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直流電機驅動原理圖文-直流电机驅動電路图及设计思路分析-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2019-01-11 

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直流電機驅動電路圖與設計思路

直流電機簡

直流电机(direct current machine)是指能将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机,将电能转换为机械能;作发电机运行时是直流发电机,将机械能转换为电能。


直流電機的工作原理

直流電機裏邊固定有環狀永磁體,電流通過轉子上的線圈産生安培力,當轉子上的線圈與磁場平行時,再繼續轉受到的磁場方向將改變,因此此時轉子末端的電刷跟轉換片交替接觸,從而線圈上的電流方向也改變,産生的洛倫茲力方向不變,所以電機能保持一個方向轉動。


直流發電機的工作原理就是把電樞線圈中感應的交變電動勢,靠換向器配合電刷的換向作用,使之從電刷端引出時變爲直流電動勢的原理。感應電動勢的方向按右手定則確定(磁感線指向手心,大拇指指向導體運動方向,其他四指的指向就是導體中感應電動勢的方向)。


導體受力的方向用左手定則確定。這一對電磁力形成了作用于電樞一個力矩,這個力矩在旋轉電機裏稱爲電磁轉矩,轉矩的方向是逆時針方向,企圖使電樞逆時針方向轉動。如果此電磁轉矩能夠克服電樞上的阻轉矩(例如由摩擦引起的阻轉矩以及其它負載轉矩),電樞就能按逆時針方向旋轉起來。

驅動電路,直流电机

直流電機驅動原理圖

驅動電路,直流电机


直流電機驅動電路圖與設計思路分析

下面將爲您詳細介紹直流電機驅動設計需要注意的事項,低壓驅動電路的簡易柵極驅動、邊沿延時驅動電路圖解及其設計思路。

驅動電路,直流电机


以上是直流電機驅動電路圖,下面爲您詳細介紹直流電機驅動設計需要注意的事項,低壓驅動電路的簡易柵極驅動、邊沿延時驅動電路圖解及其設計思路。


一、 直流电机驅動電路的设计目标

在直流電機驅動電路的設計中,主要考慮一下幾點:


1. 功能:电机是单向还是双向转动?需不需要调速?对于单向的电机驱动,只要用一个大功率三极管或場效應管或继电器直接带动电机即可,当电机需要双向转动时,可以使用由4个功率元件组成的H桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。如果不需要调速,只要使用继电器即可;但如果需要调速,可以使用三极管,場效應管等开关元件实现PWM(脉冲宽度调制)调速。


2. 性能:对于PWM调速的电机驅動電路,主要有以下性能指标。


1)輸出電流和電壓範圍,它決定著電路能驅動多大功率的電機。


2)效率,高的效率不僅意味著節省電源,也會減少驅動電路的發熱。要提高電路的效率,可以從保證功率器件的開關工作狀態和防止共態導通(H橋或推挽電路可能出現的一個問題,即兩個功率器件同時導通使電源短路)入手。


3)對控制輸入端的影響。功率電路對其輸入端應有良好的信號隔離,防止有高電壓大電流進入主控電路,這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實現隔離。


4)對電源的影響。共態導通可以引起電源電壓的瞬間下降造成高頻電源汙染;大的電流可能導致地線電位浮動。


5)可靠性。電機驅動電路應該盡可能做到,無論加上何種控制信號,何種無源負載,電路都是安全的。


1.輸入與電平轉換部分:

輸入信號線由DATA引入,1腳是地線,其余是信號線。注意1腳對地連接了一個2K歐的電阻。當驅動板與單片機分別供電時,這個電阻可以提供信號電流回流的通路。當驅動板與單片機共用一組電源時,這個電阻可以防止大電流沿著連線流入單片機主板的地線造成幹擾。或者說,相當于把驅動板的地線與單片機的地線隔開,實現“一點接地”。


