·46· 《测控技术 》2007年第 26卷第 1期 基于 DSP的直流电机驱动控制电路设计 何存富 , 周 　龙 , 宋国荣 , 何守印 , 吴 　斌 (北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院 ,北京 　100022) 摘要 :基于 H型双极模式 PWM 控制原理 ,设计了一种直流微电机正反转调速功率放大电路 。采用 IR2110作为该功率放 大电路的驱动模块 ,构成的整个驱动电路具有结构简单 、驱动能力强 、功耗低的特点 。通过 TMS320FL2407A DSP芯片产生 驱动电路所需要的双 PWM 信号 。同时 , DSP芯片采集和处理电机电枢电流及转速信号 ,实现直流电机的反馈控制 。DSP 芯片又通过串口和 PC机建立通信 ,最终实现通过 PC机发布指令控制直流电机的运动 。 关键词 : H型双极模式 PWM 控制 ;功率放大 ;直流电机 ; IR2110; DSP 中图分类号 : TP211　　文献标识码 : B　　文章编号 : 1000 - 8829 (2007) 01 - 0064 - 04 C ircu it D esign for D r iv ing and Con trolling DC M otor Ba sed on D SP HE Cun fu, ZHOU Long, SONG Guo rong, HE Shou yin, WU B in (College of Mechanical Engineering and App lied Electronics Technology, Beijing University of Technology, Beijing 100022, China) bridge bipolar PWM control is designed for controlling DC m icro Abstract:A power amp lification of H motor of positive rotation, re verse rotation and speed regulation. The entire drive circuit has characteristics of samp le construction, powerful drive energy and low consumed power by using IR2110 as the drive modular. The DSP (TMS320FL2407A ) generates the dual pulse width modulated (PWM ) signal which the drive circuit needs as input. In addition, the DSP imp lements the closed loop control of DC motor by acqui ring the rotational speed of motor and the current of armature. The DSP communicates with PC by serial port, thus, the PC can send control commands to operate the motion of DC motor. Key words: H bridge bipolar PWM control; power amp lification; DC motor; IR2110; DSP 　　传动控制系统是通过对电机的控制 ,将电能转换为机械能 , 并且控制工作机械按给定的运动规律运动的装置 。而用直流电 动机作为原动机的传动称为直流传动 。由于直流传动系统具有 良好的启动 、制动 、正反转及调速等性能 ,目前在传动领域仍占 主要地位 。 在机器人技术领域 ,直流电机作为机器人各关节或执行机 构的动力源得到了广泛的应用 。