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1、电机控制电路设计,6.1 直流电机控制电路设计,直流电动机是一种设计以直流电压电源工作的旋转电动机。直流电动机有永磁直流电动机、串励和并励直流电动机。1. 直流电动机的单极性和双极性驱动方式直流电动机的驱动方式有单极性和双极性两种，当电动机只需要单方向旋转时，采用单极性驱动方式。单极性驱动电路如图6.1.1所示。图6.1.1（a）由模拟控制器或微控制器的PWM信号，控制一个功率MOSFET开关管的导通状态，在电动机两端并接一个续流二极管。功率开关管串接在电动机下方（靠近电源地），其栅极驱动应采用低侧栅极驱动器。如果功率开关管串接在电动机上方（靠近电源正极），其栅极驱动应采用高侧栅极驱动器。对于
2、高侧开关，它的栅极驱动需要附加的电平提升电路，所以大多采用低侧驱动方式。该种电路因电流通过续流二极管续流，时间较长，损耗较大，典型应用在小型风机、泵的驱动。,（a）低侧和高侧单极性驱动 （b）快速半桥单极性驱动图6.1.1 直流电动机单极性驱动方式,为避免因续流二极管续流，带来时间较长，损耗较大的缺点，可采用图6.1.1（b）半桥驱动电路。其中的二极管VD1、VD2实际上是DMOS管的“体”二极管，在工艺上与DMOS管一起自动生成。这样，不必再附加续流二极管。半桥驱动电路可实现电动机的制动控制，当断开VF1停止对电动机供电的同时，将VF2连续开通，电动机的电动势（EMF）经VF2短路，使电动机
3、制动。此时，如果VF2不是连续开通，而是PWM控制，可实现电动机的软制动。,当电动机需要正反两个方向旋转时，采用双极性驱动方式。由四个功率开关管组成的H桥电路的双极性驱动电路如图6.1.2所示。,图6.1.2 基本H桥电路,2.直流电动机控制集成电路的品种各国半导体厂商生产的直流电动机控制集成电路品种繁多，现将部分直流电动机控制集成电路的品种介绍如下：（1）Semiconductors公司生产的直流电动机控制集成电路有CS7054、CS4124、NCV7701、MC33030等型号。CS7054/CS4124是驱动低侧/高侧MOSFET直流电动机PWM控制器，电源电压为30V，输出峰值电流为0
4、.2A/0.15A，具有“休眠”模式、过电压和过电流保护功能，采用DIP14和SO-16L封装形式。NCV7701是H桥驱动器，电源电压为26V，输出峰值电流为2A，具有交叉导通、过电压保护、欠电压保护、过电流保护、正反转和制动等功能，采用SO-20L封装形式。MC33030是直流伺服电动机H桥驱动器，电源电压为36V，输出峰值电流为1A，具有过电压保护、过电流保护、四象限控制等功能，采用DIP16封装形式。,（2）Allegro Microsystems公司生产的直流电动机控制集成电路在办公自动化、工业自动化、汽车和便携式电子设备方面得到广泛应用。其中，双全桥PWM电动机驱动器驱动电流为50
5、0750mA，电源电压为2030V的产品有A3965A3968、A3967；驱动电流为750mA，电源电压为45V的产品有A2916、A2919、A6219；驱动电流为1500mA，电源电压为50V的产品有A2917、A3948、A3955、A3957、A3972、A3974；驱动电流为2000mA，电源电压为50V的产品有A3952、A3958；驱动电流为2500mA，电源电压为50V/30V的产品有A3971/A3977；驱动电流为3000mA，电源电压为50V的产品有A3959。他们可用于微步距控制的产品有A3967、A3973A、3955、A3957、A3972和A3977。这些双全桥
6、电动机驱动器也可用于步进电动机的控制和驱动。,（3）ST Microelectronics公司生产的直流电动机驱动器集成电路有L149（4A线性驱动器）、L165（3A功率运算放大器）、L290（测速信号转换器）、L292（开关驱动器）、L293（4通道推挽驱动器）和L298（双全桥驱动器）。（4）Fairchild Semi公司生产的直流电动机驱动器集成电路，其中，输出电流为1.6A，DIP封装的产品有FAN8082、KA3082B（双向）、KA830IL；输出电流为1A，SSOP封装的产品有 KA9258D、KA9259ED；FAN8082D（双向）的输出电流为0.8A，SOIC封装。他们
7、适合在VCR、CD播放机和玩具中应用。（5）Inf ineon公司生产的直流电动机伺服驱动器集成电路有TLE4205、TLE4205-G TLE4206-G、TLE4209。其中TLE4205/TLE4205-G的工作电压为632V，最大电流为1A，工作电流为0.6A，采用P-DIP-18-3/P-DSO-20-6封装。TLE4206-G/TLE4209的工作电压为818V，最大电流为1A，工作电流为0.8A，采用P-DSO-14-8/P-DIP-8-4封装。他们都具有对地短路保护。,（6）ROHM公司生产的直流电动机驱动器集成电路有驱动一个和驱动两个电动机的两种类型。驱动一个电动机的是一个H
