一种直流电动机控制电路的设计

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1 引言

直流电动机脉宽调制(PWM)控制器UC3637用于控制开环或闭环直流电动机速度或位置，其内部产生1路模拟误差电压信号，并输出2路PWM脉冲信号，这2路PWM脉冲信号与误差电压信号的幅值成正比，并与其极性相关，因此构成双向调速系统，实现PWM双输出，驱动电流能力为100 mA，该器件还具有限流保护、欠电压封锁及温度补偿等特点。而驱动集成电路IR2110对PWM信号具有自举功能。有2路完全独立的高保真输入输出通道，且这2路通道具有开通慢、关断快的防桥臂直通的互锁功能，可使电路可靠工作。这里采用UC3637和IR2110设计一种直流电动机PWM开环控制电路，并与计算机控制系统相结合，实现对某种舵系统直流电动机的控制，进而验证该电路的正确性。

2 PWM开环控制电路

该电路设计控制系统的目标是在计算机不同的给定信号下，电动机可快速达到指定位置，以满足系统性能要求。控制原理框图如图1所示。被控直流电动机M的转速由测速发电机G测得，测速发电机所测得的转速信号经A／D转换后的数字信号在计算机中与给定信号相比较，再经计算后输出数字控制信号，经D／A转换变为模拟信号送至UC3637的脉宽信号产生电路，从而实现对直流电动机的速度控制。


图2为基于UC3637的直流电动机PWM控制电路，该电路分为4部分：脉宽信号产生电路、自举驱动电路、主电路、保护电路。


该电路产生5～10 V的阈值电压，分别将U2=10 V接引脚1，U1=5 V接引脚3，这样三角波就在5~10 V内变化，即电容CT连接的引脚2电压在5~10 V内变化。UK是从计算机输出经数模转换得到的电压，其范围为-10～+lO V，而UC3637需要5～10 V的控制电压接引脚9和11，控制输出端的占空比。利用R2~R5对控制电压UK进行电平转换，令R2=10 kΩ、R3=18 kΩ、R5=20 kΩ，当UK=-10 V时，应有UR=5 V，由电路分流可以获得(1)(2)：

这样双路互补PWM脉冲信号在上升沿有几个微秒的延时，在下降沿无延时，与IR2110内部上下路信号设置的延时相结合，可确保“H”桥中同一桥臂的上下两个MOS管存在一个死区时间，从而保证电路工作安全稳定。由于15 V直流供电电源含有一定的交流杂波，故分别在引脚1、引脚3和15 V电源前并联1只0．1μF的电容，以滤除交流杂波的干扰。

2．2 自举驱动电路

该电路使用2个IR2110，这两个IR2110由4个MOS管组成的“H”桥电路相连接。 IR2110的供电电压为15 V的电源电压UVD，其输出工作电源为悬浮电源，通过自举技术由固定电源得出。自举技术利用升压二极管、自举升压电容，使电容放电电压和电源电压叠加，从而使电压升高。该技术可将电源电压值升高数倍，所以充电二极管VD的耐压能力必须大于高压母线的峰值电压。为防止自举电容两端电压放电，则采用一个高频快恢复二极管。自举电容C3的电容值对于5 kHz以上的开关频率取O．1μF即可。为向开关的容性负载提供瞬态电流，应在VCC与COM、VDD与VSS之间连接两只旁路电容，VCC上旁路用一只 0．1μF的陶瓷电容和一只1μF的钽电容并联，而逻辑电源VDD上用一只0．1斗F的陶瓷电容即可，即电容C4、C5分别为1μF、0．1μF。在具体布线时，IR2110是逻辑部分和功率变换部分的接口，逻辑信号地线和主功率电源的地线应合理布局，使负载回路的引线尽可能短，以减少回路电感，同时还要避免因布线而引起的负载电流在信号回路中流动产生的共模干扰。



代入数据解得，R4=2 kΩ。
为避免工作过程中发生直通短路现象，应在UC3637的输出端引脚4和引脚7后各接一个RC延时电路，设需延时时间r=5μs，延时电路中所用电阻R6取5 Ω，由公式可得：


