直流電機控制電路

1、1電機控制電路設計電機控制電路設計 26.1 直流電機控制電路設計直流電機控制電路設計 3 直流電動機是一種設計以直流電壓電源工作的旋轉(zhuǎn)電動機。直流電動機有永磁直流電動機、串勵和并勵直流電動機。 1. 直流電動機的單極性和雙極性驅(qū)動方式直流電動機的單極性和雙極性驅(qū)動方式 直流電動機的驅(qū)動方式有單極性和雙極性兩種，當電動機只需要單方向旋轉(zhuǎn)時，采用單極性驅(qū)動方式。 單極性驅(qū)動電路如圖6.1.1所示。圖6.1.1（a）由模擬控制器或微控制器的pwm信號，控制一個功率mosfet開關管的導通狀態(tài)，在電動機兩端并接一個續(xù)流二極管。功率開關管串接在電動機下方（靠近電源地），其柵極驅(qū)動應采用低側(cè)柵極驅(qū)動器。

2、如果功率開關管串接在電動機上方（靠近電源正極），其柵極驅(qū)動應采用高側(cè)柵極驅(qū)動器。對于高側(cè)開關，它的柵極驅(qū)動需要附加的電平提升電路，所以大多采用低側(cè)驅(qū)動方式。該種電路因電流通過續(xù)流二極管續(xù)流，時間較長，損耗較大，典型應用在小型風機、泵的驅(qū)動。4（a）低側(cè)和高側(cè)單極性驅(qū)動 （b）快速半橋單極性驅(qū)動圖6.1.1 直流電動機單極性驅(qū)動方式5 為避免因續(xù)流二極管續(xù)流，帶來時間較長，損耗較大的缺點，可采用圖6.1.1（b）半橋驅(qū)動電路。其中的二極管vd1、vd2實際上是dmos管的“體”二極管，在工藝上與dmos管一起自動生成。這樣，不必再附加續(xù)流二極管。半橋驅(qū)動電路可實現(xiàn)電動機的制動控制，當斷開vf1停

3、止對電動機供電的同時，將vf2連續(xù)開通，電動機的電動勢（emf）經(jīng)vf2短路，使電動機制動。此時，如果vf2不是連續(xù)開通，而是pwm控制，可實現(xiàn)電動機的軟制動。6 當電動機需要正反兩個方向旋轉(zhuǎn)時，采用雙極性驅(qū)動方式。由四個功率開關管組成的h橋電路的雙極性驅(qū)動電路如圖6.1.2所示。圖6.1.2 基本h橋電路72.直流電動機控制集成電路的品種直流電動機控制集成電路的品種各國半導體廠商生產(chǎn)的直流電動機控制集成電路品種繁多，現(xiàn)將部分直流電動機控制集成電路的品種介紹如下：（1）semiconductors公司生產(chǎn)的直流電動機控制集成電路有cs7054、cs4124、ncv7701、mc33030等型號

4、。cs7054/cs4124是驅(qū)動低側(cè)/高側(cè)mosfet直流電動機pwm控制器，電源電壓為30v，輸出峰值電流為0.2a/0.15a，具有“休眠”模式、過電壓和過電流保護功能，采用dip14和so-16l封裝形式。ncv7701是h橋驅(qū)動器，電源電壓為26v，輸出峰值電流為2a，具有交叉導通、過電壓保護、欠電壓保護、過電流保護、正反轉(zhuǎn)和制動等功能，采用so-20l封裝形式。mc33030是直流伺服電動機h橋驅(qū)動器，電源電壓為36v，輸出峰值電流為1a，具有過電壓保護、過電流保護、四象限控制等功能，采用dip16封裝形式。8 （2）allegro microsystems公司生產(chǎn)的直流電動機控制