8、桥输出，输出电压可由引脚输入设定。驱动两个电动机的采用6个开关管构成3个半桥，其中一个半桥是共用的。a. 驱动一个电动机的产品，其中最大输出电流为0.5A，电源电压为4.515V的有BA6208/F；最大输出电流为0.7A，电源电压为4.515V的有BA6218、BA6418；最大输出电流为1A，电源电压为4.515V的有BA6955N、BA6956AN、BA6283N、BA6285FS/FP、BA6286/N、BA6287F、BA6288FS、BA6418F；而BA6229的最大输出电流为1.2A，电源电压为823V；BA6209/N的最大输出电流为1.6A，电源电压为618V；BA6219
9、B/BFP-Y的最大输出电流为2.2A，电源电压为818V。b.驱动两个电动机的产品，其中，最大输出电流为1A，电源电压为818V的有BA6246N、BA6247NFP-Y、BA6259N；而BA6239A/AN的最大输出电流为1.2A，电源电压为818V；BA6238A/AN的最大输出电流为1.6A，电源电压为818V。,（7）TOSHIBA公司生产的直流电动机驱动器集成电路电源电压在25V以下的有TA7257P、TA91P、TA33F、TA8401TA8409、TB6552FL/FN等型号，最大输出电流0.51.5A；30V以上的有TA8428F/K、TA8429、TA8440H、TB65
10、49F/P，最大输出电流2.44.5A。（8）三菱电机公司生产直流伺服电动机控制器集成电路有M51971P/L、M51660L；直流双向电动机驱动器集成电路有M54641FP/L、M54687FP，并具有制动功能。（9）SANYO公司生产的单向直流电动机驱动器集成电路有LA5527、LA5528N/NM、LA5586；双向直流电动机驱动器集成电路有LA550、LB1630、LB1634、LB1638、LB1640LB1651、LB1830、LB1832LB1843、LB1930LB1947T等。CD，四通道电动机驱动器有LB8106MLB8109M、LV8200W、LV8206T等。,（10）
11、Texas Instruments和 MOTOROLA公司提供多通道的低侧开关驱动器、高侧开关驱动器、高侧和低侧（半桥）开关驱动器、H桥开关驱动器产品，可用于直流电动机的驱动控制。,6.1.1 基于TPIC2101的直流电机速度控制电路1. TPIC2101的主要技术性能与特点TPIC2101是Texas Instruments公司生产的控制直流电动机的单片集成电路，输出可驱动外接N沟道MOSFET或IGBT，利用模拟电压信号或PWM信号可调节电动机速度。TPIC2101也可用来控制白炽灯、螺线管线圈等感性负载。TPIC2101有正常运转、睡眠和故障三种运行状态。在正常运转状态，接收输入指令控
12、制电动机转速；在睡眠状态，栅极驱动端（GD）保持为低电平，整个芯片电流降到200A；在故障状态，当芯片检测到过电压、过电流等故障后，进入保护状态。有自动和手动两种速度控制模式，自动模式（auto mode）接收0100%PWM信号，手动模式（manual mode）接收02.2V差动电压。工作电压范围为816V，驱动输出电流能力为50mA，工作环境温度为-40+105。,2. TPIC2101的引脚功能与封装形式TPIC2101采用DIP-14（N）或者SOIC-14（D）封装，引脚封装形式如图6.1.1所示。各个引脚功能如表6.1.1所列。,图6.1.1 TPIC2101引脚封装形式,3.
13、TPIC2101的内部结构TPIC2101的内部结构方框图如图6.1.2所示，芯片内部包含有自动和手动输入配置（AUTO and MAN Input Config）、睡眠、自动和手动工作逻辑（Sleep、AUTO and MAN Logic）、振荡器和斜坡电压波形发生器（Oscillator and Voltage Ramp Waveform Generator）、栅极驱动（Gate Drive）、能隙电源（Bandgap）等电路。,图6.1.2 TPIC2101内部结构方框图,4. TPIC2101的应用电路设计TPIC2101构成的直流电动PWM速度控制电路如图6.1.3所示，TPIC21
14、01输出GD脚接到一个NMOS开关管的栅极（IRF530），以低侧驱动方式驱动电动机，VD1（MBR1045）是续流二极管，外接电源电压Vbat，控制输入端MAN和AUTO连接到外部控制电路，推荐的外接元件数值如表6.1.2所列。,图6.1.3 TPIC2101构成的直流电动机PWM速度控制电路,在自动控制模式（见图6.1.4），频率约为100Hz PWM控制信号经NPN晶体管送入AUTO引脚端（集电极开路），经内部处理后从SPEED引脚端输出，经RC积分在INT引脚端产生随AUTO输入的PWM信号的占空比变化的直流电压信号，在GD端对应输出的占空比变化的PWM信号。可以通过改变供电电压Vba