高速運放KF347(也可以用TL084)的作用是比較器,把輸入邏輯信號同來自指示燈和一個二極管的2.7V基准電壓比較,轉換成接近功率電源電壓幅度的方波信號。KF347的輸入電壓範圍不能接近負電源電壓,否則會出錯。因此在運放輸入端增加了防止電壓範圍溢出的二極管。輸入端的兩個電阻一個用來限流,一個用來在輸入懸空時把輸入端拉到低電平。


不能用LM339或其他任何開路輸出的比較器代替運放,因爲開路輸出的高電平狀態輸出阻抗在1千歐以上,壓降較大,後面一級的三極管將無法截止。


2.柵極驅動部分:

后面三极管和电阻,稳压管组成的电路进一步放大信号,驱动場效應管的栅极并利用場效應管本身的栅极电容(大约1000pF)进行延时,防止H桥上下两臂的場效應管同时导通(“共态导通”)造成电源短路。

当运放输出端为低电平(约为1V至2V,不能完全达到零)时,下面的三极管截止,場效應管导通。上面的三极管导通,場效應管截止,输出为高电平。当运放输出端为高电平(约为VCC-(1V至2V),不能完全达到VCC)时,下面的三极管导通,場效應管截止。上面的三极管截止,場效應管导通,输出为低电平。


上面的分析是静态的,下面讨论开关转换的动态过程:三极管导通电阻远小于2千欧,因此三极管由截止转换到导通时場效應管栅极电容上的电荷可以迅速释放,場效應管迅速截止。但是三极管由导通转换到截止时場效應管栅极通过2千欧电阻充电却需要一定的时间。相应的,場效應管由导通转换到截止的速度要比由截止转换到导通的速度快。假如两个三极管的开关动作是同时发生的,这个电路可以让上下两臂的場效應管先断后通,消除共态导通现象。


实际上,运放输出电压变化需要一定的时间,这段时间内运放输出电压处于正负电源电压之间的中间值。这时两个三极管同时导通,場效應管就同时截止了。所以实际的电路比这种理想情况还要安全一些。

場效應管栅极的12V稳压二极管用于防止場效應管栅极过压击穿。一般的場效應管栅极的耐压是18V或20V,直接加上24V电压将会击穿,因此这个稳压二极管不能用普通的二极管代替,但是可以用2千欧的电阻代替,同样能得到12V的分压。


3.場效應管输出部分:

大功率場效應管内部在源极和漏极之间反向并联有二极管,接成H桥使用时,相当于输出端已经并联了消除电压尖峰用的四个二极管,因此这里就没有外接二极管。输出端并联一个小电容(out1和out2之间)对降低电机产生的尖峰电压有一定的好处,但是在使用PWM时有产生尖峰电流的副作用,因此容量不宜过大。在使用小功率电机时这个电容可以略去。如果加这个电容的话,一定要用高耐压的,普通的瓷片电容可能会出现击穿短路的故障。


輸出端並聯的由電阻和發光二極管,電容組成的電路指示電機的轉動方向.


4.性能指標:

电源电压15~30 V,最大持续输出电流5A/每个电机,短时间(10秒)可以达到10A,PWM频率最高可以用到30KHz(一般用1到10KHz)。电路板包含4个逻辑上独立的,输出端两两接成H桥的功率放大单元,可以直接用单片机控制。实现电机的双向转动和调速。


5.布線:

大电流线路要尽量的短粗,并且尽量避免经过过孔,一定要经过过孔的话要把过孔做大一些(>1mm)并且在焊盘上做一圈小的过孔,在焊接时用焊锡填满,否则可能会烧断。另外,如果使用了稳压管,場效應管源极对电源和地的导线要尽可能的短粗,否则在大电流时,这段导线上的压降可能会经过正偏的稳压管和导通的三极管将其烧毁。在一开始的设计中,NMOS管的源极于地之间曾经接入一个0.15欧的电阻用来检测电流,这个电阻就成了不断烧毁板子的罪魁祸首。当然如果把稳压管换成电阻就不存在这个问题了。


