摘  要： 為了解決直流電機(jī)轉(zhuǎn)向及速度控制問題,，設(shè)計了一種H橋驅(qū)動電路。以IRF530為開關(guān)元件,、IR2110為柵極驅(qū)動芯片,，由DSP產(chǎn)生PWM信號，經(jīng)過光耦隔離和邏輯電路后送至IR2110進(jìn)行控制,。給出了整體驅(qū)動控制電路,、上下橋臂的柵源電壓波形、上橋臂的浮動電壓信號以及電機(jī)兩端的運(yùn)行電壓信號,。測試分析表明,，該方案很好地實現(xiàn)了電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制及電機(jī)速度調(diào)節(jié)，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn),，達(dá)到了設(shè)計要求,，對直流電機(jī)控制應(yīng)用具有較高的參考價值。
關(guān)鍵詞： 直流電機(jī),；驅(qū)動,；IR2110；PWM

　隨著電力電子技術(shù)以及新型永磁材料的發(fā)展,，直流電機(jī)以其良好的線性特性以及優(yōu)異的控制性能等特點,，在多數(shù)變速運(yùn)動控制和閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)（如機(jī)器人、精密機(jī)床,、汽車電子,、家用電器以及工業(yè)過程等）領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。
　目前,，直流電機(jī)控制數(shù)字化已成為主流趨勢,，而高性能的電機(jī)控制算法多數(shù)是通過主控芯片實現(xiàn)的，隨著高速度,、多功能的數(shù)字信號處理器（DSP）的出現(xiàn),，使得更復(fù)雜的電機(jī)控制策略得以實現(xiàn)。本文以TMS320F28335為主控芯片,、IRF530為驅(qū)動芯片,、IR2110為驅(qū)動控制芯片對直流電機(jī)進(jìn)行了H橋驅(qū)動控制設(shè)計，該控制達(dá)到了很好的效果,，具有較高使用價值,。
1 直流電機(jī)驅(qū)動原理
　直流電機(jī)的驅(qū)動方式很多，現(xiàn)成的驅(qū)動芯片有33886,、L298N以及TB6539等[5],，這些芯片都是基于H橋原理進(jìn)行控制的。如果設(shè)計一些大功率的驅(qū)動,，只能用分立元件自行搭接H橋驅(qū)動[6],。H橋驅(qū)動電路能方便地實現(xiàn)電機(jī)的4象限運(yùn)行，其原理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,。組成H橋驅(qū)動電路的4只開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài),，K1、K4為一組,，K2,、K3為一組，兩組開關(guān)管工作狀態(tài)互補(bǔ),。當(dāng)K1,、K4導(dǎo)通且K2、K3截止時,，電機(jī)兩端加正向電壓實現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn),；當(dāng)K2、K3導(dǎo)通且K1,、K4截止時,，電機(jī)兩端加反向電壓實現(xiàn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)。實際控制中,，電機(jī)可以在4個象限之間切換運(yùn)行,。電路中的4個二極管D1~D4為續(xù)流二極管,，用來保護(hù)開關(guān)元件。

2 硬件電路設(shè)計
　硬件電路設(shè)計的整體思路是：用PWM波控制圖1中開關(guān)K1,、K4以及K2,、K3通斷的方式來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，通過改變PWM波的占空比使電機(jī)得到不同的電壓,，從而控制電機(jī)的速度,。
2.1 開關(guān)元件的選擇
　開關(guān)元件可選擇雙極型晶體管或場效應(yīng)管，由于功率場效應(yīng)管是電壓控制型元件,，具有輸入阻抗大,、開關(guān)速度快、無二次擊穿等特點,，能滿足高速開關(guān)動作的需求,。本文設(shè)計中4個開關(guān)均選用IR公司的N溝道增強(qiáng)型功率MOSFET管IRF530，其漏極電流為14 A,，并可以承受49 A的單脈沖電流,，最大電壓100 V，其導(dǎo)通電阻不大于0.16 Ω,，滿足驅(qū)動要求,。
2.2 MOSFET柵極驅(qū)動器件的選擇
　IR公司提供了多種橋式驅(qū)動集成電路芯片，典型產(chǎn)品為IR2110,。該芯片是一種雙通道,、柵極驅(qū)動、高壓高速功率器件的單片式集成驅(qū)動模塊,，由于芯片中采用了高度集成的電平轉(zhuǎn)換技術(shù),，大大簡化了功率器件對邏輯電路的控制要求，同時提高了驅(qū)動電路的可靠性,。尤其是上管采用外部自舉電容上電,，使得驅(qū)動電源數(shù)目較其他IC驅(qū)動大大減少。本次設(shè)計采用IR公司的IR2110作為驅(qū)動芯片,。
　IR2110工作頻率可達(dá)500 kHz,，邏輯電源電壓范圍為5 V~15 V，其浮置電源采用自舉電路,，功率端驅(qū)動電壓最大可達(dá)500 V,，容許邏輯電路參考地與功率電路參考地之間有±5 V的偏移量，其邏輯端和功率端使用單個15 V電源即可工作,，簡化了設(shè)計[7],。IR2110典型應(yīng)用電路圖如圖2所示。

