MOS管驱动直流电机要点

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直流电机驱动课程设计

题目：MOS管电机驱动设计

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摘 要

直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑，便，调速围广，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊运行要求。

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本文介绍了直流电机驱动控制装置（H桥驱动）的设计与制作，系统采用分立元件搭建H桥驱动电路，PWM调速信号由单片机提供，信号与H桥驱动电路之间采用光电耦合器隔离，电机的驱动运转控制由PLC可编程逻辑控制器实现。

关键词：直流电动机，H桥驱动，PWM

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目 录

一、直流电机概述 ...................................................................................... 4 二、直流电机驱动控制 .............................................................................. 6 三、直流电机驱动硬件设计 ...................................................................... 8 四、直流电机驱动软件设计 ...................................................................... 9 五、程序代码 ............................................................................................. 12 六、参考文献 ............................................................................................. 18

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一、概 述

19世纪70年代前后相继诞生了直流电动机和交流电动机，从此人类社会进入了以电动机为动力设备的时代。以电动机作为动力机械，为人类社会的发展和进步、工业生产的现代化起到了巨大的推动作用。在用电系统中，电动机作为主要的动力设备而广泛地应用于工农业生产、国防、科技及社会生活等各个面。电动机负荷约占总发电量的70％，成为用电量最多的电气设备。对电动机的控制可分为简单控制和复杂控制两种。简单控制对电动机进行启动、制动、正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器、可编程控制器和开关元件来实现。复杂控制是对电动机的转速、转角、转矩、电压、电流等物理

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量进行控制，而且有时往往需要非常精确的控制。以前对电动机的简单控制应用较多，但是，随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机的复杂控制变成主流，其应用领域极其广泛。 电动机控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进步，使电动机控制技术在近二十多年发生了翻天覆地的变化。其中电动机控制部分已由模拟控制让位给以单片机为主的微处理器控制，形成数字与模拟的混合控制系统和纯数字控制系统的应用，并向全数字控制系统的向快速发展。电动机驱动部分所用的功率器件经历了几次更新换代，目前开关速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFE和TIGBT成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的应用也使新型的电动机控制法能够得以实现。脉宽调制控制法（PWM和SPWM），变频技术在直流调速和交流调速中获得了广泛的应用。永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机、交流伺服电动机，开关磁阻电动机、超声波电动机、专为变频调速设计的交流电动机等。直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机。与交流电机相比，直流电动机因结构复杂、维护困难、价格较贵等去诶按制约了它的发展，应用不如交流电机广泛。但由于直流电动机具有优良的起动、调速和制动性能，因此在工业领域中仍再有一席之地。

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二、直流电机驱动控制概述

直流电机调速法通常有机械的、电气的、液压的、气动的几种，仅就机械与电气调速法而言，也可采用电气与机械配合的法来实现速度的调节。电气调速有多优点，如可简化机械变速机构，提高传动效率，操作简单，易于获得无极调速，便于实现远距离控制和自动控制，因此在生产机械中广泛采用电气法调速。

由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。所以，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。在我国多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合，仍然广泛采用直流调速系统。而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。

2.1直流电机的工作原理

根据电磁学基本知识可知，载流导体在磁场中要受到电磁力的作用。如果导体在磁场中的长度l，其中流过的电流为i，导体所在处的磁通密度为B，那末导体受到的电磁力的值为式（2-1）

FBli (2-1)

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如图2-1中N、S极下各根导体所受电磁力的向，如图中箭头所示。电磁力对转轴形成顺时针向的转矩，驱动转子而使其旋转。由于每个磁极下元件中电流向不变，故此转矩向恒定，称为直流电动机的电磁转矩。如果直流电动机轴上带有负载，它便输出机械能，可见直流电动机是一种将电能够转化成机械能的电气装置。

直流电动机是可逆的，他根据不同的外界条件而处于不同的运行状态。当外力作用使其旋转，驶入机械能时，电机处于发电机状态，输出电能；当在电刷两端施加电压输入电能时，电机处于电动机状态，带动负载旋转输出机械能。

NFFS

图一： 直流电动机工作原理图

2.2直流电机的调速特性

根据直流电机的结构分析可得到等效的模型，包括电枢绕组及其等效的电阻等。直流电动机的转速n和其它参数的关系可用下式来表

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示：

nUNINRaCe (2-2)

(2-2)式中：UN是电枢电压，IN是电枢电流，Ra是电枢回路总电阻，Ce是电势常数，Φ是励磁磁通。

CePN60a (2-3)