因此 ,机器人控制器作为机器 人信息处理和控制的主体 ,其设计好坏将决定机器人系统的整 体行为和整体性能 。早期的机器人 ,特别是工业机器人所采用 的控制系统基本上是设计者基于自己的独立结构而开发的 ,它 采用了专用计算机 、专用机器人语言 、专用操作系统 、专用微处 理器 [ 1 ] 。本设计基于通用 DSP控制芯片开发了直流电机控制 驱动卡 ,取得了满意的控制效果 。 1　直流电机 PWM 控制原理 与“断开 ”时间的长短 ,通过改变直流伺服电动机电枢上电压的 “占空比 ”来改变平均电压的大小 ,从而控制电动机的转速 。因 此 ,这种装置又称为开关驱动装置 。 PWM 控制原理如图 1所示 。可控开关 S (可以是三极管 , MOSFET, IGBT等 )以一定的时间间隔重复地导通和断开 。当 S 导通时 ,供电电源通过开关 S施加到电动机两端 ,电源向电机提 供能量 ,电动机储能 ;当 S断开时 ,切断了供电电源向电动机提 供能量 ;但是 ,在 S导通期间电枢电感所储存的能量此时通过续 流二极管 VD使电动机电流继续流通 。 脉冲宽度调制 ( PWM , pulse width modulation)装置 [ 2 ]是一种 利用大功率晶体管的开关特性来调制固定电压的直流电源 ,按 固定的频率来接通和断开 ,并根据需要改变一个周期内“接通 ” 图 1　PWM 控制原理示意图 2　H型双极模式 PWM 控制原理 收稿日期 : 2006 - 03 - 14 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (10372009) 作者简介 :何存富 (1958—) ,男 ,山西省大同市人 ,博士学位 ,副院长 ,教 授 ,博士生导师 ,主要研究方向为现代测控技术与方法 ,计算机测试与控 制技术 ,智能仪器与虚拟仪器 ,无损检测新技术 ;周龙 (1981—) ,男 ,湖北 省荆州市人 ,硕士研究生 ,主要研究方向为计算机测试与控制技术 。 双极模式 PWM 控制 [ 2 ]的特点是在一个开关周期内 ,作用 在导电枢上的电压极性是正负交替的 ,双极性工作模式由此得 名 。 H型双极模式 PWM 的功率转换电路如图 2所示 。它由 4 个大功率晶体管和 4个续流二极管组成 。4个大功率管分为两 组 , V1 和 V4 一组 , V2 和 V3 为另一组 ,同一组中的两个晶体管 

基于 DSP的直流电机驱动控制电路设计 ·56· 同时导通 、同时关断 ,两组晶体管之间是交替的轮流导通和截止 的 。亦即基极驱动信号 ub1 = ub4 , ub2 = ub3 = - ub1。双极模式工 作时允许电流反向流通 ,从而保证电枢电流始终是连续的 。即 使电机不转动 ,电机电枢两端的瞬时电压也不为零 ,而是宽度相 等的正 、负脉冲电压 。在电枢回路中流过一个交变的电流 ,使电 动机发生高频颤动 ,有利于减小静摩擦 。 动机的调速控制 。而这种开关特性对整个驱动电路尤其是功率 放大管提出了较高要求 。 工作在开关状态的 MOSFET,由夹断区到可变电阻区 ,或者 相反的过程 ,也就是其内部电荷建立和消失的过程 ,因而 ,需要 一定的时间 。共源电路的开关时间波形如图 4 所示 , MOSFET 的开关时间由开启时间 ( turn on delay time) td (on) 、上升时间 ( rise time) tr、关 断 时 间 ( turn off delay time ) td (off) 和 下 降 时 间 ( fall time) tf 组成 。 图 2　H型双极模式 PWM 功率转换电路原理图 3　驱动电路的设计 随着 GTO晶闸管 、GTR、P MOSFET、IGBT和 MCT等全控型 功率器件的出现和应用 ,直流传动方式得到很大的改善 。利用 这些有自关断能力的器件 ,取消了原来普通晶闸管系统的必需 的换相电路 ,简化了电路结构 ,提高了效率 ,降低了噪声 ,也缩小 了电力电子装置的体积和重量 ,使谐波成分大 、功率因数差的相 控变流器将逐步由斩波器或脉冲宽度调制器 ( PWM )变流器所 代替 。 