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DC有刷电机驱动硬件电路
DC电机通常指直流有刷电机,有着控制方式简单,调速性能优良,成本低的特点,其市场占有率非常高;在家电及工具领域有着大量的应用;其种类按照电压来分为低压直流电机和高压直流电机,其控制方式大体相同。
- DC电机概述
DC电机通常指直流有刷电机,有着控制方式简单,调速性能优良,成本低的特点,其市场占有率非常高;在家电及工具领域有着大量的应用;其种类按照电压来分为低压直流电机和高压直流电机,其控制方式大体相同。典型电路如下:
N-MOS 低端驱动电路
由于电机产品一般电流较大,基本采用MOS管驱动,采用N-MOS管低端驱动控制简单,成本低,应用范围广。
- 原理图
- 电路原理分析
若Q3控制极电压VGS<3V时:当MCU给出控制信号EN为高时,通过R6使Q3的G极电压为高,MOS管处于导通状态,电机工作;当MCU给出的控制信号为低时,Q3的G极积累的电荷通过D6快速释放,使得Q3快速截止;(一般大功率MOS管G极结电容比较大,开启的高电平充电后,释放需要时间,D6快速释放电荷,达到快速关闭MOS管的效果,从而降低开关损耗),电机通过D2进行电流续流释放能量;
若Q3控制极电压VGS>3V时:当MCU给出控制信号EN为低时,TR1截止,电源通过R28与R7分压得到9V的G极电压,使得MOS 管Q3导通,电机工作,当MCU为高时,TR1导通,Q3的G极被下拉到接近0V,使得Q3快速截止,电机通过D2进行电流续流释放能量。
- 参数选型及分析:
- 应用场合说明:
该电路应用于常规的低压DC直流电机,对于开关损耗无严格要求的电路,若在无调速要求或低速要求控制下,可省略D6
- 注意事项:
应用时,应根据电源及电机负载特性,根据备注中合理选择D2和Q3值;同时对于调速要求应用中,需要注意静态损耗和开关损耗带来的温升。
P-MOS 高端驱动电路
P-MOS高端驱动一般应用于较小的电机负载电路,因大功率的P-MOS成本比N-MOS高,所以在大功率驱动电路应用较少。
- 原理图
- 电路原理分析
当IO口为低或者高阻态时,TR1截止,R2上拉到电源时,使得Q2的VGS=0V,Q2截止,电机无输出;当IO口为5.5V/3.3V时,TR1饱和导通,Q2栅极G电压拉到0.3V以下,VGS=-17.7V,Q2饱和导通;Q2从导通到关闭过程,通过D4续流。
- 参数选型及分析:
- 应用场合说明:
该电路应用于常规的低压小功率DC直流电机电路,正逻辑驱动;
- 注意事项:
使用时,注意电源电压不能大于MOS管的VGS最大值;并注意静态损耗和开关损耗带来的温升;P-MOS成本因素也得在实际项目中进行考量。
推挽驱动电路
推挽输出主要针对功率较大的电机驱动应用,能够提供较好的速度调节,减少开关损耗,较高的效率;典型应用电路有两种,一种采用P-MOS与N-MOS对管直接驱动,另一种是采用双N-MOS管加预驱动电路(IC)实现;前者因P-MOS管成本问题,往往应用于小功率,若需要采用,参考本文前两个高低端驱动案例即可;后者则在大功率驱动电路中有较明显的优势;
原理图:
- 电路原理分析:
U1(IRS2301)为预驱动芯片,内部集成了死区时间控制模块(避免上下MOS管同时导通),与外部R1,D1,C10组成自举升压电路,驱动上管Q1的可靠导通;当H_IN为低,L_IN为高时,电源通过电机M2,Q4开启工作;当H_IN为高,L_IN为低时,Q4关闭,电机M2通过Q1续流释放能量,不断调整H_IN/L_IN的占空比实现速度调节;
- 电路参数选型及分析
符号 | 元件名称 | 参考型号 | 备注 |
Q1、Q4 | 场效应管 | N-MOSFET TO-220 120A/75V STP160N75F3 | 根据电机功率大小选择,有调速要求情况下需注意开关频率大于载波频率 |
M2 | 电机 | 18V 300W | |
R4,R9 | 贴片电阻 | 0603 1M J 1/10W | 上下拉电阻用于非工作状态情况下避免导通; |
D3,D5 | 贴片稳压二极管 | ZEN SOT-23 20V 5% 0.35W BZX84C20V | MOS管栅极电压保护,根据实际情况可以考虑去掉 |
C2 | 贴片电容 | 0603 1N 50V M | 改善G极信号上升沿过冲尖峰 |
