摘要：由于直流電機能實現方便的平滑調速且啟動性能好的特性，在工業(yè)自動化領域中有著廣泛的應用。目前，直流電機通常采用H橋電路進行控制，在控制大電流電機的情況下，控制電路的體積大，電路元件多，導致可靠性下降，電路成本也較高。本文提出了一種半橋控制電路，在不降低控制性能的前提下，減少了大功率的電路元件的使用，不但降低了成本，提高了電路的可靠性，而且還具有很好的擴展性。

引言

與交流電機相比，直流電機具有調速性能優(yōu)異，啟動迅速，啟動轉矩大，帶負載能力強的特點。因此在工業(yè)自動化領域中得到了廣泛的應用。

目前，直流電機驅動電路通常是采用DSP通過一個H橋電路發(fā)送PWM控制脈沖，控制直流電機以一定的速度和方向旋轉。而實際的工業(yè)應用中，大多只需要直流電機在單一方向上以一定的轉速運行，不需要進行頻繁的正反轉切換。因此針對上述需求，若仍采用H橋電路進行驅動，就會產生電路冗余，增加了硬件成本，降低了硬件電路的可靠性。因此，本文采用了一種半橋驅動電路模式。該電路在保證直流電機達到優(yōu)異的運行性能的前提下，簡化了電路復雜度，提高了電路可靠性。同時在此電路的基礎上增加簡單的外圍控制電路就能夠很方便地切換電機旋轉方向，而無需額外增加大功率MOS管開關電路。

系統(tǒng)原理及構成

圖1為系統(tǒng)總體功能框圖。由圖可知，該系統(tǒng)為一個閉環(huán)系統(tǒng)。DSC發(fā)出PWM信號給半橋驅動電路。半橋驅動電路根據PWM 控制信號向直流電機提供相應的驅動電壓并輸出驅動電流，驅動直流電機運轉。該驅動電流被電流傳感器檢測后，轉換成相應的電壓值反饋給DSC 的A/D轉換輸入接口，DSC程序根據該電壓值判斷輸出給直流電機的電流大小是否超出直流電機的額定電流值，若超出該額定電流，就立即停止驅動輸出，以防止直流電機因過流而燒毀。同時，直流電機的旋轉速度經編碼器轉換成一組正交脈沖信號，發(fā)送到DSC的正交編碼器輸出接口，以判斷直流電機的旋轉速度是否符合預設的旋轉速度值。計算出二者之間的誤差，并采用PID算法調整PWM的輸出參數，最后輸出調整后的PWM控制信號給半橋驅動電路。

器件選型

為最大程度地保證對直流電機運行狀態(tài)的采樣精度和控制的實時性，本系統(tǒng)采TI公司的高性能數字信號控制器TMS320F2810作為主控芯片。該芯片最高主頻為150MHz,內核是基于32位架構的DSP處理器，由于對數學運算進行了優(yōu)化，因此可以對各種復雜算法進行高效的處理，專門針對諸如電機控制、數字電源、清潔能源以及雷達等多種實時控制應用領域提供的高性能控制平臺。片上集成了最多16通道的12位ADC輸入接口，2個正交編碼器接口（QEP），4路可獨立輸出的PWM接口等多種外設，能夠完全滿足本系統(tǒng)的設計需求。

在半橋控制中，需要采用互補的PWM信號分別控制上、下兩個開關管的導通和關斷，并且還必須要絕對避免這兩個開關管同時處于導通狀態(tài)，否則將會導致電機的供電電源對地形成短路。因此，必須在互補的PWM信號輸出中加上死區(qū)控制。為了簡化電路，本系統(tǒng)選擇了專用的半橋控制芯片IR2183控制半橋開關管的工作。IR2183是國際整流器公司推出的600V半橋驅動器，具有獨立的高、低端輸入，兼容3.3V、5V邏輯，柵極驅動電壓范圍達到10~20V,柵極驅動電流變化率很低，抗干擾能力強，并且具有欠壓保護。IR2183內部還設置有固定死區(qū)控制邏輯，能夠很好地防止上下兩路PWM信號在轉換時的瞬間短路現象。