本设计采用型号为 IRF540N功率场效应管 ,其栅极驱动芯 片采用 IR2110,设计了如图 3所示的驱动电路 ,其中 ,器件的选 择是关键 。 图 4　场效应管开关特性 本驱动电路采用型号 IRF540N 的绝缘栅型功率场效应管 , 该管的开关时间值如下 : td (on) = 30 ns; tr = 60 ns; td (off) = 80 ns; tf = 30 ns。该器件的开关频率可达到 1～2 MHz,能够满足本系统 的设计要求 。 3. 1. 2　MOSFET的功耗要求与共态直通 在 PWM 系统中 ,MOSFET的功率损耗是决定其使用寿命的 重要因素 ,也是衡量 PWM 驱动效率的一个指标 。为了保证 PWM 系统工作安全可靠 ,通常需要使 MOSFET工作在额定功率 范围之内 。降低功耗对 MOSFET的特性参数有以下要求 : ①MOSFET可变电阻区电压要小 ; ②上升时间 tr 和下降时间 tf 要短 。 而所谓的“共态直通 ”[ 2 ]是指 H 型功率转换电路中的功率 元件 (MOSFET、GTR)在一个开关周期内的切换瞬间把主电源 短路的现象 。共态直通发生的原因是由于功率元件 (MOSFET、 GTR)开启时间 td (on)的存在和基极驱动的 PWM 信号过零点无 延迟而引起的 。因此 ,要求功率元件 (MOSFET、GTR )的开启时 间尽可能短 ,同时设计基极驱动电路时 ,应使同侧对管在开关切 换期间有一个共同休止的延时死区 。图 5为死区驱动信号波 形 。 图 3　驱动电路总体框图 3. 1　绝缘栅型功率场效应管的选择 3. 1. 1　MOSFET开关特性 由 MOSFET(场效应管 )构成的共源电路中 ,当栅极驱动电 压使漏极电流为零时 ,则认为场效应管的工作点位于夹断区的 边界上 ,当栅 - 源的反偏电压再增大 ,MOSFET的工作点完全进 入夹断区 。而当栅极控制电压使漏 (D) - 源 ( S)电压变为零时 , 则认为 MOSFET工作点位于饱和区的边界上 。当提高栅 ( G)极 驱动电压时 ,MOSFET的工作点就完全进入可变电阻区 。 PWM 驱动电路就是利用 MOSFET的开关特性 ,使之交替工 作在截止区和饱和区 ,从而越过 MOSFET的恒流区 ,通过调整 占空比的办法来调整分配在电动机电枢两端的电压 ,达到对电 3. 2　场效应管栅极驱动器件的选择 图 5　死区产生波形图 随着功率 VMOS器件以及绝缘栅双极晶体管器件 ( IGBT) 

·66· 《测控技术 》2007年第 26卷第 1期 的广泛运用 ,更多场合使用 VMOS器件或 IGBT器件组成桥式 电路 ,例如开关电源半桥变换器或全桥变换器 、直流无刷电机的 桥式驱动电路 、步进电机驱动电路以及逆变器的逆变电路 [ 3 ] 。 而美国 IR公司推出的一系列集成驱动电路在其中起了非常大 的推动作用 。本设计选择 IR公司推出的 IR2110集成驱动芯片 作为场效应管的栅极驱动器件 。它体积小 、集成度高 、响应快 、 偏值电压高 、驱动能力强 、内设欠压封锁 ,而且成本低 、易于调 试 ,并设有外部保护封锁端口 。尤其是上管驱动采用外部自举 电容上电 , 使得驱动电源数目较其他 IC 大大减小 。但如果 IR2110使用不当 ,尤其是自举电容选择不合适 ,易于造成芯片 损坏或不能正常工作 [ 4 ] 。 (1)全桥电路中自举电容的选择 。 图 6所示为 IR2110典型接线图 [ 4 ] 。图中 C2 为自举电容 , VCC经 VD1、C2、负载 、VT2 给 C2 充电 ,以确保 VT2 关闭 、VT1 开通 时 , VT1 管的栅极靠 C2 上足够的储能来驱动 , 从而实现自举式 驱动 。 