CN102522933A - 一种直流电机驱动电路 - Google Patents

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Abstract

一种直流电机驱动电路，包括H桥驱动电路、稳压电路、PWM驱动电路；稳压电路包括负压稳压电路和正压稳压电路，负压稳压电路输出一个相对于***供电电压具有固定压差的电压，用于产生P型MOS管导通所需的驱动电压；正压稳压电路用于产生N型MOS管导通所需的驱动电压；PWM驱动电路包括上桥臂PWM驱动电路和下桥臂PWM驱动电路。本发明由于无电荷泵，因此避免了由电荷泵带来的高压及振荡，降低了对驱动电路芯片耐压性能的要求，提高了整个电路的电磁兼容性。

Description

一种直流电机驱动电路
技术领域
本发明涉及一种直流电机驱动电路，主要针对COMS类型H桥电机驱动控制电路。
背景技术
直流电机作为无人机***执行机构的重要组成部分，用于实现无人机飞行姿态及速度的控制。控制直流电机的驱动电路通常采用H桥驱动电路实现。
图1所示即为通常所采用的H桥驱动电路，图中M1、M2、M3和M4是4个N型MOS管，MOTOR为直流电机，G1、G2、G 3和G4分别为N型MOS管的栅极驱动信号。该电路通过G1～G4上的PWM信号来控制电机，M1和M4同时导通时，电机向一个方向转动；M2和M3同时导通，则电机向反方向转动；M1和M3或者M2和M4禁止同时导通。
在使用图1中驱动电路时，为保证上桥臂NMOS管M1和M2能够正常开启，通常采用电荷泵电路(自举电路)来实现。该电路通过PWM振荡信号或集成控制芯片内固定振荡信号，产生高于输入电压的控制电压，使加在上桥臂M1和M2的导通控制信号(G1、G2)电压高于输入电压(28V)，从而使M1、M2处于饱和导通状态，否则上桥臂无法正常开启。
高速逻辑电路输出的PWM控制信号到达H桥电路时，通常要求对该信号进行隔离，以保证高速弱信号单元的电气特性尽可能不受到H桥驱动电路大功率器件及电机的影响。在进行隔离时，光耦芯片最为常用。
以上做法已被广泛采用，但仍存在如下的缺点：
(1)为确保H桥上桥臂MOS管M1和M2的正常通断，须使用电荷泵电路，导致驱动电路的设计复杂度提高，同时也加大了整个电路的体积；
(2)电荷泵电路在工作时会将MOS管栅极信号抬高到28V(输入电压)+Vgs(开启电压)以上，导致对驱动电路各芯片耐压值性能的要求提高，势必也会增加电路体积；
(3)电荷泵电路需要一个振荡信号来控制，若使用PMW信号作为该控制信号，则PWM信号的频率及占空比将会受到一定限制；若使用集成控制芯片内部振荡信号，则将给整个驱动电路的电磁兼容性造成一定影响；
(4)电荷泵电路的稳定输出有一定的时延，对于电机的快速启动有一定的影响；
(5)若使用高速光耦芯片进行隔离时，须使用单独的隔离电源为光耦芯片供电，既增加设计难度又增加电路体积。
发明内容
本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种无需电荷泵电路、结构简单的直流电机驱动电路。
本发明包括如下技术方案：
一种直流电机驱动电路，包括H桥驱动电路、稳压电路、PWM驱动电路；其特征在于：
H桥驱动电路包括由第一P型MOS管M1、第二P型MOS管M2组成的上桥臂、由第一N型MOS管M3和第二N型MOS管M4组成的下桥臂；第一P型MOS管M1的漏极与第一N型MOS管M3的漏极相连，第二P型MOS管M2的漏极与第二N型MOS管M4的漏极相连；电机跨接在上述漏极之间；第一P型MOS管M1、第二P型MOS管M2的源极与***供电电压相连；第一N型MOS管M3和第二N型MOS管M4的源极与***地相连；
稳压电路包括负压稳压电路和正压稳压电路，负压稳压电路输出一个相对于***供电电压具有固定压差的电压，用于产生P型MOS管导通所需的驱动电压；正压稳压电路用于产生N型MOS管导通所需的驱动电压；
PWM驱动电路包括上桥臂PWM驱动电路和下桥臂PWM驱动电路；PWM驱动电路在输入的PMW控制信号的控制下选择输出第一输出电压或第二输出电压；当PWM驱动电路输出第一输出电压时，相应的MOS管导通；当PWM驱动电路输出第二输出电压时，相应的MOS管截止；
