電機(jī)驅(qū)動控制電路

1、直流電機(jī)驅(qū)動電路直流電機(jī)（direct current machine）是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能（直流電動機(jī)）或?qū)?機(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換 的電機(jī)。當(dāng)它作電動機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流電動機(jī)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；作發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)是直流 發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。（阮智富，郭忠新.現(xiàn)代漢語大詞典：上海辭書出版社，2009 .一直以來，憑借優(yōu)良的線性特性和優(yōu)異的控制性能等特點(diǎn)，直流電機(jī)成為大多數(shù)閉環(huán)位 置伺服控制系統(tǒng)和變速運(yùn)動控制的最佳選擇。特別隨著計(jì)算機(jī)在控制領(lǐng)域，全控型、高開關(guān) 頻率的第二代電力半導(dǎo)體器件（MOSFET、GTO、GTR、IGBT

2、等）的發(fā)展，以及脈寬調(diào)制（PWM） 直流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展，直流電機(jī)得到廣泛應(yīng)用。在手指康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)中，直流電機(jī)起著牽 引手指進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的作用。由于是面向偏癱患者這一特殊的人群，因而直流電機(jī)需要能夠 在長期的低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)提供足夠的轉(zhuǎn)矩，從而帶動負(fù)載，并且可以在低轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)行。直流電機(jī)的驅(qū)動電路應(yīng)當(dāng)具有快速、高效、精確、低功耗等特點(diǎn)，能夠直接與微處理器 接口，應(yīng)用PWM技術(shù)對直流電機(jī)調(diào)速控制。典型的直流電機(jī)驅(qū)動控制電路結(jié)構(gòu)主要有分為 光電隔離電路、電機(jī)驅(qū)動邏輯電路、驅(qū)動信號放大電路、電荷泵電路、H橋功率驅(qū)動電路等 四部分組成，如下圖：BRAKE光BRAKE光7電荷泵電路H橋功率 驅(qū)動電 隔

3、離 電 路電機(jī) 驅(qū)動 邏輯 電路/驅(qū)動信號放大電路電路其主要控制信號有：Dir是電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向信號，PWM （脈沖寬度調(diào)制）作用是電機(jī)調(diào)速 信號，Brake為電機(jī)制動信號，Vcc為電機(jī)驅(qū)動邏輯電路部分提供電源，VM為直流電機(jī)電 源電壓，M+、M-為電機(jī)接口。在大功率驅(qū)動系統(tǒng)中，采用光電隔離技術(shù)，將驅(qū)動回路和控制回路電氣隔離，能夠有效 減少驅(qū)動控制電路對外部控制電路的干擾。光耦隔離就是采用光耦合器進(jìn)行隔離，光耦合器 的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于把發(fā)光二極管和光敏（三極）管封裝在一起。發(fā)光二極管把輸入的電信號轉(zhuǎn)換為 光信號傳給光敏管轉(zhuǎn)換為電信號輸出，由于沒有直接的電氣連接，這樣既耦合傳輸了信號， 又有隔離作用。手指

4、康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)中的光電隔離模塊，對于高頻的 PWM信號，采用 HCPL2630進(jìn)行隔離；對于低頻的剎車信號和輸出狀態(tài)反饋信號采用TLP185進(jìn)行隔離。對于電機(jī)驅(qū)動邏輯電路，電荷泵電路，驅(qū)動放大電路以及H橋功率驅(qū)動電路，采用一 種驅(qū)動小功率的直流電機(jī)的集成芯片MC33186。MC33186芯片自身已經(jīng)集成了 H橋，非常適用于小馬力DC電機(jī)和雙向推力電磁控制。 MC33186原本是為廣泛應(yīng)用于汽車的H橋驅(qū)動器，在嚴(yán)酷的環(huán)境下具備相當(dāng)?shù)目煽啃?。?的工作電壓為528V，連續(xù)負(fù)載電流可達(dá)5A，最高開關(guān)頻率為20kHz。其與邏輯控制有關(guān) 的輸入輸出與TTL/CMOS電平兼容，因此很容易與微處理器和微控制

5、器接口。MC33186的 功能結(jié)構(gòu)如下圖：Cp電荷泵一欠壓保護(hù)一 1-2門控* 3門控-過熱保護(hù)電流限制：0DNINhVbat二一內(nèi)部5VCp電荷泵一欠壓保護(hù)一 1-2門控* 3門控-過熱保護(hù)電流限制：0DNINhVbat二一內(nèi)部5V電游|orDhSF控制遺輯過護(hù)橋保上流過護(hù)橋保下流3c-LI 2E T lrLT o oMC33186的控制邏輯電路部分提供功率部分的門極驅(qū)動，以及欠壓、過熱和過流保護(hù)。 這部分電路產(chǎn)生的電機(jī)邏輯控制信號分別控制H橋的上下臂。由于大功率N溝道增強(qiáng)型場 效應(yīng)管構(gòu)成的H橋不能由電機(jī)邏輯控制信號直接驅(qū)動，因此需要驅(qū)動信號放大電路和電荷 泵電路將控制信號放大，然后才能驅(qū)動