(2-3)式中：p-磁极对数，N是导体数，a是电枢支路数。

CeK (2-4)

(2-4)式中：当电机型号确定后，CeΦ为常数，故式式(2-1)改为

nUNINRaK (2-5)

在中小功率直流电机中，电枢回路电阻非常小，式(2-5)中INRa项可省略不计，由此可见，当改变电枢电压时，转速n随之改变，达到直流电机的调速的目的。改变直流电机电枢电压，可通过PWM控制的降压斩波器进行斩波调压。 2.3直流电机的几种调速法

根据直流电机的基本原理，由感应电势、电磁转矩以及机械特性程式可知，直流电动机的调速法有三种：

（1）调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速法。对于要求在一定围无级平滑调速的系统来说，这种法最好。变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。

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（2）改变电动机主磁通。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速法。变化时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。

（3）改变电枢回路电阻。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的法，设备简单，操作便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。

改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小围的升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种法配合起来使用。

调节电枢供电电压或者改变励磁磁通，都需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：

（1）旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。

（2）静止可控整流器（简称V-M系统）。用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。

（3）直流斩波器（脉宽调制变换器）。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的法产生可调的直流平均电压。 旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给

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需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。改变励磁电流的向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不便等缺点。且技术落后，因此搁置不用。

三、直流电机驱动硬件设计

3.1 主功率电路

经过前面的探讨，系统采用脉宽调制法来控制电机的端电压。构成直流斩波器的开关器件过去用的较多的是普通晶闸管，它们本身没有自关断能力，因而限制了斩波器的性能;目前斩波器大都采用既能控制其导通又能控制其关断的全控型器件，如功率晶体管(GTR)、可关断晶闸管(GTO)、场效应管(MOSFET )、绝缘栅双极晶体管(IGBT )等。

电力晶体管的优点是饱和压降低、载流密度大，但是驱动电流较大。电力场效应管是用栅极电压来控制漏极电流的，因此它的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小、开关速度快、工作频率高，但是电力MOSFET的电流容量小、耐压低、导通压降大，适用于小功率电力电子装置。由于功率场效应晶体管(Power MOSFET)是一种单极型电压控制器件，具有开关速度快、高频特性好、输入阻抗高、驱动功

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率小、热稳定性优良、无二次击穿问题、安全工作区宽和跨导线性度高等显著特点，因而在各类中小功率开关电路中得到了广泛的应用[17]。

因此本控制系统使用功率MOSFET作为功率开关器件。功率开关器件的选取非常关键，如果选择的功率管容量、耐压过大，则将大幅增加控制系统的成本;如果功率管的耐压及电流容量偏小，则在工作过程中经常无端出现管子烧毁的现象。纯硬件原理样机的主功率及其驱动电路根据系统总体设计案采用DC-AC三相桥式逆变电路，24V主功率电路如图二所示：

图二：主功率电路

续流二极管 选用快速恢复二极管 ，额定电流为3A，额定电压为40V，恢复时间为10nS。对输入端和输出端接有感性元件时，如控制接触器

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的线圈等，则在它们两端并联续流二极管（直流电路）和阻容吸收电路，以抑制电路断开时产生的电弧对功率电路的影响。

RC吸收回路的R值越大，线圈两端的电压越高，要考虑线圈的绝缘水平是否工作在安全区；R的值越小，线圈（电阻）要承担部分的磁能损耗，且回路总电阻值小，能量损耗就慢，电机去磁就较慢（因为回路电流在断开电源时的大小是一样的），当然，电容器的取值也致关重要，电容器能否吸收线圈中的磁能。这样分析，电容只是在线圈工作过程中，起隔离直流（能减去吸收回路中R的损耗）作用，不会减轻线圈的损耗，使用二极管，能隔离R在线圈工作时的损耗。电阻和电容参数计算如下：

C(2.5~5)108If （4.1）

If0.367Id

Id直流电流值。

由电机电流为IN1.8A，UN24V，PN15W可以计算

C(2.5~5)1081.80.045~0.09F（4.2）

选用0.1F/50V电容。 电阻的选择：

R(2~4)535/If594.4~1188.8

选用1K电阻。 电阻功率选择：

PR(1.5(Pfv2fc)21012R)/2Pfv2U(1.5~2.0) （4.3）

，fc为晶闸管或MOSFET频率。U为电压的有效值。

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则

PR(1.5[224(1.5~2)3.14]210121000)/21W

选用1K/1W的电阻。

3.2功率驱动电路

根据系统总体设计案选用美国国际整流器公司最新开发的高性能集成六路输出MOS门极驱动芯片IR2130作为六只开关功率管的驱动，IR2130的部结构图如图三所示：

图三： IR2140部结构图

IR2130的工作原理

正常工作时，当外部电路不发生过电流，直通故障，且IR2130的工作电压源不欠压，以及脉冲处理电路和电平移位器PGLS输出高压侧栅极驱动信号不发生欠压情况时，则从封锁逻辑CLEAR故障逻辑处理单元FAULT及欠电压检测器LVD和UVDR来的封锁信号均无

