CN103580565A - 一种具有辐射抑制和电机保护功能的直流电机驱动电路 - Google Patents
一种具有辐射抑制和电机保护功能的直流电机驱动电路 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种具有辐射抑制和电机保护功能的直流电机驱动电路以及电机驱动方法。电机驱动电路主要包含：中央处理单片机、PWM滤波电路、预驱动、MOS管栅极信号阻尼及泄放电路、MOS管瞬变脉冲吸收电路、H桥供电电源滤波电路、电机电刷干扰滤波电路、电压和电流监控及保护电路、H桥电源反接保护电路等模块。本发明通过选择合理的PWM频率、对各级PWM信号进行平滑和阻尼操作、对MOS管上的脉冲干扰进行吸收，使驱动电路以及电机电刷干扰得到抑制和吸收。驱动电路中的电流、电压检测和保护模块完成驱动电路的过压、欠压、过流、短路及反接保护。
Description
技术领域
本发明涉及直流电机驱动技术，主要针对抑制驱动电路和电机对外辐射干扰，以及对驱动电路和电机进行保护。
背景技术
为了引用和清楚起见，下文中使用的技术名词、简写或缩写总结如下：
PWM：脉冲宽度调制
D-S极：MOS晶体管的漏极（D极）与源极（S极）
G-D极：MOS晶体管的栅极（G极）与漏极（D极）
H桥：常用电机驱动电路，如图1012模块所示，由4个MOS晶体管构成
AD口：中央处理单元（MCU）的模拟信号采集口
RC：由电阻（R）与电容（C）组成的电路
R-C-D：由电阻（R）、电容（C）与二极管（D）组成的电路
VCC：***供电电压
MCU：微控制单元，简称单片机，是***的中央处理单元
下文中引证的专利文件信息如下：
专利文献1：公开号 CN102522933A
专利文献2：公开号 CN101820243A
专利文献3：授权号 CN101047356B
在采用直流电机作为其执行机构的动力源的控制***中，在控制***工作时，会对电机进行不同转速的控制，也会对电机进行频繁的快速反向转动的操作，此操作会产生很大的瞬变电压和瞬变电流。同时，直流电机在转动时，其电刷会在转子的线圈之间切换，由于线圈为感性负载，这个过程就会产生很大的反电动势，并且通过电机控制线传导和空间辐射进入控制器电源并对整个控制器造成干扰。若不对以上干扰进行很好的抑制和吸收，就会对此电子控制***以及同电源***上面的其他控制设备造成很大的电磁干扰，影响***稳定运行。
目前通用的滤波处理办法对此干扰起到的抑制非常有限，不能很好的解决此问题；同时，若***存在的供电电压波动、反电动势、电机堵转、短路等风险不能得到很好控制，***将不能稳定可靠的运行。
例如，在专利文献1中所提到的H桥电机驱动，其上半桥采用P-MOS。由于生产工艺限制，P-MOS管的选择面很窄且价格较贵，其只能运用于一些电流和电压较小的场合，同时其没有采用有效的脉冲吸收处理。驱动电路采用光耦与控制单片机隔离，而光耦需要较大驱动电流，此操作增加了***的不稳定性。同时，其也没有对驱动电路和电机的保护措施，***不能稳定可靠的运行。
相比之下专利文献2中所提到的一种能抑制反冲发生时的电压上升、避免电源电压为预设值以下时制动的电机驱动电路，则是在反冲发生后的一种补救措施，上两种驱动电路都没有从根本上解决电机驱动过程中产生的反冲和脉冲干扰问题。
又如专利文献3所示电机驱动电路的电流检测电路，其设计过于复杂，不利于实现且成本高。。
发明内容
本发明提出了一种直流电机驱动电路，其对外辐射干扰能够得到很好的抑制和吸收，解决驱动电路和电机对外干扰过大的问题。同时本发明的多个检测和保护电路使得驱动电路及电机稳定可靠。
该直流电机驱动电路，包括中央处理单片机、PWM处理电路、电机预驱动、电机电源反接保护电路、电机供电电源电压采集电路、H桥驱动电路、MOS管栅极驱动处理电路、脉冲吸收电路、电机电流采集电路、电机短路保护电路。其主要特点为：
采用RC滤波电路对单片机输出的PWM波形进行滤波整形；
在电机预驱动电路中包含电荷泵电路，将上桥臂栅极控制电压泵到VCC+10V；预驱动电路拥有电机短路保护功能；
H桥驱动电路的上桥臂和下桥臂都采用N-MOS管；
对电机预驱动后的栅极的驱动信号做处理；
在H桥的每个MOS管上面添加脉冲吸收电路；
具有电机电流采集和过流、堵转保护；
具有电机电源的电源反接保护；
本发明有益的技术效果是：由于H桥都是采用N-MOS管，其器件选择面很广，成本低，适应性广。通过驱动电路中的吸收电路，整个驱动电路对外的辐射和传导干扰非常小。不需要光耦来隔离控制信号与采集信号，降低成本和***功耗并增加***可靠性。拥有驱动电路的供电保护。拥有驱动电机电流检测及过流、短路保护。
附图说明：
图1：电机驱动电路原理框图
图2：电机接线端滤波电路图
图3：单片机输出PWM滤波电路图
具体实施方式：
本发明从多个角度出发解决电机驱动电路的对外干扰问题。首先通过调整电机驱动PWM的频率到合适频率（综合考虑驱动效率、辐射干扰、***响应等因素）；其次在各级PWM的路径上做滤波和吸收电路以平滑驱动PWM波形；然后在各个MOS管的G-D和D-S之间做脉冲吸收处理；同时配合各个位置的信号采集与反馈，实现***的低辐射，电压、电流检测，短路及反向保护的功能。
