MOS管驅動直流電機

1、直流電機驅動課程設計題目：MOS管電機驅動設計 摘 要直流電動機具有優(yōu)良的調速特性，調速平滑，方便，調速范圍廣，過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載，可實現頻繁的無級快速起動、制動和反轉；能滿足生產過程中自動化系統各種不同的特殊運行要求。本文介紹了直流電機驅動控制裝置（H橋驅動）的設計與制作，系統采用分立元件搭建H橋驅動電路，PWM調速信號由單片機提供，信號與H橋驅動電路之間采用光電耦合器隔離，電機的驅動運轉控制由PLC可編程邏輯控制器實現。關鍵詞：直流電動機，H橋驅動，PWM目 錄一、直流電機概述4二、直流電機驅動控制6三、直流電機驅動硬件設計8四、直流電機驅動軟件設計9五、程序代碼12六、參考

2、文獻18一、概 述19世紀70年代前后相繼誕生了直流電動機和交流電動機，從此人類社會進入了以電動機為動力設備的時代。以電動機作為動力機械，為人類社會的發(fā)展和進步、工業(yè)生產的現代化起到了巨大的推動作用。在用電系統中，電動機作為主要的動力設備而廣泛地應用于工農業(yè)生產、國防、科技及社會生活等各個方面。電動機負荷約占總發(fā)電量的70，成為用電量最多的電氣設備。對電動機的控制可分為簡單控制和復雜控制兩種。簡單控制對電動機進行啟動、制動、正反轉控制和順序控制。這類控制可通過繼電器、可編程控制器和開關元件來實現。復雜控制是對電動機的轉速、轉角、轉矩、電壓、電流等物理量進行控制，而且有時往往需要非常精確的控制。

3、以前對電動機的簡單控制應用較多，但是，隨著現代化步伐的邁進，人們對自動化的需求越來越高，使電動機的復雜控制變成主流，其應用領域極其廣泛。電動機控制技術的發(fā)展得力于微電子技術、電力電子技術、傳感器技術、永磁材料技術、自動控制技術、微機應用技術的最新發(fā)展成就。正是這些技術的進步，使電動機控制技術在近二十多年內發(fā)生了翻天覆地的變化。其中電動機控制部分已由模擬控制讓位給以單片機為主的微處理器控制，形成數字與模擬的混合控制系統和純數字控制系統的應用，并向全數字控制系統的方向快速發(fā)展。電動機驅動部分所用的功率器件經歷了幾次更新換代，目前開關速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFE和TIGBT成為主流

4、。功率器件控制條件的變化和微電子技術的應用也使新型的電動機控制方法能夠得以實現。脈寬調制控制方法（PWM和SPWM），變頻技術在直流調速和交流調速中獲得了廣泛的應用。永磁材料技術的突破與微電子技術的結合又產生了一批新型的電動機，如永磁直流電動機、交流伺服電動機，開關磁阻電動機、超聲波電動機、專為變頻調速設計的交流電動機等。直流電動機是人類最早發(fā)明和應用的一種電機。與交流電機相比，直流電動機因結構復雜、維護困難、價格較貴等去誒按制約了它的發(fā)展，應用不如交流電機廣泛。但由于直流電動機具有優(yōu)良的起動、調速和制動性能，因此在工業(yè)領域中仍再有一席之地。二、直流電機驅動控制概述直流電機調速方法通常有機械的

5、、電氣的、液壓的、氣動的幾種，僅就機械與電氣調速方法而言，也可采用電氣與機械配合的方法來實現速度的調節(jié)。電氣調速有許多優(yōu)點，如可簡化機械變速機構，提高傳動效率，操作簡單，易于獲得無極調速，便于實現遠距離控制和自動控制，因此在生產機械中廣泛采用電氣方法調速。由于直流電動機具有極好的運動性能和控制特性，盡管它不如交流電動機那樣結構簡單、價格便宜、制造方便、維護容易，但是長期以來，直流調速系統一直占據壟斷地位。所以，直流調速系統仍然是自動調速系統的主要形式。在我國許多工業(yè)部門，如軋鋼、礦山采掘、海洋鉆探、金屬加工、紡織、造紙以及高層建筑等需要高性能可控電力拖動的場合，仍然廣泛采用直流調速系統。而且，

6、直流調速系統在理論上和實踐上都比較成熟，從控制技術的角度來看，它又是交流調速系統的基礎。2.1直流電機的工作原理根據電磁學基本知識可知，載流導體在磁場中要受到電磁力的作用。如果導體在磁場中的長度，其中流過的電流為，導體所在處的磁通密度為B，那末導體受到的電磁力的值為式（2-1） (2-1)如圖2-1中N、S極下各根導體所受電磁力的方向，如圖中箭頭所示。電磁力對轉軸形成順時針方向的轉矩，驅動轉子而使其旋轉。由于每個磁極下元件中電流方向不變，故此轉矩方向恒定，稱為直流電動機的電磁轉矩。如果直流電動機軸上帶有負載，它便輸出機械能，可見直流電動機是一種將電能夠轉化成機械能的電氣裝置。直流電動機是可逆的