15、t的方法，调节输出PWM信号的占空比来保持电动机电压恒定。在自动模式，输出PWM信号的占空比与电源电压Vbat的关系如式6.1.1所示。,图6.1.4 自动控制模式电路,在自动模式，使用不同的电源电压Vbat，输入PWM信号对应输出PWM信号的占空比的关系曲线如图6.1.5所示。,图6.1.5在自动模式，使用不同的电源电压Vbat，输入PWM信号对应输出PWM信号占空比的关系曲线,在手动模式（见图6.1.6）， MAN连接到电压Vbat（5.5V），芯片内部CCS电路使MAN和AUTO脚间流过2mA的恒定电流，利用图6.1.6所示的一个手动可调1k电位器，就能产生约02.2V电压的变化（此时N
16、PN管应截止）。在手动控制模式，输入电压信号对应输出PWM信号的占空比与电源电压Vbat的关系如式6.1.2所示。,图6.1.6 手动控制模式电路,在手动控制模式，使用不同的电源电压Vbat，输入电压信号对应输出PWM信号的占空系数的关系曲线如图6.1.7所示。,图6.1.7 在手动模式，使用不同的电源电压Vbat，输入电压信号对应输出PWM信号的占空比的关系曲线,TPIC2101具有欠电压保护功能，当电压Vbat低于8V时，芯片进入睡眠模式，输出维持低电平。当Vbat增加，到高于电压阀值（约7V）大约1V以上，自动恢复正常。TPIC2101具有过电压保护功能，其门限设定在1720V之间，典型
17、值为18.5V，用户不可更改。当内部检测Vbat高于门限电压时，进入故障状态。当Vbat回降到比门限电压低0.51V，自动恢复正常。,TPIC2101具有过电流保护功能，当GD引脚端是低电平时，内部电路维持ILS引脚端为低电平。如果GD引脚端为高电平，限流检测ILS端可能高于限流基准ILR端，内电路将INT引脚端电压拉低（通过内部低于500电阻），命令GD端输出占空比降低，从而限制了输出电流和芯片的损耗。上述情况最低可设置持续8192个时钟周期，如果设置8个8192个时钟周期，到达65536个时钟周期时，芯片将自动进入过电流保护状态，GD脚维持低电平。然后，一个自动恢复重新开始。但是，如果过电
18、流故障条件还存在，则故障保护状态保持。,6.1.2 基于M51660L的直流电机伺服控制器电路1. M51660L的主要技术性能和特点M51660L是三菱电机公司生产的直流伺服电动机控制集成电路，芯片内部含有稳压器和差动放大器电路，工作电源电压为3.55V，工作电流输出开路时最大为5mA，输出导通时为20mA；输出低电平电压最大为0.2V（IOSINK=100mA），输出高电平电压最低为3.4V；驱动外部PNP晶体管的驱动电流为30mA；内部稳压器电压为2.32.6V；稳压器输出电流为3.0mA。,2. M51660L的引脚功能与封装形式M51660L采用Outline 14P5A封装，引脚封
19、装形式如图6.1.8所示，各个引脚功能如表6.1.3所列。,图6.1.8 M51660L引脚封装形式,3. M51660L的内部结构M51660L的内部结构方框图如图6.1.9所示，芯片内部包含有控制逻辑电路（Control logic circuit）、触发器（Flip-flop）、输出驱动电路（Output drive circuit）、单稳态多谐振荡器（One-shot multivibrator）、脉冲展宽电路（Pulse stretcher）、稳压器（Voltage regulating circuit）等电路。,图6.1.9 M51660L内部结构图,4. M51660L的应用电路
20、M51660L是为无线电操纵的车、船、飞机模型等电动玩具专门设计的，由无线电发射器发出的脉宽变化信号，通过本电路来驱动直流电动机作旋转和正反转运行。该直流电动机作为模型电动玩具的动力，通过遥控器可实现电动玩具的运动控制。一个可用来控制电动玩具的方向，如控制船的舵、飞机副翼和尾舵运动的位置伺服电机控制电路如6.1.10所示。电路中，引脚端1与电位器滑动端（5k）连接，此电压信号和内部三角波比较，产生电压驱动电动机。引脚端1需连接约0.1F电容，用于抑制噪声。引脚端2接定时电容，产生恒流充电的三角波，并连接从输出端1来的反馈电阻。引脚端3连接定时电阻，电阻值决定三角波的恒流值，若取18k电阻对应电
21、流为1.0mA。用一个0.03F电容与定时电阻并联，可提高稳定性。引脚端5输入端连接峰值为3V以上的正脉冲。引脚端6连接反馈电阻到引脚端2，引脚端6和引脚端10连接被控直流伺服电动机。引脚端9连接一个电阻到引脚端11，决定死区时间。引脚端13内部稳压器输出，连接一个2.2F电容用来稳定电压，引脚端14连接电源电压，外接一个10F电容。,图6.1.10 M1660L应用电路,5. M51660L的国内同类产品YT5166西安亚同集成电路技术有限公司生产的YT5166与M51660L功能相同。它采用DIP14封装形式，引脚布置不同。YT5166的引脚功能如表6.1.4所列。YT5166的典型应用电路如图6.1.11所示。,