由于電機的額定電流為6A,為了防止因過流而燒毀電機，本系統(tǒng)采用一個電流傳感器ACS712來實時監(jiān)測流入電機的電流。該芯片是基于霍爾效應的線性電流傳感器，檢測精度高，具有66~185mV/A的檢測靈敏度，輸出電壓與被檢測電流成比例，并且電流感應端口和電壓輸出端口之間具有2.1kVRMS的電壓隔離，能夠很好的保護后級DSC的AD輸入電路。

硬件設計

本系統(tǒng)的半橋驅動電路如圖2所示。其中PWM控制信號由TMS320F2810的通用定時器1產生。該信號在IR2183內部通過死區(qū)控制器和電平轉換控制邏輯，變?yōu)閮陕穾绤^(qū)切換的互補信號，分別從HO和LO引腳輸出控制半橋的上下兩個MOS場效應管輪流導通。當PWM信號由低變?yōu)楦邥r，LO輸出低電平，關閉下端開關管Q2,經過一個死區(qū)時間后HO輸出高電平，自舉電容C2通過HO放電，驅動上端開關管Q1開通。電機電源通過Q1的漏極施加到電機上，驅動電機運轉。當PWM信號由高變?yōu)榈蜁r，HO輸出低電平，Q1關斷，經過一個死區(qū)延時后，LO輸出高電平驅動Q2開啟，向自舉電容提供充電回路，系統(tǒng)電源通過二極管D1向自舉電容C2充電。當PWM信號保持為低電平時，Q2可保持開通狀態(tài)，為電機提供剎車回路。

在半橋驅動電路和直流電機之間，串接的電流傳感器將流入電機的電流量轉換為電壓值，提供給DSC的ADCINA0端口進行監(jiān)測。

考慮到MOS場效應管關斷延時比開啟延時要長很多，為了縮短關斷時的不穩(wěn)定過程，減少開關損耗，在Q1和Q2的柵極電阻R1和R3上分別并聯(lián)一個反向的二極管D3和D4.同時，D4還可以避免在上端MOS管Q1快速導通時，下端MOS管Q3的柵極因耦合電壓上升而導致短路現象。

在Q1和Q2都關斷時，A點處于懸浮狀態(tài)，其電位不確定。當Q1導通時，A點電位又會變?yōu)?5V,而要驅動N溝道MOSFET管可靠導通，必須在柵極施加一個正電壓，使VGD>10~15V.因此，施加在Q1的柵極驅動電壓必須根據A點電位進行浮動。IR2183的浮動地引腳VS和芯片內部的高壓發(fā)生器與外部的自舉二極管和自舉電容一起形成一個自舉升壓電路，可為Q1提供可靠的導通電壓。本系統(tǒng)中D1和C2串聯(lián)形成了一個自舉電路。其中D1的電流額定值應大于等于MOS場效應管的門級電荷Qg與最高開關頻率的乘積。若最高開關頻率為100kHz,則對于IRF640來說，D1的額定電流值應大于5.8mA.同時為了減小自舉電容C2儲存的電荷損耗，應當選擇高溫反向漏電流小的超快恢復二極管。

由于電解電容存在有漏電流的問題，因此要盡量避免使用電解電容作為自舉電容。同時最小自舉電容的容值可根據公式1來計算：

其中：

Qg = 高端MOS場效應管的柵極電荷

f = 工作頻率

ICbs（leak） = 自舉電容漏電流

Iqbs（max） = 最大VBS靜態(tài)電流

VCC = 邏輯電路部分的電源電壓

Vf = 自舉二極管的正向壓降

VLS = 低端場效應管的導通壓降

VMin = VB與VS之間的最小電壓

Qls = 每個周期電平轉換所需要的電荷（對于600V的半橋驅動器，該參數通常為5nC）

系統(tǒng)可靠性設計

由于直流電機是感性負載，因此當Q1關斷時，負載的電流不能突變，會轉換到由Q2的續(xù)流二極管進行續(xù)流。由于在Q2的源極和漏極的電路引線上都存在有雜散電感Ls2和Ld2,如圖3所示。加上續(xù)流二極管的導通延時，導致VS端的電壓會負過沖到參考地（COM端）以下。IR2183可保證VS相對COM端有5V的負過沖能力。但如果超過5V,IR2183的高端輸出（HO）將被鎖定，而不響應輸入信號的控制。輕者導致電路功能發(fā)生暫時性的錯誤，重則使LO和HO輸出都為高，導致半橋短路而燒毀器件。

