基于DSC的直流電機半橋驅動電路的設計

　　摘要：由于直流電機能實現方便的平滑調速且啟動性能好的特性，在工業自動化領域中有著廣泛的應用。目前，直流電機通常采用H橋電路進行控制，在控制大電流電機的情況下，控制電路的體積大，電路元件多，導致可靠性下降，電路成本也較高。本文提出了一種半橋控制電路，在不降低控制性能的前提下，減少了大功率的電路元件的使用，不但降低了成本，提高了電路的可靠性，而且還具有很好的擴展性。

　　引言

　　與交流電機相比，直流電機具有調速性能優異，啟動迅速，啟動轉矩大，帶負載能力強的特點。因此在工業自動化領域中得到了廣泛的應用。

　　目前，直流電機驅動電路通常是采用DSP通過一個H橋電路發送PWM控制脈沖，控制直流電機以一定的速度和方向旋轉。而實際的工業應用中，大多只需要直流電機在單一方向上以一定的轉速運行，不需要進行頻繁的正反轉切換。因此針對上述需求，若仍采用H橋電路進行驅動，就會產生電路冗余，增加了硬件成本，降低了硬件電路的可靠性。因此，本文采用了一種半橋驅動電路模式。該電路在保證直流電機達到優異的運行性能的前提下，簡化了電路復雜度，提高了電路可靠性。同時在此電路的基礎上增加簡單的外圍控制電路就能夠很方便地切換電機旋轉方向，而無需額外增加大功率MOS管開關電路。

　　系統原理及構成

　　圖1為系統總體功能框圖。由圖可知，該系統為一個閉環系統。DSC發出PWM信號給半橋驅動電路。半橋驅動電路根據PWM控制信號向直流電機提供相應的驅動電壓并輸出驅動電流，驅動直流電機運轉。該驅動電流被電流傳感器檢測后，轉換成相應的電壓值反饋給DSC的A/D轉換輸入接口，DSC程序根據該電壓值判斷輸出給直流電機的電流大小是否超出直流電機的額定電流值，若超出該額定電流，就立即停止驅動輸出，以防止直流電機因過流而燒毀。同時，直流電機的旋轉速度經編碼器轉換成一組正交脈沖信號，發送到DSC的正交編碼器輸出接口，以判斷直流電機的旋轉速度是否符合預設的旋轉速度值。計算出二者之間的誤差，并采用PID算法調整PWM的輸出參數，最后輸出調整后的PWM控制信號給半橋驅動電路。

　　器件選型

　　為最大程度地保證對直流電機運行狀態的采樣精度和控制的實時性，本系統采TI公司的高性能數字信號控制器TMS320F2810作為主控芯片。該芯片最高主頻為150MHz，內核是基于32位架構的DSP處理器，由于對數學運算進行了優化，因此可以對各種復雜算法進行高效的處理，專門針對諸如電機控制、數字電源、清潔能源以及雷達等多種實時控制應用領域提供的高性能控制平臺。片上集成了最多16通道的12位ADC輸入接口，2個正交編碼器接口(QEP)，4路可獨立輸出的PWM接口等多種外設，能夠完全滿足本系統的設計需求。

　　在半橋控制中，需要采用互補的PWM信號分別控制上、下兩個開關管的導通和關斷，并且還必須要絕對避免這兩個開關管同時處于導通狀態，否則將會導致電機的供電電源對地形成短路。因此，必須在互補的PWM信號輸出中加上死區控制。為了簡化電路，本系統選擇了專用的半橋控制芯片IR2183控制半橋開關管的工作。IR2183是國際整流器公司推出的600V半橋驅動器，具有獨立的高、低端輸入，兼容3.3V、5V邏輯，柵極驅動電壓范圍達到10~20V，柵極驅動電流變化率很低，抗干擾能力強，并且具有欠壓保護。IR2183內部還設置有固定死區控制邏輯，能夠很好地防止上下兩路PWM信號在轉換時的瞬間短路現象。

　　由于電機的額定電流為6A，為了防止因過流而燒毀電機，本系統采用一個電流傳感器ACS712來實時監測流入電機的電流。該芯片是基于霍爾效應的線性電流傳感器，檢測精度高，具有66~185mV/A的檢測靈敏度，輸出電壓與被檢測電流成比例，并且電流感應端口和電壓輸出端口之間具有2.1kVRMS的電壓隔離，能夠很好的保護后級DSC的AD輸入電路。