7、，他根據不同的外界條件而處于不同的運行狀態(tài)。當外力作用使其旋轉，駛入機械能時，電機處于發(fā)電機狀態(tài)，輸出電能；當在電刷兩端施加電壓輸入電能時，電機處于電動機狀態(tài)，帶動負載旋轉輸出機械能。圖一： 直流電動機工作原理圖2.2直流電機的調速特性根據直流電機的結構分析可得到等效的模型，包括電樞繞組及其等效的電阻等。直流電動機的轉速n和其它參數的關系可用下式來表示： (2-2)(2-2)式中：UN是電樞電壓，IN是電樞電流，Ra是電樞回路總電阻，Ce是電勢常數，是勵磁磁通。 (2-3)(2-3)式中：p-磁極對數，N是導體數，a是電樞支路數。 (2-4)(2-4)式中：當電機型號確定后，Ce為常數，故式式

8、(2-1)改為 (2-5)在中小功率直流電機中，電樞回路電阻非常小，式(2-5)中INRa項可省略不計，由此可見，當改變電樞電壓時，轉速n隨之改變，達到直流電機的調速的目的。改變直流電機電樞電壓，可通過PWM控制的降壓斬波器進行斬波調壓。2.3直流電機的幾種調速方法根據直流電機的基本原理，由感應電勢、電磁轉矩以及機械特性方程式可知，直流電動機的調速方法有三種：（1）調節(jié)電樞供電電壓U。改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動機額定轉速向下變速，屬恒轉矩調速方法。對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統來說，這種方法最好。變化遇到的時間常數較小，能快速響應，但是需要大容量可調直流電源。

9、（2）改變電動機主磁通。改變磁通可以實現無級平滑調速，但只能減弱磁通進行調速（簡稱弱磁調速），從電機額定轉速向上調速，屬恒功率調速方法。變化時間遇到的時間常數同變化遇到的相比要大得多，響應速度較慢，但所需電源容量小。（3）改變電樞回路電阻。在電動機電樞回路外串電阻進行調速的方法，設備簡單，操作方便。但是只能進行有級調速，調速平滑性差，機械特性較軟；空載時幾乎沒什么調速作用；還會在調速電阻上消耗大量電能。改變電阻調速缺點很多，目前很少采用，僅在有些起重機、卷揚機及電車等調速性能要求不高或低速運轉時間不長的傳動系統中采用。弱磁調速范圍不大，往往是和調壓調速配合使用，在額定轉速以上作小范圍的升速。因

10、此，自動控制的直流調速系統往往以調壓調速為主，必要時把調壓調速和弱磁調速兩種方法配合起來使用。調節(jié)電樞供電電壓或者改變勵磁磁通，都需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下三種：（1）旋轉變流機組。用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調的直流電壓。（2）靜止可控整流器（簡稱V-M系統）。用靜止的可控整流器，如汞弧整流器和晶閘管整流裝置，產生可調的直流電壓。（3）直流斬波器（脈寬調制變換器）。用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調制的方法產生可調的直流平均電壓。旋轉變流系統由交流發(fā)電機拖動直流電動機實現變流，由發(fā)電機給需要調速的直流電動機供電，調節(jié)發(fā)電機的勵磁電流

11、即可改變其輸出電壓，從而調節(jié)電動機的轉速。改變勵磁電流的方向則輸出電壓的極性和電動機的轉向都隨著改變，所以G-M系統的可逆運行是很容易實現的。該系統需要旋轉變流機組，至少包含兩臺與調速電動機容量相當的旋轉電機，還要一臺勵磁發(fā)電機，設備多、體積大、費用高、效率低、維護不方便等缺點。且技術落后，因此擱置不用。三、直流電機驅動硬件設計3.1 主功率電路經過前面的探討，系統采用脈寬調制法來控制電機的端電壓。構成直流斬波器的開關器件過去用的較多的是普通晶閘管，它們本身沒有自關斷能力，因而限制了斬波器的性能;目前斬波器大都采用既能控制其導通又能控制其關斷的全控型器件，如功率晶體管(GTR)、可關斷晶閘管(