為避免這種情況的產生，在Q2的漏極和源極之間并聯(lián)一個二極管D5,用來增加一個短路續(xù)流通路，降低VS端對地的負過沖，同時電阻R5也可以減小負過沖時，流入VS引腳的電流，由于該電阻處于自舉電容的充電回路中，因此不宜過大，其阻值應小于5Ω。另外，適當選取自舉電容的容值也可以有效避免VS的負過沖，通常建議自舉電容的容值要大于0.47μF,并且電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）越小，也越有助于避免Vbs的負過沖。

同時，在芯片的COM引腳和Q2的漏極之間設計了一個限流電阻R6.當VS負過沖超過Vbs導致VB電平低于COM時，該電阻可抑制流入COM引腳的電流，防止因芯片內部COM端到VB端的寄生二極管導通，而造成HO的鎖定。

軟件設計

本系統(tǒng)軟件采用C語言在TI公司提供的DSP集成編譯器CCS3.3環(huán)境下編寫。根據系統(tǒng)總體設計可知，系統(tǒng)軟件需要根據所設定的轉速，控制DSC輸出相應的PWM信號，并實時監(jiān)控電機的實際轉速。根據檢測到的轉速，計算出實際轉速與預設轉速的誤差。然后根據這個誤差，采用增量PI算法，得出PWM 控制信號的修正量，實時修正PWM信號的占空比，使直流電機的轉速迅速達到設定的轉速并保持穩(wěn)定。與此同時，DSC 還要通過ADCINA0通道，定時檢測流入直流電機的電流值，當該電流超出電機的額定電流時，立即關閉PWM輸出，停止向直流電機供電，防止因工作在過流狀態(tài)而燒毀電機。軟件流程如圖4所示。

PWM信號采用TMS320F2810的事件管理器A（EVA）的通用定時器1產生。由事件管理器B（EVB）的通用定時計數器3對直流電機的正交編碼信號進行計數，并由通用定時器4每隔30ms讀取T3CNT的計數值。在通用定時器4的周期中斷函數中，程序計算出電機的當前旋轉速度，根據這個速度計算出當前電機的速度偏差e（k）。將該偏差和前一次速度偏差e（k-1）一起代入PI函數計算PWM調整增量ΔUcmp.該增量值加上當前的PWM占空比Ucmp后，寫入比較寄存器T1CMPR中，調整PWM信號輸出的占空比。在接下來的一個周期中，2810的T1PWM_T1CMP引腳將按照新的占空比輸出PWM信號。采用事件管理器A的通用定時器2定時啟動ADC模塊進行模數轉換，在ADC中斷函數中，根據公式：

計算出電流值。根據計算結果判斷是否要關閉PWM輸出。

總結

本系統(tǒng)采用國際整流器公司的半橋驅動器IR2183,設計了一個半橋驅動電路，能夠實現對大功率直流電機的驅動。采用TI公司推出的高性能32位實時數字信號控制器（DSC）TMS320F2810,對電機的轉速和電流參數進行實時監(jiān)控，并采用增量PI算法動態(tài)調整PWM控制信號，實現了對直流電機安全高效的實時控制。本系統(tǒng)在保證高可靠性的前提下，充分兼顧了低成本和高性能這兩方面的需求。

目前直流電機在地鐵、電動車、礦山、電梯、造紙印刷、船舶機械、精密機床中都得到了廣泛的應用。本系統(tǒng)在上述工業(yè)自動化領域有著廣闊的應用前景。

參考文獻：

[1] IR2183 Datasheet[Z/OL].

[2] TMS320F2810 Datasheet[Z/OL].

[3] 任志斌。電動機的DSP控制技術與實踐[M].北京：中國電力出版社，2012