5、集成電路在辦公自動化、工業(yè)自動化、汽車和便攜式電子設備方面得到廣泛應用。其中，雙全橋pwm電動機驅(qū)動器驅(qū)動電流為500750ma，電源電壓為2030v的產(chǎn)品有a3965a3968、a3967；驅(qū)動電流為750ma，電源電壓為45v的產(chǎn)品有a2916、a2919、a6219；驅(qū)動電流為1500ma，電源電壓為50v的產(chǎn)品有a2917、a3948、a3955、a3957、a3972、a3974；驅(qū)動電流為2000ma，電源電壓為50v的產(chǎn)品有a3952、a3958；驅(qū)動電流為2500ma，電源電壓為50v/30v的產(chǎn)品有a3971/a3977；驅(qū)動電流為3000ma，電源電壓為50v的產(chǎn)品有a39

6、59。他們可用于微步距控制的產(chǎn)品有a3967、a3973a、3955、a3957、a3972和a3977。 這些雙全橋電動機驅(qū)動器也可用于步進電動機的控制和驅(qū)動。 9 （3）st microelectronics公司生產(chǎn)的直流電動機驅(qū)動器集成電路有l(wèi)149（4a線性驅(qū)動器）、l165（3a功率運算放大器）、l290（測速信號轉(zhuǎn)換器）、l292（開關驅(qū)動器）、l293（4通道推挽驅(qū)動器）和l298（雙全橋驅(qū)動器）。 （4）fairchild semi公司生產(chǎn)的直流電動機驅(qū)動器集成電路，其中，輸出電流為1.6a，dip封裝的產(chǎn)品有fan8082、ka3082b（雙向）、ka830il；輸出電流為1

7、a，ssop封裝的產(chǎn)品有 ka9258d、ka9259ed；fan8082d（雙向）的輸出電流為0.8a，soic封裝。他們適合在vcr、cd播放機和玩具中應用。 （5）inf ineon公司生產(chǎn)的直流電動機伺服驅(qū)動器集成電路有tle4205、tle4205-g tle4206-g、tle4209。其中tle4205/tle4205-g的工作電壓為632v，最大電流為1a，工作電流為0.6a，采用p-dip-18-3/p-dso-20-6封裝。tle4206-g/tle4209的工作電壓為818v，最大電流為1a，工作電流為0.8a，采用p-dso-14-8/p-dip-8-4封裝。他們都具有

8、對地短路保護。10 （6）rohm公司生產(chǎn)的直流電動機驅(qū)動器集成電路有驅(qū)動一個和驅(qū)動兩個電動機的兩種類型。驅(qū)動一個電動機的是一個h橋輸出，輸出電壓可由引腳輸入設定。驅(qū)動兩個電動機的采用6個開關管構成3個半橋，其中一個半橋是共用的。 a. 驅(qū)動一個電動機的產(chǎn)品，其中最大輸出電流為0.5a，電源電壓為4.515v的有ba6208/f；最大輸出電流為0.7a，電源電壓為4.515v的有ba6218、ba6418；最大輸出電流為1a，電源電壓為4.515v的有ba6955n、ba6956an、ba6283n、ba6285fs/fp、ba6286/n、ba6287f、ba6288fs、ba6418f；而

9、ba6229的最大輸出電流為1.2a，電源電壓為823v；ba6209/n的最大輸出電流為1.6a，電源電壓為618v；ba6219b/bfp-y的最大輸出電流為2.2a，電源電壓為818v。 b.驅(qū)動兩個電動機的產(chǎn)品，其中，最大輸出電流為1a，電源電壓為818v的有ba6246n、ba6247nfp-y、ba6259n；而ba6239a/an的最大輸出電流為1.2a，電源電壓為818v；ba6238a/an的最大輸出電流為1.6a，電源電壓為818v。11 （7）toshiba公司生產(chǎn)的直流電動機驅(qū)動器集成電路電源電壓在25v以下的有ta7257p、ta91p、ta33f、ta8401ta8