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效。从脉冲形成部分来的六路脉冲信号，经三个输入信号处理器，按真值表处理后，变为六路输出脉冲，其对应的驱动三路低电压侧功率MOS管的信号，经三路输出驱动器放大后，直接送往被驱动功率器件的栅源极。

而另外三路高压侧驱动信号H1、H2、H3先经集成于IR2130部的三个脉冲处理和电平移位器PGLS中的自举电路进行电位变换，变为三路电位悬浮的驱动脉冲，再经对应的三路输出锁存器锁存，并经格的驱动脉冲欠压与否检验后，送到输出驱动器进行功率放大，最后才被加到驱动的功率MOS器件的栅源极。 IR2104的典型应用电路

一旦外电路发生过电流或直通，即电流检测单元送出的信号高于

0.5V时，则IR2130部的比较器迅速翻转，促使故障逻辑输出单元

FAULT 输出低电平，一则封锁三路输入脉冲处理器ISG的输出，使IR2104的输出全为低电平，保证六个被驱动的功率MOS器件的栅源极迅速反偏而全部截止，保护功率管；另一面，经IR2104的8脚输出信号，封锁脉冲形成部分的输出或给出声光报警。若发生IR2104的工作源欠电压，则欠压检测器UVD迅速翻转，同以上分析一样，可得到被驱动功率器件全部截止而可得到可靠保护，并从FAULT脚得到故障信号的结果。IR2104的典型应用电路如图四所示：

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图四：IR2104的典型应用电路

IR2104可用来驱动工作在母电压不高于600V的电路中的功率MOS门器件，其可输出的最大正向峰值驱动电流为250mA，而反向峰值驱动电流为500mA。它部设计有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络，使用户可便的用来保护被驱动的MOS门功率管，加之部自举技术的巧妙运用使其可用于高压系统，它还可对同一桥臂上下2个功率器件的门极驱动信导产生2S互锁延时时间。它自身工作和电源电压的围较宽(3~20V)，在它的部还设计有与被驱动的功率器件所通过的电流成线性关系的电流放大器，电路设计还保证了部的3个通道的高压侧驱动器和低压侧驱动器可单独使用，亦可只用其部的3个低压侧驱动器，并且输入信号与TTL及COMS电平兼容[13][14]。 图4.3.8 中，R1R5R6R7R8R950，R20.1/1W，

R31K，R4100；C1C2C21F/50V；VR110K。注：未标明

功率电阻为普通0.25W电阻。

R2为电流采样电阻，根据电机参数IN1.8A，阻R3.308，可选0.1/2W功率电阻。当电机正常工作时，R1上压降非常小，不会导致

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母线电压利用率降低，在正/反转快速变化时，转速反接制动过程中将产生较大的瞬时电流，从而在R1上产生较大的压降。TRIP为欠压、过流输入关闭信号，通过变阻器VR1可调节系统过流临界值的大小，

VR1可选普通的1K/0.25W可调电阻，当该电压大于IR2104部设定的

0.5V保护值时，它会自动使IR2130输出信号全部为低电平。大电流

过后，系统自动解除封锁，从而实现弹性保护。

C1是自举电容，为上桥臂功率管驱动的悬浮电源存储能量，其容量

取决于被驱动功率器件的开关频率、占空比以及充电回路电阻，必须保证电容充电到足够的电压，而放电时其两端电压不低于欠压保护动作值，当被驱动的开关频率大于5KHz时，该电容值应不小于0.1F，且以瓷片电容为好。本设计选用50V/1F独电容。

D1、D2、D3的作用防止上桥臂导通时的直流电压母线电压到

IR2130的电源上而使器件损坏，因此D1应有足够的反向耐压，当然由于D1、D2、D3与C1、C2、C3串联，为了满足主电路功率管开关频率的要求，D1、D2、D3应选快速恢复二极管，按电机UN24V，可选IN4148开关二极管，耐压为100V。R1和R2是IGBT的门极驱