12、GTO)、場效應管(MOSFET )、絕緣柵雙極晶體管(IGBT )等。電力晶體管的優(yōu)點是飽和壓降低、載流密度大，但是驅動電流較大。電力場效應管是用柵極電壓來控制漏極電流的，因此它的一個顯著特點是驅動電路簡單、驅動功率小、開關速度快、工作頻率高，但是電力MOSFET的電流容量小、耐壓低、導通壓降大，適用于小功率電力電子裝置。由于功率場效應晶體管(Power MOSFET)是一種單極型電壓控制器件，具有開關速度快、高頻特性好、輸入阻抗高、驅動功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬和跨導線性度高等顯著特點，因而在各類中小功率開關電路中得到了廣泛的應用17。因此本控制系統使用功率MOSF

13、ET作為功率開關器件。功率開關器件的選取非常關鍵，如果選擇的功率管容量、耐壓過大，則將大幅增加控制系統的成本;如果功率管的耐壓及電流容量偏小，則在工作過程中經常無端出現管子燒毀的現象。純硬件原理樣機的主功率及其驅動電路根據系統總體設計方案采用DC-AC三相橋式逆變電路，主功率電路如圖二所示：圖二：主功率電路續(xù)流二極管 選用快速恢復二極管 ，額定電流為，額定電壓為，恢復時間為。對輸入端和輸出端接有感性元件時，如控制接觸器的線圈等，則在它們兩端并聯續(xù)流二極管（直流電路）和阻容吸收電路，以抑制電路斷開時產生的電弧對功率電路的影響。RC吸收回路的R值越大，線圈兩端的電壓越高，要考慮線圈的絕緣水平是否工

14、作在安全區(qū)；R的值越小，線圈（內電阻）要承擔部分的磁能損耗，且回路總電阻值小，能量損耗就慢，電機去磁就較慢（因為回路電流在斷開電源時的大小是一樣的），當然，電容器的取值也致關重要，電容器能否吸收線圈中的磁能。這樣分析，電容只是在線圈工作過程中，起隔離直流（能減去吸收回路中R的損耗）作用，不會減輕線圈的損耗，使用二極管，能隔離R在線圈工作時的損耗。電阻和電容參數計算如下： （4.1） 直流電流值。由電機電流為，可以計算（4.2） 選用電容。電阻的選擇：選用電阻。電阻功率選擇： （4.3） ，為晶閘管或MOSFET頻率。U為電壓的有效值。則選用的電阻。3.2功率驅動電路根據系統總體設計方案選用美國

15、國際整流器公司最新開發(fā)的高性能集成六路輸出MOS門極驅動芯片IR2130作為六只開關功率管的驅動，IR2130的內部結構圖如圖三所示：圖三： IR2140內部結構圖IR2130的工作原理正常工作時，當外部電路不發(fā)生過電流，直通故障，且IR2130的工作電壓源不欠壓，以及脈沖處理電路和電平移位器PGLS輸出高壓側柵極驅動信號不發(fā)生欠壓情況時，則從封鎖邏輯CLEAR故障邏輯處理單元FAULT及欠電壓檢測器LVD和UVDR來的封鎖信號均無效。從脈沖形成部分來的六路脈沖信號，經三個輸入信號處理器，按真值表處理后，變?yōu)榱份敵雒}沖，其對應的驅動三路低電壓側功率MOS管的信號，經三路輸出驅動器放大后，直接

16、送往被驅動功率器件的柵源極。而另外三路高壓側驅動信號、先經集成于IR2130內部的三個脈沖處理和電平移位器PGLS中的自舉電路進行電位變換，變?yōu)槿冯娢粦腋〉尿寗用}沖，再經對應的三路輸出鎖存器鎖存，并經嚴格的驅動脈沖欠壓與否檢驗后，送到輸出驅動器進行功率放大，最后才被加到驅動的功率MOS器件的柵源極。IR2104的典型應用電路一旦外電路發(fā)生過電流或直通，即電流檢測單元送出的信號高于時，則IR2130內部的比較器迅速翻轉，促使故障邏輯輸出單元FAULT 輸出低電平，一則封鎖三路輸入脈沖處理器ISG的輸出，使IR2104的輸出全為低電平，保證六個被驅動的功率MOS器件的柵源極迅速反偏而全部截止，保

17、護功率管；另一方面，經IR2104的8腳輸出信號，封鎖脈沖形成部分的輸出或給出聲光報警。若發(fā)生IR2104的工作源欠電壓，則欠壓檢測器UVD迅速翻轉，同以上分析一樣，可得到被驅動功率器件全部截止而可得到可靠保護，并從FAULT腳得到故障信號的結果。IR2104的典型應用電路如圖四所示：圖四：IR2104的典型應用電路IR2104可用來驅動工作在母電壓不高于的電路中的功率MOS門器件，其可輸出的最大正向峰值驅動電流為，而反向峰值驅動電流為。它內部設計有過流、過壓及欠壓保護、封鎖和指示網絡，使用戶可方便的用來保護被驅動的MOS門功率管，加之內部自舉技術的巧妙運用使其可用于高壓系統，它還可對同一橋臂

