PAGEPAGE643.7功率驅(qū)動(dòng)電路3.7.1直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口電路1、直流電機(jī)電樞的調(diào)速原理依據(jù)電機(jī)學(xué)可知，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式為：ｎ=（Ｕ—ＩＲ）/（ＫΦ）(3.7.1)式中Ｕ——電樞端電壓；Ｉ——電樞電流；Ｒ——電樞電路總電阻；Φ——每極磁通量；Ｋ——電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。由式(3.7.1)可知，直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速把握方法可分為兩大類：對(duì)勵(lì)磁磁通進(jìn)行把握的勵(lì)磁把握法，和對(duì)電樞電壓進(jìn)行把握的電樞把握法。其中勵(lì)磁把握法在低速時(shí)受磁極飽和的限制，在高速時(shí)受換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，并且勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，所以這種把握方法較少使用?，F(xiàn)在，大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合都使用電樞電壓把握法。本節(jié)介紹的是在保證勵(lì)磁恒定不變的狀況下，接受PWM來(lái)實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法。在對(duì)直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓的把握和驅(qū)動(dòng)中，半導(dǎo)體功率器件在使用上可以分為兩種方式：線性放大驅(qū)動(dòng)方式和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。在線性放大驅(qū)動(dòng)方式，半導(dǎo)體功率器件工作在線性區(qū)，優(yōu)點(diǎn)是：把握原理簡(jiǎn)潔，輸出波動(dòng)小，線性好，對(duì)鄰近電路干擾小。但是功率器件工作在線性區(qū)，效率低和散熱問(wèn)題嚴(yán)峻。開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈寬調(diào)制（PWM）來(lái)把握電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的把握。圖3.7.1.PWM調(diào)速把握原理和電壓波形圖直流電動(dòng)機(jī)PWM調(diào)速把握原理圖和輸入輸出電壓波形如圖3.7.1所示。在圖3.7.1(a)中，當(dāng)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平常，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端有電壓US。t1秒后，驅(qū)動(dòng)信號(hào)變?yōu)榈碗娖?，開(kāi)關(guān)管截止，電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓為0。t2秒后，驅(qū)動(dòng)信號(hào)重新變?yōu)楦唠娖?，開(kāi)關(guān)管的動(dòng)作重復(fù)前面的過(guò)程。對(duì)應(yīng)輸入電平的凹凸，直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端的電壓波形如圖3.7.1(b)所示。電動(dòng)機(jī)的電樞繞組兩端的電壓平均值UO為：UO=(t1×US+0)/(t1+t2)=(t1×US)/T=DUS(3.7.2)式中D為占空比,D=t1/T。占空比D表示了在一個(gè)周期T里開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值。D的變化范圍為0≤D≤1。由式(3.7.2)可知，當(dāng)電源電壓US不變的狀況下，電樞兩端電壓的平均值UO取決于占空比D的大小，轉(zhuǎn)變D值也就轉(zhuǎn)變了電樞兩端電壓的平均值，從而達(dá)到把握電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，即實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速。在PWM調(diào)速時(shí)，占空比D是一個(gè)重要參數(shù)。轉(zhuǎn)變占空比的方法有定寬調(diào)頻法、調(diào)寬調(diào)頻法和定頻調(diào)寬法等。在定頻調(diào)寬法，同時(shí)轉(zhuǎn)變t1和t2，但周期T（或頻率）保持不變。2、直流電機(jī)電樞調(diào)速的電路設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主要用來(lái)把握直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)速度。轉(zhuǎn)變直流電動(dòng)機(jī)兩端的電壓可以把握電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。把握直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，有不同的方案。競(jìng)賽中對(duì)玩具電機(jī)把握，可以接受由小功率三極管8050和8550組成的H型PWM電路。圖3.7.2直流電動(dòng)機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)電路直流電動(dòng)機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)電路如圖3.7.2所示，電路接受功率三極管8050和8550，以滿足電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間的大電流要求。當(dāng)Iso/DcOut1輸入為低電平，Iso/DcOut2輸入為高電平常，晶體管功率放大器Q9、Q8導(dǎo)通，Q10、Q7截止。