C2 的容量选择应考虑如下几点 : ①PWM 开关频率高 , C2 应选小 ; ②尽量使自举上电回路不经大阻抗负载 ,否则应为 C2 充电 提供快速充电通路 ; ③对于占空比调节较大的场合 , 特别是在高占空比时 , VT2 开通时间较短 , C2 应选小 ,否则 ,在有限时间内无法达到自举电 压 ; ④C2 的选择应综合考虑 PWM 变化的各种情况 ,监测 HO、 VS 脚波形进行调试是最好的方法 。 图 6　 IR2110典型接线图 (2)自举二极管的选择 。 自举二极管的耐压 ,应保证其可以安全地工作在高压侧功 率供电电压下 。二极管的反向漏电应尽量小 ,并且是快速恢复 二极管 [ 5 ] 。 (3)产生负偏压 。 IR2110的最大不足是不能产生负偏压 ,如果用于驱动桥式 电路 ,由于弥勒效应的作用 ,在开通与关断时刻 ,集电极与栅极 间的电容有充放电电流 ,容易在栅极上产生干扰 。图 7给出了 IR2110产生负偏压的原理图 [ 6 ] 。 电源 U c 上电后 ,首先通过电阻 R c 对电容 C5 充电 , 并在 VW 1 钳位下形成 + 5 V电压 uc5。当逻辑输入 L IN 为高电平时 , VS3 导通 ,脚 1对 COM 点输出 20 V的高电平 ,而相对 VM2 源极 为 15 V高电平 , VM2、VM3 同时导通 ;当 L IN 为低电平时 , VS4 导通 ,在 VM2 栅源之间加上 - uc5电压 ,即形成反偏压 。当高端 输入逻辑 H IN为高电平时 , VS1 导通 、VS2 关断 ,使 VM1 导通 ;当 H IN为低电平时 , VS1关断 、VS2导通 , VM1栅源电压为负 ,从而 形成反偏压 。在参数设计时应考虑以下几点 : 图 7　实现负偏压的 IR2110原理 ①快速恢复二极管 VDR 和 VM3 的电压与 VM1、VM2 的电 压定额相同 ; ②VM3 先于 VM2 关断 ,后于 VM2 开通 ,这可由 Rg3和 R g2配 合调节 ; ③由于 MOSFET和 IGBT在栅源极之间存在寄生电容 Ciss , 因此 ,要求 C4 Ciss。 (4)减小功率管产生负过冲的措施 。 由于在桥式电路中存在寄生电感 ,而桥式电路一般负载为 感性负载 ,在功率管开关瞬间 、电源短路以及过电流关断时 , d i/ d t(电流的瞬时变化量 )比较大 ,功率管会产生过冲电压 ,会使 VS端电压低于 COM 端 ,而 IR2110中该电压不能低于 - 4 V ,如 果超出该极限电压就会引起高端通道工作不稳定 。根据笔者经 验 ,在设计印制电路板 ( PCB )时 ,采取下列推荐方法可以减小 VS负过冲电压 : ①将功率管紧密放置 ,并且在焊接功率器件时尽量使引脚 最短 ,以减少 PCB布线长度和引脚间寄生电感的影响 。 ②功率驱动集成芯片尽可能靠近功率管放置 。 ③连接两功率管的走线采用宽线直接连接 ,不要有环路 。 ④在电源线与功率管之间增加去耦电容 (一般为 0. 1μF或 1. 0μF) 。 (5)过电流保护 。 在许多场合 ,为了防止功率管和负载因过电流损坏 ,需对电 流值进行严格控制 。例如 ,控制直流电机和步进电机时 ,如果电 流过大会烧毁 。利用 IR2110的 SD端可实现过电流保护控制功 能 ,其过电流保护的工作原理如图 8所示 。稳压二极管 D1提供 一标准电压 ,电阻 R2 对电流进行采集 ,将其转换成电压信号 ,再 与标准电压相比较 ,当电流达到规定值时 ,比较器输出高电平 , 提供给 IR2110的 SD 端 , IR2110 控制切断功率管 ,从而防止过 电流的产生 。电流值的大小可以根据稳压二极管稳压值及电流 检测电阻计算出来 [ 3 ] 。 图 8　过电流保护原理 