上桥臂PWM驱动电路的输出电压与P型MOS管的栅极相连，上桥臂PWM驱动电路的第一输出电压为负压稳压电路输出的电压，上桥臂PWM驱动电路的第二输出电压为***供电电压；下桥臂PWM驱动电路的输出电压与N型MOS管的栅极相连，下桥臂PWM驱动电路的第一输出电压为正压稳压电路输出的电压，下桥臂PWM驱动电路的第二输出电压为***地。
所述PWM驱动电路为光耦隔离电路，包括上桥臂光耦隔离电路和下桥臂光耦隔离电路；CPU发出的PMW控制信号通过相应的光耦隔离电路驱动相应的MOS管；上桥臂光耦隔离电路使用***供电电源作为光耦的供电电源，负压稳压电路所输出的电压作为上桥臂光耦隔离电路的参考地；PWM1或PWM2控制信号与上桥臂光耦隔离电路的输入端相连；上桥臂光耦隔离电路的输出端与P型MOS管栅极相连；下桥臂光耦隔离电路使用正压稳压电路输出的电压作为光耦的供电电源，下桥臂光耦隔离电路的参考地接***地；PWM3或PWM4控制信号与下桥臂光耦隔离电路的输入端相连；下桥臂光耦隔离电路的输出端与N型MOS管栅极相连。
负压稳压电路采用LM79XX系列线性稳压芯片或隔离型DC/DC电源芯片实现。
负压稳压电路采用隔离型DC/DC电源芯片，隔离型DC/DC电源芯片的正向输入端接***供电电压，负向输入端接***地，正向输出端与***供电电压相连，负向输出端输出的电压作为负压稳压电路输出的电压。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明采用电压随动型稳压驱动电路，仅需通过简单改变MOS管类型即可实现。该方法既可实现H桥驱动电路的功能，又可以免去电荷泵电路及其带来的影响。电路简单可靠；本发明由于无电荷泵，因此避免了由电荷泵带来的高压及振荡，降低了对驱动电路芯片耐压性能的要求，提高了整个电路的电磁兼容性。
(2)本发明通过负压稳压电路输出一个相对于***供电电压具有固定压差的电压，实现电路简单；使PMOS管栅极电压随动于源极电压，能够确保P型MOS管开启电压稳定，符合PMOS管控制特性，稳定可靠；同时，降低了H桥驱动电路的复杂性，提高了H桥驱动电路的动态范围、启动特性及控制范围。
(3)本发明不必为光耦提供隔离电源供电，使光耦隔离电路更为简单。
(4)本发明使得整个驱动电路更为简单，所需芯片体积更小，有利于实现整个驱动电路的小型化。
附图说明
图1是常用H桥驱动电路基本组成图。
图2是本发明H桥驱动电路基本组成图。
图3是本发明负压稳压型电路的实现方式1原理图。
图4是本发明负压稳压型电路的实现方式2原理图。
图5是本发明实施例1电路原理图。
图6是本发明实施例2的PWM驱动电路原理图。
具体实施方式
如图2所示为本发明的H桥驱动电路，上桥臂的MOS管M1和M2类型为P型，下桥臂的MOS管M3和M4为N型；MOTOR为直流电机，G1、G2、G3和G4分别为MOS管的栅极驱动信号。PMOS管的漏极与NMOS管的漏极相接，组成H桥的半个桥臂。第一P型MOS管M1、第二P型MOS管M2组成的上桥臂、由第一N型MOS管M3和第二N型MOS管M4组成的下桥臂；第一P型MOS管M1的漏极与第一N型MOS管M3的漏极相连，第二P型MOS管M2的漏极与第二N型MOS管M4的漏极相连；电机跨接在上述漏极之间；第一P型MOS管M1、第二P型MOS管M2的源极与***供电电压相连；第一N型MOS管M3和第二N型MOS管M4的源极与***地相连。该电路通过G1～G4上的控制信号来控制电机转动，M1和M4同时导通时，电机向一个方向转动；M2和M3同时导通，则电机向反方向转动；M1和M3禁止同时导通，M2和M4禁止同时导通。
由P型MOS管特性可知，要维持其良好的导通状态，栅极驱动电压必须低于源极电压，故需要一个比源极电压低的电压。此电压应随动于输入电压，即控制电压应与输入电压间存在稳定的压差，以确保PMOS管能够处于稳定的饱和导通状态。在实际使用中，源极电压一般为***供电，不经过二次处理，若使用电源转换模块将源极电压转换为稳定的栅极供电电压，则在源极电压随***供电波动的情况下，栅极控制电压不随动，则控制信号无法控制上桥臂PMOS管的正常开启，使***的工作动态范围、控制驱动的精度及H桥驱动效率都受到影响，甚至可能导致PMOS管的损坏。