Q9、Q8與直流電機(jī)一起形成一個(gè)回路，驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)Iso/DcOut1輸入為高電平，Iso/DcOut2輸入為低電平常，晶體管功率放大器Q9、Q8截止，Q10、Q7導(dǎo)通，Q10、Q7與直流電機(jī)形成回路，驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)。四個(gè)二極管起到愛(ài)護(hù)晶體管的作用。功率晶體管接受P521光耦器驅(qū)動(dòng)，將把握部分與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部分隔離。光耦器的電源VCC為＋5V，H型驅(qū)動(dòng)電路中晶體管功率放大器Q9、Q10的放射極所加的電源為12V。3、FPGA產(chǎn)生PWM波形利用FPGA產(chǎn)生PWM波的VHDL程序如下：libraryIEEE;useIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;useIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;useIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;entitydriver_pwmisPort(clk:instd_logic;reset:instd_logic;sel:instd_logic_vector(1downto0);speed:instd_logic_vector(2downto0);pwm_out_P:outstd_logic; pwm_out_N:outstd_logic);enddriver_pwm;architectureBehavioralofdriver_pwmissignalcoefficent:integer;signalreg_pwm_N,reg_pwm_P:std_logic;beginprocess(speed)begin casespeediswhen"001"=>coefficent<=15000000;when"010"=>coefficent<=10000000;when"100"=>coefficent<=2000000;whenothers=>coefficent<=2000000; endcase; endprocess; process(clk,reset,coefficent,sel) variablecnt:integer; begin ifreset='0'then cnt:=0; reg_pwm_P<='1'; reg_pwm_N<='1';elsifclk'eventandclk='1'then cnt:=cnt+1;ifcnt=20000000then cnt:=0; endif; ifcnt<=coefficentthen reg_pwm_P<='1'; reg_pwm_N<='1'; else reg_pwm_P<='0'; reg_pwm_N<='0'; endif; endif; ifsel="01"then pwm_out_P<=reg_pwm_P; pwm_out_N<='Z'; elsifsel="10"then pwm_out_P<='Z'; pwm_out_N<=reg_pwm_N; else pwm_out_P<='Z'; pwm_out_N<='Z'; endif; endprocess; --pwm_out_P<=reg_pwm_Porsel(0); --pwm_out_N<=reg_pwm_Norsel(1);endBehavioral;PWM波形的仿真圖如圖3.7.3和圖3.7.4所示。從仿真圖中可清楚的看到有四個(gè)輸入：系統(tǒng)時(shí)鐘輸入clk、復(fù)位信號(hào)reset（復(fù)位信號(hào)低電平有效）、速度（占空比）選擇按鈕圖3.7.3PWM波形的仿真圖圖3.7.4PWM波形的仿真圖speed和檢測(cè)信號(hào)輸入端sel；兩個(gè)輸出：PWM_out_p(把握電機(jī)正轉(zhuǎn)信號(hào))、PWM_out_n(把握電機(jī)反轉(zhuǎn)信號(hào))。圖3.7.3中，當(dāng)reset=’1’時(shí)，轉(zhuǎn)變speed的輸入值，輸出信號(hào)的占空比也相應(yīng)的得到了轉(zhuǎn)變，也就是轉(zhuǎn)變了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電壓從而轉(zhuǎn)變電機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度。比較圖3.7.3和圖3.7.4，與sel的輸入對(duì)應(yīng)的那個(gè)輸出端有信號(hào)輸出。3．7．2、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路1．步進(jìn)電機(jī)工作原理及工作方式簡(jiǎn)介步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子為多極分布，定子上嵌有多相星形連接的把握繞組，由特地電源輸入電脈沖信號(hào)，每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子就旋轉(zhuǎn)一步。由于輸入的是脈沖信號(hào)，輸出的角位移是斷續(xù)的，所以又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類很多，按結(jié)構(gòu)可分為反應(yīng)式、永磁式和混合式步進(jìn)電機(jī)三種；按相數(shù)分則可分為單相、兩相和多相三種。假如給處于錯(cuò)齒狀態(tài)的相通電，則轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下，將向?qū)Т怕首畲螅ɑ虼抛枳钚。┑奈恢棉D(zhuǎn)動(dòng)，即趨于對(duì)齒的狀態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)。下面以三相步進(jìn)電機(jī)為例，對(duì)三相步進(jìn)電機(jī)的單、雙三拍通電方式和六拍工作方式的原理介紹。（1）三拍工作方式三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)假如按A—B—C—A方式循環(huán)通電工作，稱為單三拍工作方式。在單三拍方式工作時(shí)，各相通電的波形如圖3.7.5所示。