CN102570947A - 一种带制动功能的直流电机开关控制调速电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带制动功能的直流电机开关控制调速电路，包括反相器，将ECU提供的PWM控制信号的相位反转180度；以及死区补偿逻辑控制单元，将反相器和ECU提供的一对互补的PWM控制信号交替输出；以及预驱动放大电路，对死区补偿逻辑控制单元的输出信号进行放大；以及并联于直流电机两端的同步整流开关管，根据预驱动放大电路提供的驱动信号导通，并为直流电机提供一个电流双向流动的通道；以及功率开关，根据预驱动放大电路提供的驱动信号实行与同步整流开关管交替导通，该功率开关一端连接直流电机，另一端接地。当电机的旋转电压低于电池的供电电压时，可将多余的能量储存到电池中，减少能量浪费。

Description

一种带制动功能的直流电机开关控制调速电路
技术领域
本发明涉及直流电机开关调速的节能控制电路，具体涉及一种带制动功能的直流电机开关控制调速电路。
背景技术
在直流电机的线性控制方案中，FET、晶体管或其他功率器件均工作在线性放大模式，与分压电阻调速控制一样，额外的功率均转化为分压电阻或功率器件上热量被白白浪费，并且需要增加相应的散热装置进行冷却。与线性控制不同，直流电机调速方案也可以采用对供电电源进行ON/OFF控制，来进行开关控制。图1是一种采用MOSFET作为功率器件构成的直流电机开关控制的典型控制框图。
如图1所示，该控制电路主要由MOSFET、二极管及控制信号三个部分组成。当MOSFET闭合时，电流流过电机；当MOSFET断开时，电机线圈作为电感所存储的电流通过蓄流二极管返回到电机。由于这个蓄流电流得到了利用并加到了负载上，因此开关电机调速控制方案比线性控制方案拥有更高的效率。电机开关控制中最常用的形式是PWM(脉宽调制)控制，通过改变PWM的占空比，改变电机两端的工作电压。需要说明的是，开关控制中的PWM控制信号的开关频率必须足够高(通常20kHz左右)，才能使电机中的电枢电感正常工作。如果电感中的电流已放电完毕但开关还没有重新导通，那么电机的转矩就会波动(表现为电机的振动)。只要开关频率足够高，电感作为储能元件不仅能保证电机上电流连续，还在一定程度上滤去MOSFET开关过程所产生的高频分量，从而降低了转矩纹波以及振动。开关直流电机控制目前已逐步取代线性控制而得到了广泛的应用。但是图1所示的电机调速电路，当电机的旋转电压低于电池的供电电压时，多余的能量将被系统白白耗费，不能实现能量的有效回收。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种带制动功能的直流电机开关控制调速电路，本发明将对电机开关调速控制电路进行优化，使其具有制动再生功能，这样当电机的旋转电压低于电池的供电电压时，可将多余的能量储存到电池中。
实现本发明目的的技术方案如下：
带制动功能的直流电机开关控制调速电路，包括：
反相器，将ECU提供的PWM控制信号的相位反转180度；以及
死区补偿逻辑控制单元，将反相器和ECU提供的一对互补的PWM控制信号交替输出；以及
预驱动放大电路，对死区补偿逻辑控制单元的输出信号进行放大；以及
并联于直流电机两端的同步整流开关管，根据预驱动放大电路提供的驱动信号导通，并为直流电机提供一个电流双向流动的通道；以及
功率开关，根据预驱动放大电路提供的驱动信号实行与同步整流开关管交替导通，该功率开关一端连接直流电机，另一端接地。
采用了上述方案，当功率开关关断，同步整流开关管导通时，直流电机产生的电压通过同步整流开关管被短路回到了它自身。由于同步整流管开关管是个可以允许电流双向流动的功率器件，这就为直流电机提供了一个制动力和一个反方向通过电机的电流。因此在开关周期另外半个周期内，即同步整流管开关管关断，功率开关开通时，由于直流电机电枢电感两端的电流不能突变，只能流入电池，从而实现对电池充电，实现整个直流电机的制动过程。因此，本发明具有制动再生功能，当直流电机的旋转电压低于电池的供电电压时，可以将多余的能量储存到电池中，减少能量浪费。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为现在技术中直流电机开关控制框图；
图2为本发明的带制动功能的直流电机开关电路控制框图；
图3为死区补偿逻辑控制单元的电路结构示意图；
图4为预驱动放大电路的电路结构示意图；
具体实施方式
参照图2至图4，本发明的一种带制动功能的直流电机开关控制调速电路，由反相器，死区补偿逻辑控制单元，预驱动放大电路，同步整流开关管，以及功率开关组成。
反相器将ECU提供的PWM控制信号的相位反转180度，ECU输出的PWM控制信号一路提供给反相器，另一路直接提供给死区补偿逻辑控制单元，其中提供给反相器的一路经反相器反相180，这样，相当于死区补偿逻辑控制单元接收到的两路PWM控制信号为两个互补的信号。
死区补偿逻辑控制单元，将反相器和ECU提供的一对互补的PWM控制信号交替输出。通过死区补偿逻辑控制单元可以确保两个互补的PWM控制信号可靠交替输出，避免使两路信号直接通往同步整流开关管以及功率开关的情况。死区补偿逻辑控制单元包括第一反相器U1、第二反相器U2以及连接在第一反相器和第二反相器之间的滤波器。滤器器包括电阻R以及电容C，电阻R一端连接第一反相器U1的输出端，电阻R的另一端连接第二反相器U2的输入端，电容C的一容与电阻R连接，电容C另一端接地。输入的PWM控制信号(方波信号)通过两个反相器及一个RC滤波器后，输出PWM信号的上升沿和下降沿相对输入信号而言均会有一定的延时，延时时间为：T＝RC。
预驱动放大电路，对死区补偿逻辑控制单元的输出信号进行放大。为简化设计，提高电路的可靠性，本发明中的预驱动放大电路采用IR公司生产的IR2110芯片，该芯片的外围电路主要由四个电容和一个二极管D、驱动电阻R1和驱动电阻R2组成，其中电容C1为自举电容，电容C2、电容C3、电容C4均为电源滤波电容。经过死区补偿逻辑单元后的上下桥臂控制信号，即PWM_IN_TOP和PWM_IN_BOT，SD为保护逻辑输入信号，当系统出现故障，输入电平信号，IR2110芯片内部会自动封锁输出PWM信号。输出控制上下桥臂的两个驱动信号经过驱动电阻R1和R2直接驱动上下桥臂的两个MOSFET管。
并联于直流电机两端的同步整流开关管Q1，根据预驱动放大电路提供的驱动信号导通，并为直流电机提供一个电流双向流动的通道。同步整流开关管Q1为MOS管。
功率开关Q2根据预驱动放大电路提供的驱动信号实行与同步整流开关管交替导通，该功率开关一端连接直流电机，另一端接地。功率开关Q2为MOS管。本发明的制动原理及实现过程如下：
假定蓄电池两端的电压Vbat＝Vmotor+Vswitch＝12V，在50％占空比情况下，直流电机M两端的电压可近似为Vmotor＝6V，这意味着直流电机M负端对电池负端(地)的平均电压也为6V，当输入占空比变为70％，直流电机M两端的电压就会提升为Vmotor＝8.4V，在此开关周期内，当功率开关Q2关断，同步整流开关管Q1导通时，直流电机M产生的电压通过同步整流开关管Q1被短路回到了它自身。由于同步整流管开关管Q1是个可以允许电流双向流动的功率器件，这就为直流电机提供了一个制动力和一个反方向通过电机的电流。因此在开关周期另外半个周期内，即同步整流管开关管Q1关断，功率开关Q2开通时，由于直流电机M电枢电感两端的电流不能突变，只能流入电池，从而实现对电池充电，实现整个直流电机的制动过程。