本发明采用负压稳压型电路产生PMOS管所需的驱动电压，负压稳压型电路可以提供稳定的负向压差，并具有稳定的随动特性。负压稳压型电路可采用例如LM79XX系列线性稳压芯片、隔离型DC/DC电源芯片等多种方法实现。
如图3所示是使用LM79XX芯片实现的电路图，负向稳压芯片A5的输入端IN与***地相连，芯片A5的GND端与28V***供电电压相连，并在两端并联电容C，A5输出电压VOUT为(28V-15V＝13V)，与***电压保持稳定的15V压差，输出端与***地间也并联电容C。
如图4所示是使用隔离型DC/DC电源芯片实现的电路图，隔离型DC/DC电源芯片的正向输入端VIN接***供电电压，负向输入端GND接***地，正向输出端VO+接***供电电压，负向输出端VOUT-与***电压保持稳定的15V压差。
PWM驱动电路包括上桥臂PWM驱动电路和下桥臂PWM驱动电路；PWM驱动电路在输入的PMW控制信号的控制下选择输出第一输出电压或第二输出电压；当PWM驱动电路输出第一输出电压时，相应的MOS管导通；当PWM驱动电路输出第二输出电压时，相应的MOS管截止；
上桥臂PWM驱动电路的输出电压与P型MOS管的栅极相连，上桥臂PWM驱动电路的第一输出电压为负压稳压电路输出的电压，上桥臂PWM驱动电路的第二输出电压为***供电电压；下桥臂PWM驱动电路的输出电压与N型MOS管的栅极相连，下桥臂PWM驱动电路的第一输出电压为正向稳压电路输出的电压，下桥臂PWM驱动电路的第二输出电压为***地。
实施例1
PWM1-PWM4为CPU输出控制信号，该信号经过PWM驱动电路进行电压变换，用于驱动H桥电路MOS管；本实施例的PWM驱动电路选用高速光耦芯片(例如，HCPL-0600)A1-A4进行隔离和电压变化，具体电路结构如图5所示。
PWM1信号接入光耦隔离芯片A1的正向输入端ANODE，A1的负向输入端CATHNODE与数字地相连，A1输出端的供电Vcc及光耦输出使能VE都与***电源电压相连，光耦隔离芯片A1的输出端VO使用电阻R1上拉至28V***供电电压，通过限流电阻R5后接入上桥臂PMOS管M1的栅极，M1的栅极与***电压之间并接TVS稳压二极管D1，A1输出的参考地与负向稳压源的输出电压相连。类似的，PWM2信号接入光耦隔离芯片A2的正向输入端ANODE，光耦隔离芯片A2的输出端VO使用电阻R2上拉至28V***供电电压，通过限流电阻R6后接入上桥臂PMOS管M2的栅极。
PWM3信号接入光耦隔离芯片A3的正向输入端ANODE，A3的负向输入端CATHNODE与数字地相连，A3输出端的供电Vcc及光耦输出使能VE都与正向稳压源输出电压相连，光耦隔离芯片的输出端VO使用电阻R3上拉至正压稳压电路输出的15V电压，通过限流电阻R7后接入下桥臂NMOS管M3的栅极，M3的栅极与***地之间并接TVS稳压二极管D3，A3输出的参考地与***地相连。类似的，PWM4信号接入光耦隔离芯片A4的正向输入端ANODE，光耦隔离芯片A4的输出端VO使用电阻R4上拉至正压稳压电路输出的15V电压，通过限流电阻R7后接入下桥臂NMOS管M3的栅极。
正向稳压电路采用LM7815(A6)芯片实现，A6的输入端IN与***供电电压28V相连，芯片GND端与***地相连，并在两端并联电容C，A6的输出电压为15V，输出端与***地间也并联电容C。
负压稳压电路采用LM7915芯片实现，当***电28V在18V-30V间波动时，LM7915能够确保输入电压28V与输出电压(28V-15V)间压差稳定在15V，控制PMOS管开启电压Vgs＝-15V，以确保电机工作时PMOS正常开启。
CPU发出控制信号PMW1～PWM4通过高速光耦隔离；上桥臂光耦使用28V***电供电，(28V-15V)作为参考地；既使电路简单，又为PMOS管的开启提供了稳定的开启电压；在实际使用中应在光耦隔离电路的输出信号与MOS管栅极间串接一个小电阻。下桥臂光耦使用15V供电，参考地即为***地GND。无需为该高速光耦芯片提供单独的隔离电源供电。
本实施例中MOS管开启电压Vgs均选为15V，并在各MOS管栅极与源极间并接TVS二极管保护MOS管。
实施例2
