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ΔI/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

　　ΔI/IN=ΔI/(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ΔI表达式中，消去Us，可求出：

　　对于单极性控制

              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，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="Lf"+La                                    (4)

　　对不可逆系统还应进一步检查临界电流，IaL=UsT/8Ld≤Ia0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)                                   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Ic/Id=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/Id=0.5；它们的上升延时时间和关断延时时间分别为tr，ts>4~5μs；tr，ts<1.5μs；tr，ts为10μs左右。

　　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——3.9μs，关断延时ts——1.6μs，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。



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0.2μs/A来设置；对MOSFET可按0.1~0.2μs设计，且与电流无关，IGBT可按2~5μs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I=100A，则Δt=0.2X100=20μs，则PWM调制分辨率最大可能性为

                      (T/2)Δt=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。