于低惯量电机、力矩电动机， 由于电磁时间常数很小（几个毫秒或更小），此时应考虑采用开关频 率高的IGBT功率开关器件。 2. 功率驱动电路的选择

图1 H桥开关电路（I） & nbsp; 图2 H桥开关电路（II） 小功率驱动电路可以采用如图1所示的H桥开关电路。UA和UB 是互补的双极性或单极性驱动信号，TTL电平。开关晶体管的耐压应 大于1.5倍Us以上。由于大功率PNP晶体管价格高，难实现，所以 这个电路只在小功率电机驱动中使用。当四个功率开关全用NPN晶体 管时，需要解决两个上桥臂晶体管（BG1和BG3）的基极电平偏移问题。 图2中H桥开关电路利用两个晶体管实现了上桥臂晶体管的电平偏 移。但电阻R上的损耗较大，所以也只能在小功率电机驱动中使用。 当驱动功率比较大时，一般桥臂电压也比较高，例如直接取工频 电压，单相220V,或三相380V。为了安全和可靠，希望驱动回路（主 回路）与控制回路绝缘。此时，主回路必须采用浮地前置驱动。图 3 所示的浮地前置驱动电路都是互相独立的， 并由独立的电源供电。由 腹有诗书气自华 精品文档 你我共享 于前置驱动电路中采用了光电耦合，使控制信号分别与各自的前置驱 动电路电气绝缘，于是使控制信号对主回路浮地（或不共地）

图3大功率驱动电路 3. 具有光电耦合绝缘的前置驱动电路 对于大功率驱动系统，希望将主回路与控制回路之间实行电气隔 离，此时常采用光电耦合电路来实现。 有三种常用的光电耦合电路如 图4所示，其中普通型的典型型号是 4N25 117等，高速型的典型型 号有985C,高电流传输比型也称达林顿型， 典型型号有113等。

图4典型光电耦合器电路 图中，普通型光耦的lc/ld=0.1~0.3 ;高速型光耦采用光敏二极管; 高电流传输比型光耦的Ic/ld=0.5 ;它们的上升延时时间和关断延时 腹有诗书气自华

时间分别为 tr , ts>4~5 咋;tr , ts<1.5 卩 s; tr , ts 为 10 s 左右。

U 崗电桃传権比申 精品文档 你我共享

腹有诗书气自华 光电耦合器与后续电路结合就能构成前置驱动电路，如图 5所

示。这个前置驱动电路的上升延时tr ------------------ 3.9卩s ,关断延时 ts ―― 1.6卩s，可以在中等功率系统中使用。

图5前置驱动电路 为了对功率开关提供最佳前置驱动，现在已有很多专用的前置驱 动模块。这种驱动模块对功率开关提供理想前置驱动信号，保证功率 开关迅速导通，迅速关断，对功率开关的饱和深度进行最佳控制，对 功率开关的过电流、过热进行检测和保护。例如， EX356 EX840等 等。 4. 防直通导通延时电路

对H桥驱动电路上下桥臂功率晶体管加互补信号， 由于带载情况 下，晶体管的关断时间通常比开通时间长，这样，例如当下桥臂晶体 管未及时关断，而上桥臂抢先开通时就出现所谓“桥臂直通”故障。 桥臂直通时电流迅速变大，造成功率开关损坏。所以设置导通延时， 是必不可少的。图6是导通延时电路及其波形。 精品文档 你我共享

腹有诗书气自华 图6导通延时电路及波形 导通延时，有时也称死区时间，可通过RC时间常数来设置；对GTR 可按0.2卩s/A来设置；对MOSFE可按0.1~0.2卩s设计，且与电流 无关，IGBT可按2~5卩s设计。举例说明，若为 GTR f=5kHz，双极 性 工作，调宽 区域为 T/2=1/10=0.1ms。若l=100A ,贝S △ t=0.2X100=20卩s,则PWMB制分辨率最大可能性为 (T/2) △ t=0.1/0.02=5 (5)

这说明死区时间占据了调制周期的 1/5，显然是不可行的。所以 对于100A的电机系统，GTR的开关频率必须低于5kHz。例如，2kHz 以下，此时分辨率达12.5左右。 驱动电路的设计还有很多问题，例如过压、过流、过热、泵升保 护等等。 直流电机伺服驱动开关电源的 EMI滤波器设计