10、409、tb6552fl/fn等型號，最大輸出電流0.51.5a；30v以上的有ta8428f/k、ta8429、ta8440h、tb6549f/p，最大輸出電流2.44.5a。 （8）三菱電機公司生產(chǎn)直流伺服電動機控制器集成電路有m51971p/l、m51660l；直流雙向電動機驅(qū)動器集成電路有m54641fp/l、m54687fp，并具有制動功能。 （9）sanyo公司生產(chǎn)的單向直流電動機驅(qū)動器集成電路有l(wèi)a5527、la5528n/nm、la5586； 雙向直流電動機驅(qū)動器集成電路有l(wèi)a550、lb1630、lb1634、lb1638、lb1640lb1651、lb1830、lb1832

11、lb1843、lb1930lb1947t等。cd，四通道電動機驅(qū)動器有l(wèi)b8106mlb8109m、lv8200w、lv8206t等。12 （10）texas instruments和 motorola公司提供多通道的低側(cè)開關驅(qū)動器、高側(cè)開關驅(qū)動器、高側(cè)和低側(cè)（半橋）開關驅(qū)動器、h橋開關驅(qū)動器產(chǎn)品，可用于直流電動機的驅(qū)動控制。13 6.1.1 基于tpic2101的直流電機速度控制電路 1. tpic2101的主要技術性能與特點的主要技術性能與特點 tpic2101是texas instruments公司生產(chǎn)的控制直流電動機的單片集成電路，輸出可驅(qū)動外接n溝道m(xù)osfet或igbt，利用模擬電

12、壓信號或pwm信號可調(diào)節(jié)電動機速度。tpic2101也可用來控制白熾燈、螺線管線圈等感性負載。 tpic2101有正常運轉(zhuǎn)、睡眠和故障三種運行狀態(tài)。在正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)，接收輸入指令控制電動機轉(zhuǎn)速；在睡眠狀態(tài)，柵極驅(qū)動端（gd）保持為低電平，整個芯片電流降到200a；在故障狀態(tài)，當芯片檢測到過電壓、過電流等故障后，進入保護狀態(tài)。有自動和手動兩種速度控制模式，自動模式（auto mode）接收0100%pwm信號，手動模式（manual mode）接收02.2v差動電壓。工作電壓范圍為816v，驅(qū)動輸出電流能力為50ma，工作環(huán)境溫度為-40+105。14 2. tpic2101的引腳功能與封裝形式的

13、引腳功能與封裝形式 tpic2101采用dip-14（n）或者soic-14（d）封裝，引腳封裝形式如圖6.1.1所示。各個引腳功能如表6.1.1所列。圖6.1.1 tpic2101引腳封裝形式15 3. tpic2101的內(nèi)部結構的內(nèi)部結構 tpic2101的內(nèi)部結構方框圖如圖6.1.2所示，芯片內(nèi)部包含有自動和手動輸入配置（auto and man input config）、睡眠、自動和手動工作邏輯（sleep、auto and man logic）、振蕩器和斜坡電壓波形發(fā)生器（oscillator and voltage ramp waveform generator）、柵極驅(qū)動（ga

14、te drive）、能隙電源（bandgap）等電路。16圖6.1.2 tpic2101內(nèi)部結構方框圖17 4. tpic2101的應用電路設計的應用電路設計 tpic2101構成的直流電動pwm速度控制電路如圖6.1.3所示，tpic2101輸出gd腳接到一個nmos開關管的柵極（irf530），以低側(cè)驅(qū)動方式驅(qū)動電動機，vd1（mbr1045）是續(xù)流二極管，外接電源電壓vbat，控制輸入端man和auto連接到外部控制電路，推薦的外接元件數(shù)值如表6.1.2所列。18圖6.1.3 tpic2101構成的直流電動機pwm速度控制電路19 在自動控制模式（見圖6.1.4），頻率約為100hz p

15、wm控制信號經(jīng)npn晶體管送入auto引腳端（集電極開路），經(jīng)內(nèi)部處理后從speed引腳端輸出，經(jīng)rc積分在int引腳端產(chǎn)生隨auto輸入的pwm信號的占空比變化的直流電壓信號，在gd端對應輸出的占空比變化的pwm信號?？梢酝ㄟ^改變供電電壓vbat的方法，調(diào)節(jié)輸出pwm信號的占空比來保持電動機電壓恒定。在自動模式，輸出pwm信號的占空比與電源電壓vbat的關系如式6.1.1所示。20圖6.1.4 自動控制模式電路21 在自動模式，使用不同的電源電壓vbat，輸入pwm信號對應輸出pwm信號的占空比的關系曲線如圖6.1.5所示。圖6.1.5在自動模式，使用不同的電源電壓vbat，輸入pwm信號對