基于 DSP的直流电机驱动控制电路设计 ·76· 3. 3　开关频率的选择 在 PWM - 电动机系统中 ,电力晶体管的开关频率与系统的 性能有密切关系 ,开关频率愈高 ,电枢电流的脉动量和电动机转 速脉动量愈小 ,电流容易连续 ,电动机附加损耗减少 ,系统低速 平稳性好 。从动态性能看 ,提高开关频率可扩大系统频带宽度 , 提高系统的快速性 ,但是开关频率的提高使晶体管的动态损耗 也随之增大 ,会降低放大器的传输效率 。通常开关频率的选择 要考虑以下原则 [ 2 ] 。 (1)选择的开关频率应使电动机的最小负载电流连续 ,即 Id = 1 2 Δid ≤ ILm in 式中 , ILm in为电动机最小负载电流 。 对于双极式 PWM 放大器 ,最大脉动电流 Δidmax为 Δidmax = U s 2L f 　　使电动机最小负载电流连续的开关频率为 f ≥ U s 4L ILm in 　 (Hz) (1) ( 2) (3) 　　 (2)开关频率的选择应使电动机和晶体管的总损耗最小 。 对于双极式 PWM 放大器 3 fop = 0. 332 as T2 1 ( tr + tf ) 　 (Hz) (4) 为电动机启动电流与额定电流之比 ; T1 = L /R 式中 , as = Is / Inom 为电枢回路电磁时间常数 ; tr 为晶体管关断时的下降时间 ; tf 为 晶体管开通时的上升时间 。 本驱动模块的开关频率考虑到以上原则 ,利用式 ( 3) 、( 4) 计算所需频率 ,同时考虑了隔离元件 (光耦 )的快速性 ,开关频 率定为 234 kHz左右 。同时 ,根据电路模块试验要求 ,可适当调 整开关频率 。 4　控制电路设计 美国 TI(德州仪器 )公司于 1997年推出数字式电动机微控 制器 TM S320X24X是面向新一代电机控制 ,将 DSP的高速运算 能力和面向电动机的高效控制能力集于一体 ,使得实现伺服系 统的全数字化成为可能 。 本 设 计 的 控 制 电 路 总 体 框 图 如 图 9 所 示 。以 TM S320LF2407A DSP为核心 ,外扩 JTAG仿真接口 , SC I串口通 信接口 ,这两个接口实现了 DSP与 PC机的通信 ;另外 , A /D 转 换接口 ,用以采集电机电枢电流信号 ; DSP的正交编码脉冲输入 单元 (QEP)用以采集电机转速信号 。 5　实验 用以实验的电机对象为瑞士麦克逊直流微电机 。 部分 电 机 参 数 如 下 : 额 定 功 率 为 70 W ; 最 大 转 速 为 7 020 r/m in;额定工作电压为 42 V;最大连续电流为 1. 59 A;最 大启动电流为 15. 3 A。 实验过程中电机运行状态稳定 ,通过调节 PWM 信号的占 空比成功地改变电机转速 。利用数字示波器测量了控制电路板 卡产生的两路 PWM 波形如图 10所示 。电机电枢两端的电压 波形如图 11所示 。 图 9　控制电路总体框图 图 10　DSP控制电路产生的两路 PWM 波形 图 11　电机电枢两端电压波形 实验表明 ,设计制作的直流微电机控制驱动电路具有良好 的可行性 。 6　结束语 本设计制作的基于 H 型双极模式 PWM 驱动电路及基于 DSP的控制电路 ,实现了对直流电机的正反转控制及速度调节 。 实验结果表明 ,直流电机速度调节响应快 ,电机及驱动控制器运 行稳定可靠 ,能够满足实际工作应用的要求 。 参考文献 : [ 1 ] 　付京逊 , R. C. 冈萨雷斯 , C. S. G. 机器人学 —控制 ·传感技术 ·视 觉 ·智能 [M ]. 北京 :中国科学技术出版社 , 1989: 10 - 200. [ 2 ] 　易继锴 ,江祥贤 ,侯嫒彬 ,杨玉珍. 电气传动自动控制原理与设计 [M ]. 北京 :北京工业大学出版社 , 1997: 207 - 220. [ 3 ] 　楚斌. IR2110 功率驱动集成芯片应用 [ J ]. 电子工程师 , 2004, 30 (10) : 33 - 35. [ 4 ] 　马瑞卿 ,刘卫国. 自举式 IR2110集成驱动电路的特殊应用 [ J ]. 电 力电子技术 , 2000, (1) : 31 - 33. [ 5 ] 　樊晓光 ,孙卫. 高压浮动 MOSFET栅极驱动器原理及应用 [ J ]. 电 子技术应用 , 1999, (8) : 62 - 63. [ 6 ] 　张纯江 ,赵清林 ,张金泉. 带有“负偏压 ”的 IR2110驱动器 [ J ]. 电 力电子技术 , 2000, (2) : 49 - 50. □