R5,R8 | 贴片电阻 | 0603 100R J 1/10W | 用于防止快速开关时di/dt而产生震荡 |
C10 | 贴片铝电解电容 | SMD4*5.5 4U7 M 25VDC | 自举电容,也可以选用贴片陶瓷电容,容量计算参考实际U1数据手册 |
D1 | 贴片开关二极管 | SW SOD-323S 1N4148WS | 自举二极管,也可以选择肖特基 |
R1 | 贴片电阻 | 0603 100R J 1/10W | 自举限流电阻, 有时可以去掉 |
C1 | 贴片电容 | 0603 100N K X7R 50VDC | 电源退耦电容 |
U1 | 贴片驱动IC | DRIVER SOIC8N IRS2301STRPBF | 也可以选用性价比较高的FD2204D |
- 应用场合说明:
该电路能应用于所有的DC直流电机驱动电路(负载电压<600V),正逻辑驱动
- 注意事项
使用时,注意静态损耗和开关损耗带来的温升,可根据负载大小,MOS管的Tj,Pj与热阻Rj等参数评估温升;
H桥电路驱动
H桥驱动电路一般用于有正反转要求和调速要求的电路,在小功率电路中往往采用全集成芯片更具有优势,如L9110;大功率则需要以下驱动电路实现;
- 原理图:
- 电路原理分析:
电机开启过程与应用3推挽驱动类似,转向反转需要靠H桥来完成,Q5,Q6,Q7,Q8组成的H桥电路,当Q5,Q8导通时,电机M4正转,关闭Q8,开启Q6,Q7,电机通过 Q6,Q7续流;与前文类似,实现PWM调速;当Q6,Q7导通时,Q8,Q5截止时,电机反向运转,实现电机反转;
INA和INB分别控制H桥的左右两部分的开关,为高时开启上桥臂,低时开启下桥臂;
- 参数选型及分析
电路与案例3完全对称,仅驱动IC更换为高性价比的型号FD2204D。
- 应用场合:
该电路应用于所有DC直流电机驱动电路,多用于电钻,电动螺丝刀等类型产品
- 注意事项
使用时,在有运转反向要求的实际产品中,需要注意要换向带来的大电流切换问题,相应的增加MOS管的设计余量。
继电器+MOS管驱动电路
在空间允许的情况下,此类电路也应用于有正反转要求和调速需求的电路;此电路具备电路简单,成本相对低,温升低的优点,缺点:寿命偏低,抗震差,不适用于有易燃物场合使用。
- 原理图:
- 电路原理分析:
电机驱动及调速方式与电路1类似;电机的单刀双掷开关进行电流方向切换,从而电机实现正反转;
继电器K1在未吸合条件下,两个触点都接触到上方,电源VCC通过继电器1触点,经过电机M6,通过3触点,再经过导通的Q3实现电机正转;继电器吸合后,继电器K1两个触点都接触到下方,电源VCC通过继电器4触点,经过电机M6,通过2触点,在经过导通的Q3实现电机反转;信号Direction控制电机方向,Speed调整速度。
- 电路参数选型:
符号 | 元件名称 | 型号 | 备注 |
Q3 | N沟道MOS管 | N-MOSFET TO-220AB IRF1404ZPBF_75A/40V | 根据电机功率大小选择,有调速要求情况下需注意开关频率大于载波频率 |
M1 | 电机 | 18V 100W | |
D2 | 肖特基二极管 | SBD R-6 6A/800V LT6A06 | 电机续流二极管,反向耐压大于电源+反电势,一般需要3倍电源 |
R6 | 贴片电阻 | 0603 100R J 1/10W | 用于防止快速开关时di/dt而产生震荡 |
D6 | 贴片肖特基二极管 | SBD SOD-123 1A/40V 1N5819HW-7-F | 肖特基或快恢复二极管,管压降低最佳 |
R7,R26 | 贴片电阻 | 0603 100K J 1/10W | 下拉电阻用于非工作状态或IO高阻态情况下避免导通 |
TR1 | 贴片肖特基二极管 | NPN SOT-23 0.2A/40V MMBT3904L | |
R24 | 贴片电阻 | 0603 2K J 1/10W | 基极电阻原则为电流大于三极管饱和的基极电流,且在Ib之内 |
- 应用场合:
此电路应用有反向及调速功能要求情形;应用成本相对降低,低温升要求,抗震性能要求不高的场合,且不适合应用于易燃物场合。
- 注意事项:
继电器的使用寿命能否满足产品设计寿命;切换方向时,先关断MOS管Q3,然后再换继电器,开启则反之,能够增加电路使用寿命。
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