6、H橋功率，最終驅(qū)動電路來驅(qū)動直流電機(jī)。電荷泵提供門驅(qū)動電壓，基本原理是給電容充電，通過電容積累電荷產(chǎn)生高壓。nn Vm4Vccnn Vm4Vcc跨接在輸入輸出之間的電容A端通過二極管接Vcc，另一端B接Vin，當(dāng)B處的電位 為0時(shí)，A處的電位為Vcc；當(dāng)B的電位上升到Vin時(shí)，電容兩端電容不能發(fā)生突變，依舊 存在Vcc的電勢差，因此A點(diǎn)的電位就會上升到Vcc+Vin。MC33186功率輸出級是組成橋式結(jié)構(gòu)的4個(gè)功率MOSFETo T1和T3構(gòu)成上半橋，T2 和T4構(gòu)成下半橋。上半橋和下半橋各由其自己的短路電流限制機(jī)制。電機(jī)工作時(shí)，H橋上 T1,T2, T3, T4工作在斬波狀態(tài)，其中T1和T4

7、 一組，T2和T3 一組。這兩組功率MOSFET 工作狀態(tài)互補(bǔ)，T1/T4閉合時(shí)，T2/T3斷開，電機(jī)正轉(zhuǎn)；T2/T3閉合時(shí)，T1/T4斷開，電機(jī)反 轉(zhuǎn)。VCCVCC兩個(gè)輸入IN1和IN2分別控制H橋的左右兩邊。在控制電動機(jī)的時(shí)候，這兩個(gè)信號既 可以是靜態(tài)的電平信號，也可以是PWM信號。兩個(gè)輸出OUT1和OUT2是與直流電動機(jī)連 接的。由此可以看到，驅(qū)動器的使用避免了采用分立元件的復(fù)雜的設(shè)計(jì)和制作。電機(jī)工作時(shí)，T1收到PWM信號的控制，DIR信號控制T4施加高電平，T2， T3施加低電平，電機(jī)根據(jù)PWM信號以一定的速度正轉(zhuǎn)；T2收到PWM信號的控制， DIR信號控制T3施加高電平，T1，T4施

8、加低電平，電機(jī)根據(jù)PWM信號以一定的 速度反轉(zhuǎn)。該方案中，上臂MOSFET 只有在電機(jī)換向時(shí)才進(jìn)行開關(guān)切換，而電機(jī) 的換向頻率極低，低端由邏輯電路直接控制，邏輯電路的信號電平切換較快，可 以滿足不同頻率要求。該電路還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，由于上臂開啟較慢，而下臂關(guān)斷較 快，所以，實(shí)際控制時(shí)換向不會出現(xiàn)上下臂瞬間同時(shí)導(dǎo)通現(xiàn)象，減小了換向時(shí)電 流沖擊，提高了 MOSFET的壽命。PWM （脈沖寬度調(diào)制）是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變 負(fù)載兩端的電壓，滿足控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM調(diào)速控制的基本原理 是以一定的固定頻率來斷開和接通電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)斷開和接通 的時(shí)間比（占空

9、比）來改變直流電機(jī)上電樞的電壓占空比，從而改變平均電壓，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，電機(jī)通電會增加電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)斷 電會降低電機(jī)的轉(zhuǎn)速。只要按照一定的規(guī)律改變接通和斷開電源的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)對 電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。在直流電機(jī)驅(qū)動控制電路中，PWM信號由外部控制電路提供，并經(jīng)高速光電 隔離電路、電機(jī)驅(qū)動邏輯與放大電路后，驅(qū)動H橋下臂MOSFET的開關(guān)來改變直 流電機(jī)電樞上平均電壓，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)PWM調(diào)速。采用P WM技術(shù)構(gòu)成的無級調(diào)速系統(tǒng).啟停時(shí)對直流系統(tǒng)無沖擊，并且具有啟動功耗小、 運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。(1方健，李肇基漲正，楊忠.電荷泵高端浮動自舉式H橋功率驅(qū)動電路J. 微電

10、子學(xué).2000(03)MC33186典型應(yīng)用電路MC33186真值表如下Dviw Stateinpurc Ctbndltions-statusOUTPUTDI1向Q時(shí)INIIN2SFl0)CUI0U21-FordLHHLHHHL2-RewerseLTLHHHLH3-Free Wheeling LawLHLLHHLL4-Free Wheeling HigfiLHHHHHHH5-DisaNe 1HXXXLHZZ6-Disabfle 2XLXXLHzz7-IN1 DisconnMljedLHzXHHHXB-IN2 DisoonnecledLHXzHHXH9-DU DisconnKtedZXXXLHz

11、zI0-D12 DisconnectedXZXXLHzz1 l-Currenl LlmiLa網(wǎng)戒L-IXXHHzz12-Undeiltagee；XXXXLLzz13-ChreriefiipErature11XXXXLLzzU-Overajrrent17,1XXXXLLzzH =高電平狀態(tài);L =低電平狀態(tài);Z =高阻態(tài)；X =無關(guān)系。根據(jù)MC33186真值表可知，可令DI1作為剎車信號BRAKE,DI1加高電平時(shí)，OU1和 OU2都是高阻態(tài)，直流電機(jī)處于剎車狀態(tài)。當(dāng)DI1為低電平，DI2為高電平，IN1高電平， IN2低電平，電機(jī)正轉(zhuǎn)；IN2高電平，IN1低電平，電機(jī)反轉(zhuǎn)；IN1和IN2都為高電平或者 都為低電平時(shí)，直流電機(jī)處于剎車狀態(tài)。LPC1764輸出PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，DIR輸出控制 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向。PGNDPGNDMOSF2MOIN3PVCC|?_6MOI178 1。R8MOSF2MOIN3PVCC|?_6MOI178 1。R8AGND SF INI Vb