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直流电机驱动电路设计-----学习笔记

时间:2023-03-06 21:30:00 延缓交流继电器动作的控制电路

DC电机驱动电路的设计目标
主要考虑直流电机驱动电路的设计:
1. 功能:电机是单向还是双向旋转?需要调速吗?对于单向电机驱动,只需使用大功率三极管或场效应管或继电器直接驱动电机。当电机需要双向旋转时,可使用由四个功率元件组成的H桥电路或双刀双掷继电器。若无需调速,只需使用继电器即可;但若需调速,可采用三极管、场效应管等开关元件实现PWM(脉冲宽度调制)调速。
2. 性能:对于PWM调速电机驱动电路主要具有以下性能指标。
1)输出电流和电压范围,它决定着电路能驱动多大功率的电机。
2)效率高,不仅意味着节省电源,还意味着减少驱动电路的加热。为了提高电路的效率,可以保证电源设备的开关工作状态,防止共态导通(H桥或推挽电路可能出现的一个问题,即两个电源器件同时导通,导致电源短路)。
3)对控制输入端的影响。功率电路应对其输入端进行良好的信号隔离,以防止高电压和大电流进入主控制电路,可以用高输入阻抗或光电耦合器隔离。
4)对电源的影响。共态导通会导致电源电压瞬时下降,造成高频电源污染;大电流会导致地线电位浮动。
5)可靠性。电机驱动电路应尽可能安全,无论添加什么控制信号和无源负载。
二、三极管-电阻格栅极驱动

1.输入和电平转换部分:
输入信号线DATA1脚是地线,其余是信号线。注意1脚对地连接2K欧的电阻。当驱动板和单片机分别供电时,该电阻可以提供信号电流回流的通路。当驱动板与单片机共用一组电源时,该电阻可以防止大电流沿着连接到单片机主板的地线干扰。换句话说,将驱动板的地线与单片机的地线隔开,实现一点接地。
高速运放KF347(也可以用TL084)作用是将输入逻辑信号与指示灯和二极管相同的比较器.7V基准电压比较转换为接近功率电源电压范围的方波信号。KF347的输入电压范围不能接近负电源电压,否则会出错。因此,在输入端增加了二极管,以防止电压溢出。输入端的两个电阻一个用于限流,另一个用于在输入悬空时将输入端拉到低电平。
不能用LM339或输出的高电平状态输出阻抗超过1000欧元,压降较大,后一级三极管将无法停止,因此339或任何其他开路输出比较器都取代了运放。
2.栅极驱动部分:
后三极管和电阻、稳压管组成的电路进一步放大信号,驱动场效应管的栅极,利用场效应管本身的栅极电容(约1万pF)延迟,防止H桥上下臂的场效应管同时导通(共态导通)造成电源短路。
运输输出端为低电平(约1)V至2V,当不能完全实现零时,下三极管的截止日期和场效应管的导通。上三极管导通,场效应管截止日期,输出为高电平。当输出端为高电平时(约为VCC-(1V至2V),不能完全实现VCC)下三极管导通,场效应管截止。上三极管截止,场效应管导通,输出低电平。
以上分析是静态的,下面讨论了开关转换的动态过程:三极管的导电阻远小于2000欧元,因此三极管从截止到导电时间的电荷可以快速释放,场效应管可以快速停止。然而,从导通到截止日期,三极管需要一定的时间才能通过200欧元的电阻充电。因此,场效应管从导通到截止的速度比从截止到导通的速度快。如果同时发生两个三极管的开关动作,该电路可以先断开上下臂的场效应管,消除共态导通现象。
事实上,输出电压的变化需要一定的时间,在此期间,输出电压处于正负电源电压之间的中间值。此时,两个三极管同时引导,场效应管同时关闭。因此,实际电路比这种理想情况更安全。
12场效应管栅极V稳压二极管用于防止场效应管栅度压穿。一般场效管栅的耐压性为18V或20V,直接加上24V电压会击穿,所以稳压二极管不能用普通二极管代替,但可以用2000欧元的电阻代替,也可以得到12V的分压。
3.场效应管输出部分:
大功率场效应管在源极和泄漏极之间反向并联有二极管。当连接到H桥时,输出端与消除电压尖峰的四个二极管并联,因此没有外部二极管。输出端并联一个小电容器(out1和out2之间)有利于降低电机产生的尖峰电压,但在使用中PWM尖峰电流有副作用,容量不宜过大。这个电容可以在使用小功率电机时省略。若添加此电容,必须使用高耐压,普通瓷片电容可能会出现短路故障。
由电阻和发光二极管组成的输出端并联电路指示电机的旋转方向.
4.性能指标:
电源电压15~30 V,最大连续输出电流5A/每台电机,短时间(10秒)可达10秒A,PWM最高频率为30KHz(一般用1到10KHz)。电路板包含四个逻辑独立的功率放大单元,输出端两个连接到H桥,可直接由单片机控制。实现电机的双向旋转和调速。
5.布线:
大电流线路要尽量短粗,尽量避免过孔。如果一定要过孔,就要把过孔做大。(>1mm)并在焊盘上做一圈小过孔,焊接时用焊锡填充,否则可能会烧坏。此外,如果使用稳压管,场效应管的电源和地面的电线应尽可能短,否则当电流较大时,电线上的压降可能会通过稳压管和三极管烧毁。在最初的设计中,NMOS管道的源极于地之间的0.15欧元的电阻用于检测电流,成为烧板的罪魁祸首。当然,用电阻代替稳压管是没有问题的。
三、 低压驱动电路的简易栅极驱动
一般功率场效应管的最高栅源电压为20V所以在24左右V在应用中,应确保网源电压不超过200V,增加了电路的复杂性。但在12V或者在低压应用中,电路可以大大简化。

上图是12V驱动桥的一边,上面电路的三极管部分被两个二极管和两个电阻代替。(注意,跟上图逻辑是反的)由于场效应管栅极电容的存在,通过R3,R4向栅极电容充电延缓了场效应管的导通;然而,通过二极管直接放电栅极电容,使场效应管立即停止,避免了共态导通。
这个电路的要求是IN端部输入边缘陡峭的方波脉冲。因此,控制信号从单片机或其他开路输出设备接入后,只能通过施密特触发器(如555)或推拉输出的高速比较器接收IN端。如果输入边缘过慢,二极管延迟电路将失效。
R3,R4的选取与IN信号边缘的升降速度有关,信号边缘越陡,R3,R选择越小,开关速度越快。Robocon在升压电路(原理相似)中,IN前用的是555
(stm32电机驱动)
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