18、上下2個功率器件的門極驅動信導產生互鎖延時時間。它自身工作和電源電壓的范圍較寬()，在它的內部還設計有與被驅動的功率器件所通過的電流成線性關系的電流放大器，電路設計還保證了內部的3個通道的高壓側驅動器和低壓側驅動器可單獨使用，亦可只用其內部的3個低壓側驅動器，并且輸入信號與TTL及COMS電平兼容1314。圖4.3.8 中，；。注：未標明功率電阻為普通0.25W電阻。為電流采樣電阻，根據電機參數，內阻，可選功率電阻。當電機正常工作時，上壓降非常小，不會導致母線電壓利用率降低，在正/反轉快速變化時，轉速反接制動過程中將產生較大的瞬時電流，從而在上產生較大的壓降。TRIP為欠壓、過流輸入關閉信號，

19、通過變阻器可調節(jié)系統過流臨界值的大小，可選普通的可調電阻，當該電壓大于IR2104內部設定的保護值時，它會自動使IR2130輸出信號全部為低電平。大電流過后，系統自動解除封鎖，從而實現彈性保護。是自舉電容，為上橋臂功率管驅動的懸浮電源存儲能量，其容量取決于被驅動功率器件的開關頻率、占空比以及充電回路電阻，必須保證電容充電到足夠的電壓，而放電時其兩端電壓不低于欠壓保護動作值，當被驅動的開關頻率大于時，該電容值應不小于，且以瓷片電容為好。本設計選用獨石電容。、的作用防止上橋臂導通時的直流電壓母線電壓到IR2130的電源上而使器件損壞，因此應有足夠的反向耐壓，當然由于、與、串聯，為了滿足主電路功率管

20、開關頻率的要求，、應選快速恢復二極管，按電機，可選IN4148開關二極管，耐壓為。和是IGBT的門極驅動電阻，一般可采用10到幾十歐。IR2130的、作為功率管的輸入驅動信號與單片機連接，由單片機控制產生PWM控制信號的輸入，FAULT與單片機外部中斷引腳連接，由單片機中斷程序來處理故障16。四：直流電機驅動軟件設計4.1 pwm波輸出原理輸出模式0 輸出模式：輸出信號OUTx由每個捕獲/比較模塊的控制寄存器CCTLx中的OUTx位定義，并在寫入該寄存器后立即更新。最終位OUTx直通。 輸出模式1 置位模式：輸出信號在TAR等于CCRx時置位，并保持置位到定時器復位或選擇另一種輸出模式為止。

21、輸出模式2 PWM翻轉/復位模式：輸出在TAR的值等于CCRx時翻轉，當TAR的值等于CCR0時復位。 輸出模式3 PWM置位/復位模式：輸出在TAR的值等于CCRx時置位，當TAR的值等于CCR0時復位。 輸出模式4 翻轉模式：輸出電平在TAR的值等于CCRx時翻轉，輸出周期是定時器周期的2倍。 輸出模式5復位模式：輸出在TAR的值等于CCRx時復位，并保持低電平直到選擇另一種輸出模式。 輸出模式6 PWM翻轉/置位模式：輸出電平在TAR的值等于CCRx時翻轉，當TAR值等于CCR0時置位。 輸出模式7 PWM復位/置位模式：輸出電平在TAR的值等于CCRx時復位，當TAR的值等于CCR0時

22、置位。 增計數模式下的輸出波形如圖五所示： 圖五：增計數模式的輸出波形五、程序代碼/*HY-M149* * 文件名 ：main.c * 描述 ：定時器A在P1.2和P1.3輸出兩路占空比不同的PWM波 * 實驗平臺：HY-M149 V2.0 開發(fā)板 * 硬件連接:方法一：用示波器觀察P1.2和P1.3管腳 方法二：將P1.2和P1.3接至LED，觀察不同占空比情況下的亮度/*時鐘初始化*/#include "msp430x14x.h" void Clk_Init() unsigned char i; BCSCTL1&=XT2OFF;/打開XT振蕩器 BCSCTL2|=SELM_2+SELS;/MCLK 8M and SMCLK 8M do IFG1 &= OFIFG;/清除振蕩錯誤標志 for(i = 0; i < 0xff; i+) _NOP();/延時等待 while (IFG1 & OFIFG) != 0);/如果標志為1繼續(xù)循環(huán)等待 IFG1&=OFIFG;/*關閉所有IO口*/void Close_IO() /*下面六行程序關閉所有的IO口*/ P1DIR = 0XFF;P1OUT = 0XFF; P2DIR = 0XFF;P2OUT = 0XFF; P3DIR = 0