一种带过流保护的隔离型电机控制电路设计

贾利浦 梁帅锋 孙春峰

（河南优德医疗设备股份有限公司，河南郑州450000）

0 引言

带过流保护的隔离型直流有刷电机控制电路是在传统的H桥驱动电路上进行了改进设计，主要增加了电路的隔离功能和设计了过流保护电路。考虑到市场上常用的直流电机电压为24 V，本电路电源设计输入电压为24 V，电源波动范围18～40 V，电源电路为电机驱动电路和电流采样电路提供15 V电源。电机驱动电路设计可为24 V/300 W的电机提供驱动能力。电流采样及反馈电路设计为电流保护阈值可调，保护时间可调。

1 硬件方案整体设计

电路主要包括电源电路、控制信号逻辑转换电路、控制信号隔离电路、H桥电机驱动电路、电流采样及反馈控制电路。PWM控制信号经过逻辑运算后，通过隔离电路给电机驱动电路提供控制信号；电机驱动电路为H桥提供合适的驱动电压来控制电机；电流采样电路对电流进行采样，经信号处理后，反馈给控制信号逻辑转换电路来控制电机的启停。

2 各电路模块设计

2.1 电源电路设计

电源电路采用DC-DC电源芯片LM2596（图1）。输入电源设计为直流24 V，输出直流电压15 V，为电机驱动电路及电流采用电路供电。

图1 电源电路

LM2596芯片特点：

（1）可调输出电压范围：1.2～37 V，±4%；

（2）输出电流可高达3 A；

（3）输入电压可高达40 V；

（4）低功耗待机模式，IQ的典型值为80 μA；

（5）具有过热保护和限流保护功能。

2.2 H桥驱动电机原理及电路设计

图2中，Q1、Q2、Q3、Q4四个MOS管构成H桥。Q1、Q4导通，电机正转；Q2、Q3导通，电机反转；Q1、Q2导通或Q3、Q4导通电机制动。MOS管选用STP75NF75（漏极至源极电压Vdss=75 V；电流-连续漏极Id@25℃=80 A），性能参数完全能满足要求，并且性价比高。D1、D2、D3、D4为续流二极管。

图2 H桥电路结构

2.3 H桥驱动电路设计

采用两个IR2104半桥驱动器组合来驱动H桥。IR2104性能参数：

（1）最大偏置电压（VOFFSET）：600 V max；

（2）IO口电流（IO+/-）：130/270 mA；

（3）输出电压（VOUT）：10～20 V；

（4）开启/关断时间（ton/toff（typ.））：680/150 ns；

（5）死区时间（Deadtime（typ.））：520 ns。

图3中SD为低电平时，电机为断电状态。SD为高电平，IN1和IN2电平相同时，电机处于制动状态；IN1为低电平，IN2为高电平时，电机反转；IN1为高电平，IN2为低电平，电机正转。

图3 H桥驱动电路

2.4 控制信号转换及隔离电路设计

逻辑运算采用四路与非门电路74HC00，隔离电路采用高速光耦6N135进行电路隔离。图4中CT1和CT2控制电机转动方向，PWM控制电机转速。OVERLOAD是电流采样电路的反馈信号，当此信号为高电平时表明过流。

从表1可以看出，当OVERLOAD为“0”时，SD一定为“0”，电机处于断电状态。当OVERLOAD为“1”时，CT1=“0”，CT2=“1”，PWM=“1”时，电机正转；当OVERLOAD为“1”时，CT1=“1”，CT2=“0”，PWM=“1”时，电机反转；当OVERLOAD为“1”时，CT1=“1”，CT2=“1”，PWM=“1”时，电机制动；其他情况：电机为断电状态。因此，可以用CT1和CT2来控制电机运动方向，用PWM来控制电机转速。

图4 控制信号转换及隔离电路

表1 运算电路逻辑状态表

2.5 过流保护电路设计

过流保护电路（图5）中电机电流可以经一个采样电阻R后，得到电压信号C_SINGLE，运放U4A为电压比较器，R28为电位器，通过调节R28可以设置过流保护电流阈值的大小。

电流阈值：

R6与C12构成RC延时电路；U4B为滞回比较器，可以通过调节电位器R30的大小来设置阈值大小，从而控制过流保护的时间。

RC充电时间：

正向过程阈值：

负向过程阈值：

结合本电路，延时时间：

3 结语

本文介绍的直流有刷电机驱动电路，由于采用了隔离控制技术来避免电路间干扰问题，使得电路更加稳定；设计的过流保护电路，有效保护了电机，避免了电机过载烧毁的情况。从实践结果来看，电路稳定可靠，操作方便，适用于多种功率电机，实用性强。