一种大功率宽电压的直流电机驱动电路设计综述

摘 要 设计了一种基于H桥驱动的大功率直流电机驱动电路，能够驱动12-48V宽电压输入的大功率直流电机。该电路由逻辑控制电路，死区时间控制电路，光电隔离电路和H桥驱动电路构成，能实现直流电机的正反转动，刹车与死区时间可调等功能，同时具有抗干扰能力强，响应速度快等特点。

关键词 H桥电路；宽电压输入；光电隔离电路；死区时间可调

Abstract Based on H-bridge driver， a high-power DC motor drive circuit is designed to drive high-power DC motors with 12-48V wide voltage input. The circuit is composed of a logic control circuit， a dead time control circuit， an optical isolation circuit and an H-bridge drive circuit， and can realize the functions of forward and reverse rotation of the DC motor， braking and dead time adjustable， the drive circuit also has the characteristics of strong anti-interference and fast response speed.

Key word H bridge circuit； Wide voltage input； Photoelectric isolating circuit； Dead zone time adjustable

引言

无刷直流电机因响应速度快，工作效率高，稳定性好等特点被广泛应用在工业控制，医疗设备和航天航空等领域[1-5]。针对小功率的直流电机的驱动电路，市场上已经推出许多小型集成化芯片，这类集成电路使用方便，操作简单，但是输出功率有限，无法适应大功率直流电机的需求[6]。为此，本文设计一种可以适应12～48V，最大30A输入的大功率直流电机驱动电路，具有响应速度快，抗干扰能力强，PWM直流调速等电路特点。

1 大功率直流电机驱动电路结构设计

电路系统框图如图1所示，电路主要由逻辑控制电路，死区时间控制电路，光电隔离电路，H桥驱动电路4部分组成。电机控制信号有电机转向控制信号DIR和电机转速控制信号PWM。在本设计电路中，控制信号DIR与PWM经过逻辑控制电路与死区时间控制电路后，在光电隔離电路处进行电气隔离并将信号放大驱动H桥的上下臂，最终实现电机的调速，转向与制动。

2 H桥驱动电路设计

2.1 H桥功率驱动电路原理

H桥驱动电路的上下臂分别由2个P沟道功率MOS管和2个N沟道功率MOS管组成，实际应用中MOS管属于电压控制型器件，具备开关速度快，输入阻抗高，驱动功率低等特点，通过输入信号的高低控制H桥上下臂的导通与截止，实现直流电机的正转，反转与制动功能。在图2中，MOS管Q1，Q4导通，Q2，Q3截止时，电机两端电压为正向电压，正向驱动电流经MOS管Q1，直流电机与Q4构成回路，当MOS管Q1，Q2截止，Q3，Q4导通时，H桥下半臂短接，各点电位均相等，实现短接制动。反之亦然，当MOS管Q2，Q3导通，Q1，Q4截止时，电机两端为反向电压，实现反向驱动，通过控制H桥下半臂的开启实现短接制动。

2.2 逻辑控制电路的设计

电机驱动的逻辑控制电路图如图3所示，单片机输出的控制信号IN1和IN2，经非运算和与运算后输出两组信号，其中A1，A2和B1，B2分别控制H桥上下臂的关断。图4中给出逻辑控制电路的真值表，设输入信号IN1，IN2均为1时，A1，A2输出电平为0，B1，B2输出电平为1，表示电机处于停止状态，输入信号IN1为1，IN2为0时，A1，B1输出电平为1，A2，B2输出电平为0，表示电机正向转动，反之，输入信号IN1为0，IN2为1时，A1，B1输出电平为0，A2，B2输出电平为1，电机反向转动，当IN1，IN2均为0时，输出信号A1，A2和B1，B2输出电平为0，表示电机处于刹车状态。

逻辑电路可以通过控制输入PWM波来实现调速功能，当用PWM波来控制一对桥臂，并且在驱动电流为关断时，根据电机的电感特性会要求电流续流，通过操控桥臂的通断可以实现H桥的两种状态，第一种情况：上下的一对桥臂关断时，续流电流流经二极管，迅速衰减；第二种情况：当下桥臂均开启时，续流电流流经下桥臂，缓慢衰减。图5给出输入PWM波与输出之间的关系，当输入信号为一高电平信号1和PWM信号时，电机处于转动状态，若IN1，IN2输入分别为高电平1和PWM信号，表示电机正转，IN1，IN2输入分别为PWM信号和高电平信号1，则表示电机反转，另外两种状态为空余状态。

2.3 死区时间控制电路设计

MOS管控制的电源电压为12V～48V，其导通电阻非常小，由于MOS管存在短暂的开关延时，为了避免图5中另外两种情况导致的同桥臂导通，烧毁MOS管，需要设置一个死区时间，使MOS管延时一段时间开启和关闭。图6给出了一种利用逻辑门与RC电路构成的死区时间控制电路。通过改变电阻R和电容C来控制死区时间 td。

2.4 光电隔离和驱动放大电路

图7为采用普通光电隔离器PS2801的光电隔离和驱动放大电路，通过光电隔离电路可以有效消除驱动电路对其他电路的干扰并对其他电路进行保护。由于采用的是PS2801，对频率为5KHz以下的PWM有较好的传输特性。当输入信号为电平0时，三极管Q2截止，光电隔离器U1饱和导通，场效应管Q1因栅极变为高电平而导通，反之，当输入电平为1时，三极管Q2导通，光电隔离器U1截止，场效应管Q1因栅极为低电平而截止。

3 H桥驱动电路工作过程分析

光电隔离和H桥驱动电路如图8所示，工作时单片机输出控制信号PWM和DIR，经过逻辑控制电路输出2组控制信号，设IN1和IN2分别输入电平1和PWM信号，经过逻辑控制电路后A2，B1分别输出电平0和1，此时场效应管Q2，Q3均截止，而A1，B2分别输出PWM信号和反相的PWM信号，当A1为高电平1，B2为低电平0时，场效应管Q1，Q4饱和导通，电机处于正向转动状态，电机转速由PWM信号的占空比控制，占空比越大转速越快。反之，IN1，IN2分别输入PWM信号和电平1时，场效应管Q1，Q4截止，PWM信号和反向PWM信号控制Q2和Q3的关断，电机处于反向转动状态。本文设计的H桥驱动电路能驱动12～48V输入的大功率直流电机，同时电路具有抗干扰能力强，稳定性好，死区时间可控等特点。

4 结束语

本文设计的大功率H桥驱动电路具备良好的电气隔离效果，避免了驱动电路对逻辑电路的干扰，同时电路的响应速度快，能同时控制H桥的4路桥臂，实现死区时间可调，适应12～48V，最大30A的大功率直流电机的使用要求。

参考文献

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