Claims (6)

1.一种带制动功能的直流电机开关控制调速电路，其特征在于，包括：
反相器，将ECU提供的PWM控制信号的相位反转180度；以及
死区补偿逻辑控制单元，将反相器和ECU提供的一对互补的PWM控制信号交替输出；以及
预驱动放大电路，对死区补偿逻辑控制单元的输出信号进行放大；以及
并联于直流电机两端的同步整流开关管，根据预驱动放大电路提供的驱动信号导通，并为直流电机提供一个电流双向流动的通道；以及
功率开关，根据预驱动放大电路提供的驱动信号实行与同步整流开关管交替导通，该功率开关一端连接直流电机，另一端接地。
2.根据权利要求1所述的一种带制动功能的直流电机开关控制调速电路，其特征在于，所述死区补偿逻辑控制单元包括第一反相器、第二反相器以及连接在第一反相器和第二反相器之间的滤波器。
3.根据权利要求2所述的一种带制动功能的直流电机开关控制调速电路，其特征在于，所述滤器器包括电阻以及电容，电阻一端连接第一反相器的输出端，电阻的另一端连接第二反相器的输入端，电容的一容与电阻连接，电容另一端接地。
4.根据权利要求1所述的一种带制动功能的直流电机开关控制调速电路，其特征在于，所述预驱动放大电路包括IR2110型芯片。
5.根据权利要求1所述的一种带制动功能的直流电机开关控制调速电路，其特征在于，同步整流开关管为MOS管。
6.根据权利要求1所述的一种带制动功能的直流电机开关控制调速电路，其特征在于，功率开关为MOS管。
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