直流电机控制电路

出处:维库电子市场网 发布于:2023-07-17 15:44:15 | 8110 次阅读

    直流电机控制
    直流电机是所有小型电机中最常见且最便宜的。在本文中,术语“直流电机”特指电刷换向永磁电机。直流电机广泛应用于汽车、消费和工业市场领域。无刷直流 (BLDC) 电机有望提高可靠性、降低噪音并可能降低成本。然而,BLDC 电机仅在少数专用大容量应用(磁盘驱动器和计算机风扇)中取代了传统直流电机。
    直流电机的特性使其成为最容易在变速系统中使用的电机。扭矩速度特性如图1所示。直流电机的空载速度与施加在电机上的电压成正比。驱动恒转矩负载、线性负载或指数负载的直流电机的电压-速度特性也是连续的、正斜率的和可预测的。因此,在大多数情况下使用开环控制是可行的。    通过简单地改变电机两端的电压,就可以控制电机的速度。脉冲宽度调制 (PWM) 可用于改变施加到电机的电压。施加到电机的平均电压与 PWM 占空比成正比(忽略电机电感和不连续操作的二阶效应)。

    一个基本示例提供了使用 F3xx MCU 对直流电机进行简单的速度控制。此示例使用 ADC 读取电位器的位置,并使用 PCA 8 位 PWM 模式输出相应的 PWM 信号。硬件配置如图2所示。
    单个 N 沟道功率 MOSFET Q1 用于驱动直流电机。应根据特定的电机电压和电流要求选择功率 MOSFET。续流二极管 D1 连接在直流电机两端。当MOSFET关断时,流过电机电感的电流将继续流动。MOSFET 漏极电压将升至比电机电源电压高出一个二极管压降。然后电流将流过续流二极管。    大多数低压电机驱动电路都采用肖特基功率整流器作为续流二极管。肖特基整流器具有低正向电压和非常快的反向恢复时间。两者都是电机驱动应用中的重要因素。

    图2:直流电机驱动电路
    功率 MOSFET 由反相栅极驱动器驱动。'F300 的端口引脚默认配置为启用 100 kW 弱上拉的输入。端口引脚将保持高电平,直到配置端口并启用交叉开关和外设。当复位引脚保持低电平时,端口引脚也将被配置为启用弱上拉的输入。通过使用反相驱动器,功率晶体管将在默认状态下关闭。如果使用同相驱动器,则应在端口引脚和地之间连接一个 10 kW 的下拉电阻。
    栅极驱动器应具有 3V 兼容输入电平阈值,以便与 3V 微控制器一起使用。如果电机电压介于 5 V 和 15 V 之间,则可以直接通过电机电源电压为栅极驱动器供电。如果电机电压高于 15V,则需要单独的栅极驱动电源电压,通常为 5V 或 12V。当栅极驱动电源电压低于 10V 时,应使用逻辑电平功率 MOSFET。
    该软件非常简单。main () 函数初始化时钟、端口和外设,并进入while(1) 循环。while(1) 循环使用avgADC()函数读取电位器电压值 ,并将该值输出到 8 位 PWM。
    PORT_Init () 函数配置端口 I/O、外设并启用数字交叉开关。此处,启用 8 位 PWM 的输出和栅极驱动的推挽输出。
    系统时钟 SYSCLK 配置为以 24.5 MHz 的最大速度运行,这使得 8 位 PWM 的时钟周期为 160 ns,频率为 24 kHz。
    ADC0_Init () 函数将 ADC 配置为轮询模式。ADC 增益设置为 1,并为 ADC 时钟选择 1 MHz 的保守频率。请务必记住初始化参考电压并将 ADC 配置为使用 VDD 进行满量程。
    函数readADC() 使用轮询模式读取一次电压并返回 ADC 值。avgADC()函数 调用readADC()函数并返回 64 个样本的平均值。对 ADC 读数进行平均可最大程度地减少噪声影响并减少 PWM 输出中的抖动。    当使用 PCA 8 位 PWM 模式时,在 CEX0 输出处,值 0x00 对应于 100% 的占空比,值 0xFF 对应于 0.39% 的占空比。通过清除 PCA0CPM0 SFR 中的 ECOM0 位可以实现 0% 的占空比。

    当使用反相驱动器时,关系相反。值 0x00 对应于 MOSFET 栅极上的 0% 占空比,值 0xFF 对应于 99.6% 占空比。为简单起见,本白皮书中使用 8 位 PWM 的所有软件示例均限制为 99.6% PWM。
    在某些情况下,需要 100% 的占空比。100% 占空比将有效消除开关损耗。由于 MOSFET 永远不会关闭,因此 MOSFET 中没有开关损耗,二极管中也没有损耗。唯一的功率损耗是功率 MOSFET 中的传导损耗。如果预计电机大部分时间都在全速运行,则最大占空比最好为 100%。通过清除 PCA0CPM0 SFR 中的 ECOM0 位可以实现 100% 的占空比。
    图3:直流电机全桥电路
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