陈曦¹， 隋龙²  (1哈尔滨工程大学信通学院，黑龙江哈尔滨150001,2哈尔滨I程大学自动化学院，黑龙江哈尔滨150001)

    摘要：采用IRF3808场效应管作为功率输出器件，基于直流电机的H桥脉宽调制(PWM)控制原理，设计了一款专门针对低电压大功率赢流电机的电机驱动器。该驱动器提供E区时间生成逻辑，仅需一路PWM输入信号便可实现电机的正、反转及调速控制。试验测试表明，该驱动器具有工作电压低，输出功率大的特点，且其四个桥臂通过死区生成电路可共享一个PWM输入信号，从而能够简化驱动软件的设计。

    关键词：大功率直流电机驱动器；lRF3808；H桥

    中图分类号：TM33文献标识码lA文章编号：1673-6540( 2009) 12-0010-04

0 引   言

    随着直流电机在许多大型机械系统中的广泛使用，许多半导体厂商推出了直流电机专用驱动芯片，如IR公司的IR2112、IR2105等。但是，这些芯片通常都需要lO V左右甚至更高的逻辑工作电压，使得该类芯片在低逻辑电压工作场合应用时，如在5v系统中需要配合升压电路，给系统电源的设计增加了负担。

    除此之外，为适应小型直流电机的使用需求，许多公司还推出了直流电机专用集成芯片，如美国国家半导体公司( NS)推出的专用电机驱动H桥组件LMD18200，其工作电压高达55 V，峰值输出电流高达6A，连续输出电流达3A。尽管集成芯片的出现使电机驱动变得简单，但专用芯片构成的直流电机驱动器输出功率有限，不适合大功率直流电机驱动，而市场上仅有的大功率集成驱动一苍片价格极高，如SA01 -片驱动芯片的价格约为3 000元。

    在大功率脉宽调制( PWM)电机驱动的设汁中，由于器件的非对称性，使得上下桥臂驱动特性不一致，导致宣通和上桥臂烧毁现象发生。

    综合以上问题，本文采用N沟道增强型场效应管IRF3808构建H桥，引入死区逻辑，设计了一种驱动逻辑完全由高硎压三级管构成的低电压大功率南流电机驱动器。其电路的****PWM输入逻辑高电平为3.3 V，逻辑工作电压5v，电机驱动电压小于75 V，驱动电流由场效应管决定。

    在直流电机驱动中，使用****泛的就是基于PWM的H型全桥驱动电路“刮。这种驱动电路可以实现直流电机的四象限运行，完成电机正、反转控制，通过对PWM信号占空比的调节实现电机的调速。

    典型的H型全桥驱动电路及其等效原理图如图1所示[2.4]。它由4个功率管和一个电机构成。在等效原理图中，功率管可以等效为开关和续流二极管，S₁和S₄为一组，S₃和S₂为一组，两组开关管状态互补，当一组导通时，另一组必须断开[3]。

    要使电机进行正向或逆向旋转，必有一对位于对角线位置上的驱动管导通。当S₁和S₄导通时，S₃和S₂关断，此时电机两端加正向电压实现正转（或反转）。续流二极管为电机绕组提供续流网路，当电机正常运转时，驱动电流通过导通开关流过电机；当电机处于制动状态时，电机线圈内的感应电势通过续流二极管导通，否则会烧毁场效应管。

    PWM调速的基本原理是使丌关信号按某一固定频率接通或断开，通过调节开关信号在一个周期内的通断时问比（占空比）来调节信号平均电压.当H桥驱动电路采用PWM控制时．各开关管会根据PWM信号交替地导通／关断，交变的PWM信号叠加到电机阿端产生恒定的平均电压，从而控制电机转速，而PWM信号的相位可以控制电机的转向。当驱动信号的占李比为百分之50时，正负脉宽相等，此时电机失去驱动转矩而停转。

犬功率直流电机驱动电路分为光电隔离电路、电机驱动逻辑、上桥臂逻辑电源、H桥功率驱动电路四部分，其功能框图如图2所示。

 

为了给电机提供大的输出功率，设计中采用IRF3808场效应管作为功率输出器件。该器件输出功率大，工作稳定，呵以为负载提供****75 V的驱动电压，****140 A的驱动电流，开起电压只需4V，开起时等效电阻R_ds只有7 mΩ，因此完全可以不使用散热片^【4】。图3为MOSFET管的等效电路图^【5】。

    从MOSFET管的等效电路来看，其c-s间存在结电容C_iss，对IRF3808来说，其结电容为5 310pF，结电容两端的电压决定栅极电压，控制开关管的开起和关断。当开关管开起时，驱动电路对结电容C_iss充电；当开关管关断时，结电容放电。因此，MOSFET管的驱动可等价为结电容C_iss的充放电过程【6】，