　圖2中的C1、C3和C4均為各電源與地之間的電容,，其作用是利用電容的儲能防止電壓有大的波動,，一般根據(jù)具體情況取10 μF~100 μF（本文設(shè)計選用10 μF）；R1和R2取值均為1 k?贅,。C2為自舉電容,，VCC經(jīng)D1、C2,、負(fù)載、T2給C2充電,，以確保在T2關(guān)閉,、T1導(dǎo)通時，T1管的柵極靠C2上足夠的儲能來驅(qū)動,。自舉電容一般選用1.0 μF,，具體與PWM的頻率有關(guān)，頻率低時,，選用大電容,；頻率高時，選擇較小的電容,，本設(shè)計選用1.0 μF電解電容,。需要說明的是，若自舉電容取值不合適,，將導(dǎo)致不能自舉,，具體容量算法可參考參考文獻(xiàn)[8]。
　圖2中的D1為保護(hù)二極管,，其作用是防止T1導(dǎo)通時高電壓串入VCC端損壞該驅(qū)動芯片,。D1應(yīng)選用快速恢復(fù)二極管，且導(dǎo)通電阻要小,，以減少充電時間,，如1N4148、FR系列或MUR系列等,，本設(shè)計選用1N4148,。
2.3 開關(guān)頻率的選擇
　PWM波的頻率將影響到電機(jī)能否輸出最大轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)性，這里主要考慮最大轉(zhuǎn)矩,。要得到最大的輸出轉(zhuǎn)矩,，必須知道轉(zhuǎn)子磁極的方向，即確定轉(zhuǎn)子的位置,，這對本設(shè)計的小型直流電機(jī)來說可暫不考慮,。為了避免電機(jī)發(fā)出比較大的噪聲，應(yīng)盡可能讓PWM波頻率在聲波范圍之外,；另一方面,，由于電機(jī)繞組的感性性質(zhì),，頻率越高感抗越大，高的頻率會使電機(jī)的轉(zhuǎn)矩變小[9],。經(jīng)分析比較,，本文最終確定的電機(jī)頻率為250 Hz，雖然有一定的低頻噪聲,，但輸出轉(zhuǎn)矩效果很好,。
2.4 控制器的選擇
　目前，PWM波的產(chǎn)生有多種方式,，可以用專門的PWM波產(chǎn)生芯片產(chǎn)生,，也可由微控制器（如單片機(jī)、ARM,、DSP,、FPGA等）產(chǎn)生。本文微控制器選用了TI公司TMS320F28335型DSP,，它是整個控制系統(tǒng)的核心部分,，其性能在一定程度上決定了整個硬件系統(tǒng)的穩(wěn)定性。TMS320F28335為32 bit浮點型DSP,，其工作主頻達(dá)150 MHz,，有12路PWM輸出，其中6路是高精度PWM波通道,，非常適合電機(jī)控制,。
2.5 驅(qū)動控制電路整體設(shè)計
　根據(jù)以上關(guān)鍵部件的選擇，設(shè)計得到圖3所示的驅(qū)動控制硬件電路圖,。
　PWM波由DSP的PWM產(chǎn)生,，然后通過180 ?贅電阻R5送至光耦TLP521。由于本設(shè)計的PWM波頻率不高,，普通光耦TLP521已滿足要求,。
　圖3中，“非門”和“與非門”不僅是邏輯控制的需要,，同時起到了對光耦輸出波形信號進(jìn)行整形的作用,。
T1~T4由4片IRF530構(gòu)成H橋驅(qū)動對電機(jī)M進(jìn)行控制，IRF530的柵極驅(qū)動由兩片IR2110完成,，其中一片IR2110的HIN和另一片的LIN連在一起,，用一個PWM控制信號驅(qū)動電機(jī)的上橋臂和下橋臂MOSFET。