这样双路互补PWM脉冲信号在上升沿有几个微秒的延时，在下降沿无延时，与IR2110内部上下路信号设置的延时相结合，可确保“H”桥中同一桥臂的上下两个MOS管存在一个死区时间，从而保证电路工作安全稳定。由于15 V直流供电电源含有一定的交流杂波，故分别在引脚1、引脚3和15 V电源前并联1只0．1μF的电容，以滤除交流杂波的干扰。

2．3 主电路

直流电动机的转速通过测速发电机测得，当被控直流电动机的转速小于给定转速时，计算机经D／A转换器输出控制电压UK，再经R2~R5电平转换成UR输入至引脚9和引脚11，使引脚4导通。引脚4的导通信号经RC延时电路传输至IR2110(1)的引脚10和IR2110(2)的引脚12，分别使上通道引脚10和下通道引脚12导通。这时2片IR2110间的“H”桥电路中的VF1、VF2被触发导通，电路给电动机提供正向的电流，电动机升速。当被控直流电动机的转速大于给定转速时，UR使UC3637中的引脚7导通，引脚7的导通信号经RC延时电路传输至IR2110(1)的引脚12和IR2110(2)的引脚10，分别使下通道引脚12和上通道引脚1O导通。这时“H”桥电路中的VF4、VF3 被触发导通，流过电动机的电流反向，电动机降速。在控制电路输出的上、下通道输入信号的作用下，VF1、VF2和VF4、VF3交替轮流导通，实现直流电动机的调速。由于IR2110内部的驱动阻抗很小，直接用其驱动“H”桥中的MOSFET器件会引起快速开关，可能造成MOSFET漏源间电压振荡，从而损坏MOS管。所有，应在IR211O的输出端和MOS管之间串接1个约20 Ω的无感电阻。

2．3 主电路

直流电动机的转速通过测速发电机测得，当被控直流电动机的转速小于给定转速时，计算机经D／A转换器输出控制电压UK，再经R2~R5电平转换成UR输入至引脚9和引脚11，使引脚4导通。引脚4的导通信号经RC延时电路传输至IR2110(1)的引脚10和IR2110(2)的引脚12，分别使上通道引脚10和下通道引脚12导通。这时2片IR2110间的“H”桥电路中的VF1、VF2被触发导通，电路给电动机提供正向的电流，电动机升速。当被控直流电动机的转速大于给定转速时，UR使UC3637中的引脚7导通，引脚7的导通信号经RC延时电路传输至IR2110(1)的引脚12和IR2110(2)的引脚10，分别使下通道引脚12和上通道引脚1O导通。这时“H”桥电路中的VF4、VF3 被触发导通，流过电动机的电流反向，电动机降速。在控制电路输出的上、下通道输入信号的作用下，VF1、VF2和VF4、VF3交替轮流导通，实现直流电动机的调速。由于IR2110内部的驱动阻抗很小，直接用其驱动“H”桥中的MOSFET器件会引起快速开关，可能造成MOSFET漏源间电压振荡，从而损坏MOS管。所有，应在IR211O的输出端和MOS管之间串接1个约20 Ω的无感电阻。

当电动机电流增大而使RS上的电压达到该阈值时，C/L输出高电平，令SRA和SRB复位至低电平，进而AOUT和BOUT变为低电平，停止输出。


取Imax=8 A，则：RS=0．025Ω

2．5 实验验证

在某种舵系统实验中，选用额定工作电压为27 V，3W2111115679额定工作电流为1 A的永磁直流电动机，根据实验的不同要求，电机系统可完成阶跃、正弦等运动，采用精密电阻电位计检测电机位置，经A／D转换反馈到计算机中与给定控制信号经一种自适应变结构控制得到1个输出信号，再经D／A转换送至UC3637的PWM控制器中，驱动电动机到期望的位置。其中，信号的给定，反馈信号取样、控制算法及控制脉冲输出均由计算机完成。图3、图4分别表示系统的数字仿真与实验曲线，其中曲线1为实验曲线，曲线2为一种自适应变结构控制的数字仿真曲线。由图可知，运用该控制电路控制直流电动机是可行的。


3 结论

设计的直流PWM控制与驱动电路可用于控制直流电动机的速度控制和位置，具有良好的调速和驱动性能，可与不同的计算机控制算法相结合，从而实现不同的运动特性，具有一定的普适性。