直流電機驅動電路的設計

　　驅動電路的性能很大程度上影響整個系統的工作性能。有許多問題需要慎重設計，例如，導通延時、泵升保護、過壓過流保護、開關頻率、附加電感的選擇等。

1.開關頻率和主回路附加電感的選擇

　　力矩波動也即電流波動，由系統設計給定的力矩波動指標為ΔI/I_N，對有刷直流電動機而言，通常在(5~10)%左右。為了便于分析可認為

　　ΔI/I_N=ΔI/(U_s/R_d)                                  (1)

　　式中R_d為電樞回路總電阻。代入前面各種驅動控制方式的ΔI表達式中，消去U_s，可求出：

　　對于單極性控制

               L_d/R_d≥5T~2.5T(可逆或不可逆)                              (2)

　　對于雙極性控制

               L_d/R_d≥10T~5T                                            （3）

　　式中T為功率開關的開關周期。

　　對于有刷直流電動機，電磁時間常數L_d/R_d一般在10ms至幾十毫秒。若采用GTR，開關頻率可取2KHz左右，T=0.5ms。若采用IGBT，開關頻率可取18KHz以上，所以上式均能滿足。若采用GTO或可控硅功率器件，由于工作頻率只有100Hz左右，此時應考慮在主回路附加電抗器，且

                             L_d=L_f+L_a                                    (4)

　　對不可逆系統還應進一步檢查臨界電流，I_aL=U_sT/8L_d≤I_a0應小于電機空載電流，防止空載失控。

　　對于低慣量電機、力矩電動機，由于電磁時間常數很小（幾個毫秒或更小），此時應考慮采用開關頻率高的IGBT功率開關器件。

2. 功率驅動電路的選擇

             圖1 H橋開關電路(Ⅰ)                             圖2 H橋開關電路(Ⅱ){{分頁}}

　　小功率驅動電路可以采用如圖1所示的H橋開關電路。U_A和U_B是互補的雙極性或單極性驅動信號，TTL電平。開關晶體管的耐壓應大于1.5倍U_s以上。由于大功率PNP晶體管價格高，難實現，所以這個電路只在小功率電機驅動中使用。當四個功率開關全用NPN晶體管時，需要解決兩個上橋臂晶體管(BG₁和BG₃)的基極電平偏移問題。圖2中H橋開關電路利用兩個晶體管實現了上橋臂晶體管的電平偏移。但電阻R上的損耗較大，所以也只能在小功率電機驅動中使用。

　　當驅動功率比較大時，一般橋臂電壓也比較高，例如直接取工頻電壓，單相220V，或三相380V。為了安全和可靠，希望驅動回路（主回路）與控制回路絕緣。此時，主回路必須采用浮地前置驅動。圖3所示的浮地前置驅動電路都是互相獨立的，并由獨立的電源供電。由于前置驅動電路中采用了光電耦合，使控制信號分別與各自的前置驅動電路電氣絕緣，于是使控制信號對主回路浮地（或不共地）。

圖3 大功率驅動電路

3. 具有光電耦合絕緣的前置驅動電路

　　對于大功率驅動系統，希望將主回路與控制回路之間實行電氣隔離，此時常采用光電耦合電路來實現。有三種常用的光電耦合電路如圖4所示，其中普通型的典型型號是4N25、117等，高速型的典型型號有985C，高電流傳輸比型也稱達林頓型，典型型號有113等。

圖4 典型光電耦合器電路{{分頁}}

　　圖中，普通型光耦的I_c/I_d=0.1~0.3；高速型光耦采用光敏二極管；高電流傳輸比型光耦的I_c/I_d=0.5；它們的上升延時時間和關斷延時時間分別為t_r，t_s>4~5µs；t_r，t_s<1.5µs；t_r，t_s為10µs左右。

　　光電耦合器與后續電路結合就能構成前置驅動電路，如圖5所示。這個前置驅動電路的上升延時t_r——3.9µs，關斷延時t_s——1.6µs，可以在中等功率系統中使用。

圖5 前置驅動電路

　　為了對功率開關提供最佳前置驅動，現在已有很多專用的前置驅動模塊。這種驅動模塊對功率開關提供理想前置驅動信號，保證功率開關迅速導通，迅速關斷，對功率開關的飽和深度進行最佳控制，對功率開關的過電流、過熱進行檢測和保護。例如，EX356、EX840等等。

4. 防直通導通延時電路

　　對H橋驅動電路上下橋臂功率晶體管加互補信號，由于帶載情況下，晶體管的關斷時間通常比開通時間長，這樣，例如當下橋臂晶體管未及時關斷，而上橋臂搶先開通時就出現所謂“橋臂直通”故障。橋臂直通時電流迅速變大，造成功率開關損壞。所以設置導通延時，是必不可少的。圖6是導通延時電路及其波形。

圖6 導通延時電路及波形

　　導通延時，有時也稱死區時間，可通過RC時間常數來設置；對GTR可按0.2µs/A來設置；對MOSFET可按0.1~0.2µs設計，且與電流無關，IGBT可按2~5µs設計。舉例說明，若為GTR，f=5kHz，雙極性工作，調寬區域為T/2=1/10=0.1ms。若I=100A，則Δt=0.2X100=20µs，則PWM調制分辨率最大可能性為

                       (T/2)Δt=0.1/0.02=5                                 (5)

　　這說明死區時間占據了調制周期的1/5，顯然是不可行的。所以對于100A的電機系統，GTR的開關頻率必須低于5kHz。例如，2kHz以下，此時分辨率達12.5左右。

    驅動電路的設計還有很多問題，例如過壓、過流、過熱、泵升保護等等。