16、應輸出pwm信號占空比的關系曲線22 在手動模式（見圖6.1.6）， man連接到電壓vbat（5.5v），芯片內(nèi)部ccs電路使man和auto腳間流過2ma的恒定電流，利用圖6.1.6所示的一個手動可調(diào)1k電位器，就能產(chǎn)生約02.2v電壓的變化（此時npn管應截止）。在手動控制模式，輸入電壓信號對應輸出pwm信號的占空比與電源電壓vbat的關系如式6.1.2所示。23圖6.1.6 手動控制模式電路24 在手動控制模式，使用不同的電源電壓vbat，輸入電壓信號對應輸出pwm信號的占空系數(shù)的關系曲線如圖6.1.7所示。圖6.1.7 在手動模式，使用不同的電源電壓vbat，輸入電壓信號對應輸出pw

17、m信號的占空比的關系曲線25 tpic2101具有欠電壓保護功能，當電壓vbat低于8v時，芯片進入睡眠模式，輸出維持低電平。當vbat增加，到高于電壓閥值（約7v）大約1v以上，自動恢復正常。 tpic2101具有過電壓保護功能，其門限設定在1720v之間，典型值為18.5v，用戶不可更改。當內(nèi)部檢測vbat高于門限電壓時，進入故障狀態(tài)。當vbat回降到比門限電壓低0.51v，自動恢復正常。26 tpic2101具有過電流保護功能，當gd引腳端是低電平時，內(nèi)部電路維持ils引腳端為低電平。如果gd引腳端為高電平，限流檢測ils端可能高于限流基準ilr端，內(nèi)電路將int引腳端電壓拉低（通過內(nèi)部

18、低于500電阻），命令gd端輸出占空比降低，從而限制了輸出電流和芯片的損耗。上述情況最低可設置持續(xù)8192個時鐘周期，如果設置8個8192個時鐘周期，到達65536個時鐘周期時，芯片將自動進入過電流保護狀態(tài)，gd腳維持低電平。然后，一個自動恢復重新開始。但是，如果過電流故障條件還存在，則故障保護狀態(tài)保持。27 6.1.2 基于m51660l的直流電機伺服控制器電路 1. m51660l的主要技術性能和特點的主要技術性能和特點 m51660l是三菱電機公司生產(chǎn)的直流伺服電動機控制集成電路，芯片內(nèi)部含有穩(wěn)壓器和差動放大器電路，工作電源電壓為3.55v，工作電流輸出開路時最大為5ma，輸出導通時為2

19、0ma；輸出低電平電壓最大為0.2v（iosink=100ma），輸出高電平電壓最低為3.4v；驅(qū)動外部pnp晶體管的驅(qū)動電流為30ma；內(nèi)部穩(wěn)壓器電壓為2.32.6v；穩(wěn)壓器輸出電流為3.0ma。28 2. m51660l的引腳功能與封裝形式的引腳功能與封裝形式 m51660l采用outline 14p5a封裝，引腳封裝形式如圖6.1.8所示，各個引腳功能如表6.1.3所列。圖6.1.8 m51660l引腳封裝形式29 3. m51660l的內(nèi)部結構的內(nèi)部結構 m51660l的內(nèi)部結構方框圖如圖6.1.9所示，芯片內(nèi)部包含有控制邏輯電路（control logic circuit）、觸發(fā)器（flip-flop）、輸出驅(qū)動電路（output drive circuit）、單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器（one-shot multivibrator）、脈沖展寬電路（pulse stretcher）、穩(wěn)壓器（voltage regulating circuit）等電路。30圖6.1.9 m51660l內(nèi)部