引言直流电机专用伺服驱动电源，已不仅仅是传统意义上的开 关电源，它直接参与了直流电机的控制工作， 其特有的微机接口控制 和上电时序控制功能尤其适合直流电机驱动系统， 相对传统的通用型 大功率电源有着明显的的技术优势，其多功能的技术特点，符合电机 驱动精品文档 你我共享 腹有诗书气自华 电源系统的发展方向。然而，随着电子设计、计算机与家用电器 的大量涌

现和广泛普及，电网噪声干扰日益严重并形成一种公害。 特 别是瞬态噪声干扰，其上升速度快、持续时间短、电压振幅度高 (几 百伏至几千伏)、随机性强，尤其会对微机和伺服驱动系统易产生严 重干扰，常使人防不胜防。电磁干扰滤波器(EMI Filter)是近年来被 推广应用的一种新型组合器件。它能有效地抑制电网噪声，提高伺服 系统和电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性， 可广泛用于电子测量 仪器、计算机机房设备、开关电源、测控系统等领域。本文介绍的就 是一种直流电机伺服驱动开关电源的 EMI滤波器设计。 滤波器设计 根据直流电机伺服驱动开关电源系统的特点，本设计中的 EMI滤波 器采用双级LC网络设计，双级LC网络插入开关电源电路中的位置 如图1所示。假定直流电源侧为低阻抗电压源 US, DC/DC变换器 输入端为高阻抗电流源i(t)。那么LC滤波器只能选择“!型结构，最 简单的双“r”LC网络如图2所示。其频域传递函数为： 由于LC网 络谐振时，会

产生很大的电流(电压)峰值，这个网络有3个频率点的 谐振峰值是必须限制，否则，会产生更大的 EMI。限制这3个频率点

的峰值是设计这个滤波器的主要指导思想。这3个频率点分别是：第 一级滤波器的谐振频率： 第二级滤波器的谐振频率：第3个频率点 就是DC/DC变换器的开关频率f。下面具体讨论滤波器设计方法， 即选取LC网络中元件参数的方法： 由上面3个式子，3个频率点对 应的传递函数的幅值分别为： 元件参数选取方法讨论如下： 为了限 箭fl点的谐振峰值，要求插入衰减 zollogH仁zologCI /C2v0,即 精品文档 你我共享 腹有诗书气自华 C1VC2V1。根据经验，它们的比值范围为 元件参数选取步骤归纳如 下：

(1)由(7)〜(9)式确定了比值，这样只有二个参数是独立的；(2) 由于滤波

器负载侧(开关电流i(t)侧)谐波分量较大，C2应选一个大容 量电容器。(3)由(1)、(2)步结果代入(9)式，就可以确定另一个独 立参数。(4)由直流

侧电源Us确定电容器额定电压值Uce>2Us。例 如：若开关电源开关频率f=50kHz , Us=24V ,由上述参数选取原则， 选取二组参数见表1。EMI滤波器的技术参数及测试方法 主要技术 参数EMI滤波器的主要技术参数有：额定电压、额定电流、漏电流、 测试电压、绝缘电阻、直流电阻、使用温度范围、工作温升 Tr、插 入损耗AdB、外形尺寸、重量等。上述参数中最重要的是插入损耗(亦 称插入衰减)，它是评价电磁干扰滤波器性能优劣的主要指标。 插入 损耗(AdB)是频率的函数，用dB表示。设电磁干扰滤波器插入前后传 输到负载上的噪声功率分别为 P1、P2,有公式：AdB=101g(P1 /P2) (10)假定负载阻抗在插入前后始终保持不变，则 P1=V12 /Z, P2=V22 /乙式中V1是噪声源直接加到负载上的电压，V2是在噪声 源与负载之间插入电磁干扰滤波器后负载上的噪声电压，且 V1«V2。代入(10)式中得到： AdB=201g(V1 /V2) (11)插入损耗 的测量方法 插入损耗用分贝(dB)表示，分贝值愈大，说明抑制噪声 干扰的能力愈强。测量插入损耗的电路如图 3所示。US是噪声信号 发生器，Zi是信号源的内部阻抗，ZL是负载阻抗，一般取50Q。噪 声频率范围可选10kHZ〜30MHz。首先要在不同频率下分别测出插入 前后负载上的噪声压降 VI、V2,再代入(11)式中计算出每个频率点 的AdB