　兩片IR2110的SD端連在一起,，由DSP的GPIO9管腳通過光耦合反相器G8后進(jìn)行控制,，GPIO9低電平時正常工作。
　DSP的GPIO8管腳為高電平時G4門輸出有效，電機(jī)正轉(zhuǎn),；否則G3門輸出有效,，電機(jī)反轉(zhuǎn)。所以可由DSP的GPIO8方便地控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn),。
　另外,，由圖3可以看出，DSP輸出的正脈沖傳輸?shù)絀R2110的控制端時也是正脈沖,，因此可以直接由PWM波占空比的大小控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動的快慢,。
3 電路的測試
　根據(jù)以上設(shè)計，由DSP產(chǎn)生PWM波,，經(jīng)過邏輯電路輸入到IR2110,，從而控制IRF530的通斷，調(diào)節(jié)PWM波的占空比即可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,。
　電路中，C1,、C6取值為10 μF,，C2~C5取值為1 μF，D1~D6選1N4148二極管,，R1~R4取值為1 k?贅,，R5取值為180 ?贅，R6取值為10 k?贅,，反相器選為74LS04,，“與非門”選74LS00，邏輯電壓取為+5 V,，柵極驅(qū)動電壓取為+12 V,，電機(jī)電壓取為+5 V，3個電源均共地,，但DSP電源是隔離的,。當(dāng)PWM波的頻率為250 Hz、占空比為50%時,，對型號為RN260-CN38-18130的電機(jī)進(jìn)行了測試,。測試示波器型號為安泰信ADS1102C。
　圖4為經(jīng)過“與非門”和反相器的信號,，也是IR2110的控制信號,。可以看出,，信號經(jīng)過門電路后不僅干擾被大量減少,，而且波形更加規(guī)則平整。

　下橋臂的柵源電壓容易控制，但上橋臂的柵源電壓是由自舉電路形成的,，因為在上橋臂導(dǎo)通時源極電壓基本等于驅(qū)動電機(jī)的電源電壓,，這時要上橋臂的MOSFET繼續(xù)導(dǎo)通就必須使柵極電壓隨著源極電壓一起升高，不管源極電壓是多少,，柵源電壓要保持不變,，這就使得柵極電壓要隨著源極電壓進(jìn)行浮動。
　圖5（a）為上橋臂的源極對地電壓信號,，圖5（b）為上橋臂的柵極對地電壓信號,。可以看出,，源極電壓隨著PWM波的變化而變化,，其平均電壓浮動值為4.6 V；而柵極電壓會隨著源極電壓的變化而相應(yīng)浮動,，其峰峰值為17.6 V,，則相對于源極電壓基本是13 V，最終使得柵源電壓為穩(wěn)定值,。
整體測試結(jié)果表明,，直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，控制精確,，達(dá)到了設(shè)計要求,。

　本文對直流電機(jī)進(jìn)行了H橋驅(qū)動控制的全過程設(shè)計，采用功率MOSFET芯片IRF530作為開關(guān)元件,，IR2110作為MOSFET的柵極驅(qū)動控制,，用DSP產(chǎn)生PWM信號并通過光耦及邏輯控制送至IR2110。成功地使上橋臂驅(qū)動電壓進(jìn)行浮動控制,，可以方便地進(jìn)行啟停和正反轉(zhuǎn)控制,，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)良好，達(dá)到了設(shè)計目的,。本文給出的驅(qū)動控制電路也適合其他類似的應(yīng)用,，具有較大的實用參考價值。
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