二、 低压驅動電路的简易栅极驱动

一般功率場效應管的最高栅源电压为20V左右,所以在24V应用中要保证栅源电压不能超过20V,增加了电路的复杂程度。但在12V或更低电压的应用中,电路就可以大大简化。

驅動電路,直流电机


上图就是一个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)由于場效應管栅极电容的存在,通过R3,R4向栅极电容充电使場效應管延缓导通;而通过二极管直接将栅极电容放电使場效應管立即截止,从而避免了共态导通。


這個電路要求在IN端輸入的是邊緣陡峭的方波脈沖,因此控制信號從單片機或者其他開路輸出的設備接入後,要經過施密特觸發器(比如555)或者推挽輸出的高速比較器才能接到IN端。如果輸入邊緣過緩,二極管延時電路也就失去了作用。

R3,R4的選取與IN信號邊沿升降速度有關,信號邊緣越陡峭,R3,R4可以選的越小,開關速度也就可以做的越快。Robocon比賽使用的升壓電路(原理相似)中,IN前用的是555。


三、 边沿延时驅動電路

在前级逻辑电路里,有意地对控制PMOS的下降沿和控制NMOS的上升沿进行延时,再整形成方波,也可以避免場效應管的共态导通。另外,这样做可以使后级的栅极驅動電路简化,可以是低阻推挽驱动栅极,不必考虑栅极电容,可以较好的适应不同的場效應管。2003年Robocon比赛采用的就是这种驅動電路。下图是两种边沿的延时电路:

驅動電路,直流电机


下圖是對應的NMOS,PMOS柵極驅動電路:

驅動電路,直流电机


这个栅极驅動電路由两级三极管组成:前级提供驱动場效應管栅极所需的正确电压,后级是一级射极跟随器,降低输出阻抗,消除栅极电容的影响。为了保证不共态导通,输入的边沿要比较陡,上述先延时再整形的电路就可以做到。


四、 其它驅動電路

繼電器+半導體功率器件的想法:


继电器有着电流大,工作稳定的优点,可以大大简化驅動電路的设计。在需要实现调速的电机驅動電路中,也可以充分利用继电器。有一个方案就是利用继电器来控制电流方向来改变电机转向,而用单个的特大电流場效應管(比如IRF3205,一般只有N型特大电流的管子)来实现PWM调速,如下右图所示。这样是实现特别大电流驱动的一个方法。换向的继电器要使用双刀双掷型的,接线如下左图,线圈接线如下中图:

驅動電路,直流电机


直流電機的組成結構

(1)主磁極

主磁極的作用是産生氣隙磁場。主磁極由主磁極鐵心和勵磁繞組兩部分組成。


(2)換向極

換向極的作用是改善換向,減小電機運行時電刷與換向器之間可能産生的換向火花,一般裝在兩個相鄰主磁極之間,由換向極鐵心和換向極繞組組成。


(3)機座

電機定子的外殼稱爲機座。機座的作用有兩個:


一是用來固定主磁極、換向極和端蓋,並起整個電機的支撐和固定作用;


二是機座本身也是磁路的一部分,借以構成磁極之間磁的通路,磁通通過的部分稱爲磁轭。爲保證機座具有足夠的機械強度和良好的導磁性能,一般爲鑄鋼件或由鋼板焊接而成。


(4)電刷裝置

電刷裝置是用來引入或引出直流電壓和直流電流的。電刷裝置由電刷、刷握、刷杆和刷杆座等組成。


(五)電樞鐵心

電樞鐵心是主磁路的主要部分,同時用以嵌放電樞繞組。


(六)電樞繞組

電樞繞組的作用是産生電磁轉矩和感應電動勢,是直流電機進行能量變換的關鍵部件,所以叫電樞。


(七)換向器

在直流電動機中,換向器配以電刷,能將外加直流電源轉換爲電樞線圈中的交變電流,使電磁轉矩的方向恒定不變;


(八)轉軸

轉軸起轉子旋轉的支撐作用,需有一定的機械強度和剛度,一般用圓鋼加工而成。


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