图1是本发明实施形态的电机驱动电路原理图。其主要工作原理如下：
MCU（中央处理单片机，图1中014模块）将电机控制逻辑转换为4路PWM信号（图1中004模块），分别控制H桥的4个MOS管。此PWM信号经过RC滤波（图3）后送入预驱动电路。
如图1中013模块所示，预驱动电路内部集成电荷泵电路，其将电荷泵输出电压泵到VCC+10V。同时预驱动电路将PWM信号分为高端MOS和低端MOS驱动，高端MOS驱动高电平将被其上拉到电荷泵电压，即VCC+10V去控制上桥臂MOS管的开和闭；低端MOS驱动信号高电平被上拉到VCC后去控制下桥臂MOS管的开和闭。
如图1中003模块所示，预驱动电路分别采集每个MOS管D-S极两端的电压，通过和外部设置的参考电压比较以判定是否发生MOS管短路，若检测到MOS管D-S极两端的电压大于外部预设电压值，则判定为短路并关断MOS管驱动。其响应速度可以达到纳秒级，可快速可靠的实现电机短路保护。
如图1中006模块所示，在预驱动升压之后的PWM信号在送入MOS管栅极之前做了一个R-C-D的阻尼吸收和泄放处理。在打开MOS管时，R-C-D电路可以对栅极输入PWM信号做滤波和缓冲处理，使栅极信号平滑上升并且上升时无波形过冲。此设计将大大的减少MOS管在打开瞬间所产生的瞬变电压脉冲；在关断MOS管时，R-C-D电路将会使得MOS管中寄生电容上面的电荷快速泄放，极大的加快了MOS管关断的时间。
如图1中007模块所示，此电路是采用RC吸收电路加载在MOS管D-S极之间用来吸收MOS管打开和关断瞬间所产生的脉冲波形。
如图1中008模块所示，此电路使采用在MOS管G-D极之间用电容来吸收栅极驱动波形相对于D极电压的瞬变波动，此举可以平滑栅极驱动波形以减小MOS管在开关过程中产生的过冲。
如图1中005模块所示，在上桥臂MOS管的D极都采用组合滤波电容对H桥的供电电源进行滤波处理，减小H桥对电源的干扰。
如图2中015模块所示，在电机接线端两端分别采用X电容和Y电容进行滤波处理，减少电机电刷对外的传导干扰。
如图1中001模块所示，采用精密电阻分压的方式将H桥供电电源分压到合适的电压值再送入单片机AD进行电压采集，以实时监控H桥的供电电压，在电源异常时进行H桥关断并报警。实现高压、低压保护的功能。
如图1中002模块所示，R12、R13、Q5、Q6、D5和电机预驱动模块组成了***的电源反接保护电路。在正常电源供电时，预驱动电路中的电荷泵将泵出的高压经过电阻R12送到MOS管Q5，以打开Q4使其正常导通。当H桥供电电源反接时，在R13的限流保护下，三极管Q6和D5将Q5的栅极电压始终限制在“地”电平，以关断Q5实现反接保护功能。
如图1中011模块所示，采用大功率精密毫欧级贴片电阻作为电机电流采集电阻，流过电机的电流会在采样电阻两端产生相应的电压。通过采集此电压来实现电机电流监控的功能。
如图1中009、010、014模块所示，009、010两个模块组合完成采样电压的滤波和放大，放大后的信号通过R-C滤波后送入单片机AD口采集。014模块对电压信号进行采集和分析，判断电流是否过流并对其进行保护。。
Claims (6)
1.一种具有辐射抑制和电机保护功能的直流电机驱动电路，其特征在于，包括如下模块组成：中央处理单片机、PWM滤波电路、预驱动、MOS管栅极信号阻尼及泄放电路、MOS管瞬变脉冲吸收电路、H桥供电电源滤波电路、电机电刷干扰滤波电路、电压监控及保护电路、电机电源反接保护电路、电流监控及过流保护电路等模块。
2.如权利要求1所述电机驱动电路中的预驱动电路，其特征在于：
预驱动模块包含电荷泵电路，其能够将高端栅极高电平泵到VCC+10V的电压上；预驱动电路能够实时检测H桥每个MOS管的D-S极间的电压差，并能够在电压差大于预设值时及时的关断MOS管以保护驱动电路和电机。
3.如权利要求1所述电机驱动电路中的MOS管栅极信号阻尼及泄放电路，其特征在于：采用R-C-D组合电路对MOS管栅极驱动信号进行阻尼、平滑并提供栅极关断信号的快速泄放通路。
4.如权利要求1所述电机驱动电路中的MOS管瞬变脉冲吸收电路，其特征在于：采用RC吸收电路对MOS管D-S极之间的瞬变脉冲进行吸收，采用在MOS管G-D极之间并联电容的方法对栅极驱动波形进行瞬变脉冲吸收。
5.如权利要求1所述电机驱动电路中的电压监控及保护电路，电流监控及过流保护电路，其特征在于：采用精密电阻分压的方式将H桥供电电源分压到合适的电压值再送入单片机AD进行电压采集，以实时监控H桥的供电电压，在电源异常时进行将H桥关断并报警，实现高压、低压保护的功能，采用大功率精密毫欧级贴片电阻作为电机电流采集电阻，采用RC滤波和运放组成的放大电路完成采样电压的滤波和放大，中央处理单片机对滤波和放大后的信号进行采集和分析，判断电流是否过流并对其进行保护。
6.如权利要求1所述电机驱动电路中的电机电源反接保护电路，其特征在于：采用R12、R13、Q5、Q6、D5和电机预驱动模块组成了***的电源反接保护电路，其中Q5为N-MOS管，Q6为NPN型三极管，D5为开关二极管，预驱动电路提供打开Q5的高压栅极驱动。
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