LIN1~LIN3动电阻，一般可采用10到几十欧。IR2130的HIN1~HIN3、

作为功率管的输入驱动信号与单片机连接，由单片机控制产生PWM控制信号的输入，FAULT与单片机外部中断引脚连接，由单片机中断程序来处理故障[16]。

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四：直流电机驱动软件设计

4.1 pwm波输出原理

输出模式0 输出模式：输出信号OUTx由每个捕获/比较模块的控制寄存器CCTLx中的OUTx位定义，并在写入该寄存器后立即更新。最终位OUTx直通。

输出模式1 置位模式：输出信号在TAR等于CCRx时置位，并保持置位到定时器复位或选择另一种输出模式为止。

输出模式2 PWM翻转/复位模式：输出在TAR的值等于CCRx时翻转，当TAR的值等于CCR0时复位。

输出模式3 PWM置位/复位模式：输出在TAR的值等于CCRx时置位，当TAR的值等于CCR0时复位。

输出模式4 翻转模式：输出电平在TAR的值等于CCRx时翻转，输出期是定时器期的2倍。

输出模式5复位模式：输出在TAR的值等于CCRx时复位，并保持低电平直到选择另一种输出模式。

输出模式6 PWM翻转/置位模式：输出电平在TAR的值等于CCRx时翻转，当TAR值等于CCR0时置位。

输出模式7 PWM复位/置位模式：输出电平在TAR的值等于CCRx时复位，当TAR的值等于CCR0时置位。 增计数模式下的输出波形如图五所示：

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图五：增计数模式的输出波形

五、程序代码

/*******************HY-M149******************************** * 文件名 ：main.c

* 描述 ：定时器A在P1.2和P1.3输出两路占空比不同的PWM波 * 实验平台：HY-M149 V2.0 开发板

* 硬件连接:法一：用示波器观察P1.2和P1.3管脚

法二：将P1.2和P1.3接至LED，观察不同占空比情况下

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的亮度

/***************************时钟初始化*************************/

#include \"msp430x14x.h\" void Clk_Init() {

unsigned char i;

BCSCTL1&=~XT2OFF;//打开XT振荡器

BCSCTL2|=SELM_2+SELS;//MCLK 8M and SMCLK 8M do {

IFG1 &= ~OFIFG;//清除振荡错误标志 for(i = 0; i < 0xff; i++) _NOP();//延时等待 }

while ((IFG1 & OFIFG) != 0);//如果标志为1继续循环等待 IFG1&=~OFIFG; }

/***************************关闭所有IO口*************************/ void Close_IO() {

/*下面六行程序关闭所有的IO口*/ P1DIR = 0XFF;P1OUT = 0XFF;

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P2DIR = 0XFF;P2OUT = 0XFF; P3DIR = 0XFF;P3OUT = 0XFF; P4DIR = 0XFF;P4OUT = 0XFF; P5DIR = 0XFF;P5OUT = 0XFF; P6DIR = 0XFF;P6OUT = 0XFF; }

void main( void ) {

WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; //关看门狗 Clk_Init(); //时钟初始化 Close_IO(); //关闭I/O口

TACTL=TASSEL1+TACLR+MC0; //MCLK为时钟源,清TAR,增计数模式

TACCR0=8000-1; //设定PWM期 TACCTL1=OUTMOD_7; //CCR1输出为reset/set模式

TACCR1=6000; //CCR1的PWM占空比设定

TACCTL2=OUTMOD_7; //CCR2输出为reset/set模式

TACCR2=2000; //CCR2的

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PWM占空比设定

P1DIR|=0X0c; //P1.2、P1.3输出，对应TA1，TA2

P1SEL|=0X0c; //TA1,TA2输出功能 while(1); }

六、参考文献

[1] 贡俊，陆国林．直流伺服电动机在工业中的应用与发展[J]．微特电机，2000(3)

[2] 琛．直流无刷电动机原理及应用[M]．北京．机械工业出版社，1996

[3] 桂英．电机与拖动[M]．：东北大学出版社，2004

[4] 明迪，航挺．单片机控制直流伺服电动机速度伺服系统[N]．北京航空航天大学学报，97,23（4）

[5] 余永权，汪明慧，黄英．单片机在控制系统中的应用[M]．北京：

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电子工业出版社，2003

[6] 尔桂花，窦曰轩．运动控制系统[M]．北京：清华大学出版社，2002.

[7] 薛定宇．基于MATLAB/ Simulink 系统仿真技术与应用[M]．北京：清华大学出版社，1999.

[8] 晓明．电动机的单片机控制[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2002

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