    图4所示为结电容充／放电电路，(a)和(b)分别为上、下桥臂的充／放电电路，通过将上桥臂功率管的s极与下桥臂的D极相连便可构成半H桥。对于桥臂来说，结电容充电电路低电乎有效，其放电采用自举放电机制。当输入电压inl _up为低电平时，Q₁导通，Q₂等效为二极管，也导通，由于二极管两端有约0. 7 V压降，因此Q₅的V_cb，从而Q₅截止，电源通过Q₁，Q₂对场效应管的结电容C_iss。充电，当Uciss>4 V时，场效应管开起；当inl_up为高电平时Q₁截止，此时Q₅的V_c>V_b，Q₅导通，结电容通过Q₅放电，关闭场效应管。

 

  对下桥臂来说，结电容充电电路高电平有效。当输入inl _down为高平时，Q9导通，Q7的Vc>Vb,因此Q7导通，电源提供过Q7、Q8为结电容充电；inl _down为低电平时，Q9截止，Q12导通，接电容通过Q12放电。

   在结电容的充/放电电路中，电阻R5（R15）的功能是不同的。在充电过程中R5两端电压比逻辑电压低一个三极管压降，约为Vcc-0.6V，使Q2导通，此时如果R5阻值过小，可能会烧毁R5，导致充电失败，放电过程中，R5为Q5提供基极电流，Q5开起后吁C_iss构成放电回路，Q5相当于一个很小的电阻与R5并联，此时如果见阻值过大，则会使放电过程放缓，增大功率管的功耗。因此，应该根据死区时间及结电容的大小计算R5。

Vs1和vs2分别为两侧上桥臂的浮地逻辑电源，OUTI一UP和OLT2 UP分别为两侧上桥臂的浮地，为了向上桥臂提供稳定的逻辑电源，电路中采用隔离电源模块为上桥臂提供浮电，见图5。

 

由于MOSFET等功率器件都存在结电容，结电容会造成器件导通、关断的延迟，导致上、下桥臂存在同时导通的可能。当H桥驱动电路的一侧发生直通时，将会在微短的时间内产生很大的电流直接从电源流到地，产生shoot-throu曲现象，从而烧毁驱动管。为了防止直通现象的发生，电路中设计了死区时间生成电路，确保同侧的桥臂不会出现同时导通的现象。如图6所示，输入PWM信号经阻容电路和非门整形后，其输出信号PWM—OUT相对于输入信号会产生滞后，滞后时间由R13和C7决定。

 

  输入PWM信号和输出PWM—OUT信号分别作为与非门和或非门的输入信号，从而使与非门和或非门的输出逻辑没有Ol状态，即：同侧的上下桥臂不会同时导通，可以作为H桥驱动电路的半桥臂逻辑输入信号。当输出逻辑为lO状态时，上下桥臂全部截止，其维持时间即为死区时间。

    在死区电路设计中，为了提高输入信号的稳定性，与非逻辑和或非逻辑均使用三极管实现，如图7所示。这种实现方式不仅能正确实现逻辑运算，而且运算速度要比采用逻辑芯片快得多，同时对信号相位的影响也较小，从而提高驱动电路PWM输入信号的****允许频率。

 

本文在Multisim9环境下对电路进行了仿真，通过对阻容器件的调整，得到了稳定的死区时间和逻辑输出。输出波形如图8所示。

 

图8中上半部分为一个周期的输出波形，下半部分为上桥臂关断，下桥臂开起过程。曲线1和2分别是上桥臂和下桥臂的驱动信号，曲线3是单桥臂输出曲线。下半部分各曲线与上半部分各曲线的定义顺序一致。

    由仿真曲线可以看幽该驱动电路能够输出正确的驱动逻辑，进而驱动上下桥臂的场效应管IRF3808，电路中设计了死区时间生成电路，四个桥臂通过死区生成电路可共享一个PWM输入信号，从而能够简化驱动软件的设计。

    为了对驱动器的性能进行测试，选用北京勇光高特微电机公司生产的l30Lyx06-ZD-M直流力矩电机进行了实机测试，此电机堵转电压为48V，堵转电流为8A。测试结果表明，电机空载时，其转速可达315 r/min，电机运转平稳；堵转时MOS管无发热现象，且转矩可达1l N．m．

    本文提出了一种采用IRF3808作为功率输出器件的低电压大功率直流电机驱动的实现方法。该电路输入逻辑电源低，工作频率高，电路提供死区时间生成逻辑，因此仅需一路PWM输入信号，便可控制四个桥臂，其输出功率大，特别适合在低压大功率的场合下应用。

【参考文献】

[1]陈伯时电力拖动自动控制系统——运动控制系统[M]北京：机械工业出版社，2005

[2]游志宇，杜杨，张洪，等基于场效应管的直流电机驱动控制电路设计[J]国外电子元器件，2008(2)：3-6

[3]高满如功率场效应管的驱动[J]电力电子技术，1994(2)：51-54

[4]剂星平功率场效应管驱动电路的研究[J]电器开关，2002(2)：1-2

[5]谢红模拟电子技术[M]哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2001