本实施例的PWM驱动电路选用继电器(普通继电器或固体继电器均可)实现，如图6所示，继电器正向输入端1脚与PWM控制信号相连，负向输入端8脚接数字地，继电器动点6脚接MOS管栅极，常闭点7接第一输出电压，常开点5脚接第二输出电压。对与本例来说，PWM1接入继电器正向输入端，继电器常闭点接***电压28V，常开点接负向稳压电路的输出(28V-15V)，动点接M1的栅极；PWM3同样接继电器正向输入，继电器常闭点7接***地，常开点接正向稳压电路的输出15V，动点接M3的栅极；PWM2及PWM4驱动电路的连接方式分别与PWM1和PWM2相同。
其他部分与实施例1基本相同。
另外，PWM驱动电路还可以采用其他形式的驱动电路。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种直流电机驱动电路，包括H桥驱动电路、稳压电路、PWM驱动电路；其特征在于：
H桥驱动电路包括由第一P型MOS管M1、第二P型MOS管M2组成的上桥臂、由第一N型MOS管M3和第二N型MOS管M4组成的下桥臂；第一P型MOS管M1的漏极与第一N型MOS管M3的漏极相连，第二P型MOS管M2的漏极与第二N型MOS管M4的漏极相连；电机跨接在上述漏极之间；第一P型MOS管M1、第二P型MOS管M2的源极与***供电电压相连；第一N型MOS管M3和第二N型MOS管M4的源极与***地相连；
稳压电路包括负压稳压电路和正压稳压电路，负压稳压电路输出一个相对于***供电电压具有固定压差的电压，用于产生P型MOS管导通所需的驱动电压；正压稳压电路用于产生N型MOS管导通所需的驱动电压；
PWM驱动电路包括上桥臂PWM驱动电路和下桥臂PWM驱动电路；PWM驱动电路在输入的PMW控制信号的控制下选择输出第一输出电压或第二输出电压；当PWM驱动电路输出第一输出电压时，相应的MOS管导通；当PWM驱动电路输出第二输出电压时，相应的MOS管截止；
上桥臂PWM驱动电路的输出电压与P型MOS管的栅极相连，上桥臂PWM驱动电路的第一输出电压为负压稳压电路输出的电压，上桥臂PWM驱动电路的第二输出电压为***供电电压；下桥臂PWM驱动电路的输出电压与N型MOS管的栅极相连，下桥臂PWM驱动电路的第一输出电压为正压稳压电路输出的电压，下桥臂PWM驱动电路的第二输出电压为***地。
2.如权利要求1所述的直流电机驱动电路，其特征在于：所述PWM驱动电路为光耦隔离电路，包括上桥臂光耦隔离电路和下桥臂光耦隔离电路；CPU发出的PMW控制信号通过相应的光耦隔离电路驱动相应的MOS管；上桥臂光耦隔离电路使用***供电电源作为光耦的供电电源，负压稳压电路所输出的电压作为上桥臂光耦隔离电路的参考地；PWM1或PWM2控制信号与上桥臂光耦隔离电路的输入端相连；上桥臂光耦隔离电路的输出端与P型MOS管栅极相连；
下桥臂光耦隔离电路使用正压稳压电路输出的电压作为光耦的供电电源，下桥臂光耦隔离电路的参考地接***地；PWM3或PWM4控制信号与下桥臂光耦隔离电路的输入端相连；下桥臂光耦隔离电路的输出端与N型MOS管栅极相连。
3.如权利要求1所述的直流电机驱动电路，其特征在于：负压稳压电路采用LM79XX系列线性稳压芯片或隔离型DC/DC电源芯片实现。
4.如权利要求3所述的直流电机驱动电路，其特征在于：负压稳压电路采用隔离型DC/DC电源芯片，隔离型DC/DC电源芯片的正向输入端接***供电电压，负向输入端接***地，正向输出端与***供电电压相连，负向输出端输出的电压作为负压稳压电路输出的电压。
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Inventor after: Liu Zhuanghua

Inventor after: Ge Zhixiong

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Inventor after: Lai Yongan

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Inventor after: Li Jinming

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GR01 Patent grant
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