圖3.7.5在單三拍工作方式時(shí)的相電壓波形（2）雙三拍工作方式在雙三拍工作方式中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)的通電的挨次為：AB—BC—CA；反轉(zhuǎn)的通電挨次為：BA—AC—CB。在雙三拍方式，各相通電的波形如圖3.7.6所示。圖3.7.6在雙三拍工作方式時(shí)的相電壓波形（3）六拍工作方式六拍工作方式是接受單三拍與雙三拍交替使用的一種方法，也稱作單雙六拍或1—2相勵(lì)磁法。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)通電挨次為：A—AB—B—BC—C—CA；反轉(zhuǎn)通電挨次為：A—AC—C—CB—B—BA。在用六拍方式工作時(shí)，各相通電的波形如圖3.7.7所示。圖3.7.7六拍工作方式時(shí)的相電壓波形2.步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有很多種，主要有單電壓驅(qū)動(dòng)、雙電壓驅(qū)動(dòng)、斬波驅(qū)動(dòng)、細(xì)分驅(qū)動(dòng)、集成電路驅(qū)動(dòng)等，使用要依據(jù)實(shí)際狀況選擇使用。下面介紹單電壓驅(qū)動(dòng)和集成電路驅(qū)動(dòng)方式。單電壓驅(qū)動(dòng)單電壓驅(qū)動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)繞組在工作時(shí)，只接受一個(gè)電壓電源對(duì)繞組供電，如圖3.7.8所示，特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)潔。電路中的限流電阻R打算了時(shí)間常數(shù)，但R1太大會(huì)使繞組供電電流減小，會(huì)使電動(dòng)機(jī)的高頻性能下降。在R1兩端并聯(lián)一個(gè)電容，可以使電流的上升波形變陡，改善高頻特性，但又會(huì)使低頻特性變差。同時(shí)R1要耗能，效率較低。圖3.7.7單電壓步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路集成電路驅(qū)動(dòng)目前已有多種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路芯片，大多將驅(qū)動(dòng)電路和愛(ài)護(hù)電路集成在一起，下面介紹小功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)芯片UCN5804B的功能和應(yīng)用。UCN5804B集成電路芯片適用于四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單極性驅(qū)動(dòng)，輸出最大電流為1.5A，電壓為35V，內(nèi)部集成有驅(qū)動(dòng)電路、脈沖安排器、續(xù)流二極管和過(guò)寵愛(ài)護(hù)電路，可以工作在單四拍、雙四拍和八拍方式，上電自行復(fù)位，可以把握轉(zhuǎn)向和輸出訪能。UCN5804B的典型應(yīng)用電路如圖3.7.8所示。該芯片的各引腳功能為：引腳4、5、12、13接地；引腳1、3、6、8為輸出引腳，與電動(dòng)機(jī)各相連接；引腳14把握電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，其中低電平為正轉(zhuǎn)，高電平為反轉(zhuǎn)；引腳11是步進(jìn)脈沖的輸入端；引腳9、10打算工作方式，其真值表如表3.7.1所示。在圖3.7.8所示電路中，每?jī)上嗬@組共用一個(gè)限流電阻。由于繞組間存在互感，繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可能會(huì)使芯片的輸出電壓為負(fù)，導(dǎo)致芯片有較大電流輸出，發(fā)生規(guī)律錯(cuò)誤。因此，需要在輸出端串接肖特基二極管。圖3.7.8UCN5804B應(yīng)用電路表3.7.1引腳9、10真值表工作方式引腳9腳10腳雙四拍00八拍01單四拍10禁止113．7．3、繼電器電路典型的電磁繼電器驅(qū)動(dòng)電路如圖3.7.9所示。其中RL為負(fù)載。圖3.7.9典型的繼電器驅(qū)動(dòng)電路3．7．4、固態(tài)繼電器電路1.固態(tài)繼電器簡(jiǎn)介固態(tài)繼電器（SSR）是一種無(wú)觸點(diǎn)通斷型電子開(kāi)關(guān)，是一種四端有源器件，其中兩個(gè)端子為把握輸入端，另外兩個(gè)端子為輸出受控端。為實(shí)現(xiàn)輸入與輸出之間的電氣隔離，器件接受高耐壓的專用光耦合器。當(dāng)輸入信號(hào)有效時(shí)，主電路呈導(dǎo)通狀態(tài)；無(wú)信號(hào)時(shí)，呈阻斷狀態(tài)。可以實(shí)現(xiàn)類似電磁繼電器的開(kāi)關(guān)功能。SSR是將MOSFET、GTR、一般晶閘管或雙向晶閘管等組合在一起，與觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路封裝在一個(gè)模塊中，而且驅(qū)動(dòng)電路與輸出電路隔離。SSR可以分為直流把握直流輸出SSR、溝通把握溝通輸入輸出SSR、直流把握溝通輸出SSR。溝通SSR又有單相和三相之分。安裝方式有印刷方式安裝和平面安裝方式。印刷安裝方式的直流把握直流輸出SSR的外形如圖3.7.10所示。圖3.7.10直流把握直流固態(tài)繼電器外形2.固態(tài)繼電器使用留意事項(xiàng)（1）對(duì)印制板安裝式的SSR，在布置印制板的輸入把握與輸出功率線時(shí)，應(yīng)充分考慮到輸入與輸出間絕緣電壓的要求，輸入與輸出線之間應(yīng)留有充分的絕緣距離。（2）使用平面安裝式固態(tài)繼電器時(shí)，應(yīng)確保所使用安裝表面的平面度小于0.2mm，其表面應(yīng)光滑，表面粗糙度應(yīng)小于0.8μm。（3）SSR的把握方式有過(guò)零把握及移相把握兩種，用戶使用時(shí)要正確的選用型號(hào)，以免搞錯(cuò)，使用移相把握的溝通固態(tài)繼電器時(shí)，應(yīng)留意對(duì)電網(wǎng)的諧波影響，必要時(shí)應(yīng)接入串聯(lián)濾波器。（4）選用SSR要留有足夠的安全裕量，以防負(fù)載短路或瞬時(shí)過(guò)電壓引起的沖擊，并應(yīng)在輸出端與負(fù)載之間串聯(lián)適量的快速熔斷器，在把握感性負(fù)載或容性負(fù)載時(shí)，肯定要考慮負(fù)載的啟動(dòng)特性。（5）對(duì)