直流电机驱动电路的设计.docx

直流电机驱动电路的设计 dujing 导语：驱动电路的性能很大程度上影响整个系统的工作性能。有很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 驱动电路的性能很大程度上影响整个系统的工作性能。有很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510%左右。为了便于分析可以为 I/IN=I/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 Ld/Rd5T2.5T可逆或者不可逆 2 对于双极性控制 Ld/Rd10T5T 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。假设采用GTR，开关频率可取2KHz左右，T=0.5ms。假设采用IGBT，开关频率可取18KHz以上，所以上式均能知足。假设采用GTO或者可控硅功率器件，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="Lf"+La 4 对不可逆系统还应进一步检查临界电流，IaL=UsT/8LdIa0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者更小，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align=center图1 H桥开关电路 图2 H桥开关电路/align 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是互补的双极性或者单极性驱动信号，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。 当驱动功率比拟大时，一般桥臂电压也比拟高，例如直接取工频电压，单相220V，或者三相380V。为了平安和可靠，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相互独立的，并由独立的电源供电。由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者不共地。 align=center图3 大功率驱动电路/align3. 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。 align=center图4 典型光电耦合器电路/align 图中，普通型光耦的Ic/Id=0.10.3；高速型光耦采用光敏二极管；高电流传输比型光耦的Ic/Id=0.5；它们的上升延时时间和关断延时时间分别为tr，ts>45s；tr，ts4. 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。 align=center图6 导通延时电路及波形/align 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0.2s/A来设置；对MOSFET可按0.10.2s设计，且与电流无关，IGBT可按25s设计。举例讲明，假设为GTR，f=5kHz，双极性工作，调宽区域为T/2=1/10=0.1ms。假设I=100A，那么t=0.2X100=20s，那么PWM调制分辨率最大可能性为 T/2t=0.1/0.02=5 5 这讲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。 0