CN105391353B - 一种直流电机半桥驱动电路 - Google Patents

Abstract

一种直流电机半桥驱动电路，包括功率输入滤波电路(1)、PWM斩波电路(2)、续流电路(3)、电机输入滤波电路(4)、半桥电路(9)；功率输入滤波电路(1)接收外部功率电压并送至斩波电路(2)，斩波电路(2)根据外部PWM信号来导通或关断，当导通时对功率电压进行斩波后送至滤波电路(4)，续流电路(3)将绕组信号送至滤波电路(4)；滤波电路(4)驱动外部电机(8)加速或减速转动，半桥电路(9)接收外部电机(8)产生的绕组信号后送至外部功率电压回线或续流电路(3)。本发明实现了在半桥驱动下能耗制动不换电流方向，使驱动电路具有结构简单，抗干扰能力强，可靠性高，功能强等优点。

Description

一种直流电机半桥驱动电路

技术领域

本发明涉及电路设计领域，特别是一种直流电机半桥驱动电路。

背景技术

航天用飞轮电机驱动一般采用半桥驱动方式，其加速驱动电路与制动电路分开，由于加速驱动电路和制动电路均需要大功率器件，而且功率器件需要多级电路实现驱动，元器件数量多，效率低，可靠性低。同时，现有的半桥驱动电路在能耗制动时有电流换向及不换向2种方式：对于电流换向方式，其驱动逻辑复杂，当电源干扰较大，状态切换时容易引起换向逻辑混乱，造成不正常导通引起电路损坏，驱动电路与制动电路分开，电路复杂，大功率管数量多，可靠性降低；对于电流不换向方式，现有的技术方案由于能耗电路处于续流回路中，在能耗制动时，电机输入为负电压，故电机输入LC滤波电路中不能采用容值较大的极性电容，所以电机输入电压波动较大，电流纹波较大。另外，工业用电机所采用的驱动电路，供电电路直接加在驱动电路上，PWM信号直接作用在换相驱动电路上，制动时换相管一般直接切换至反向工作逻辑，损耗大，功能少，同时缺乏对电机内环流的有效控制，可靠性低。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种直流电机半桥驱动电路。

本发明的技术解决方案是：一种直流电机半桥驱动电路，包括功率输入滤波电路、PWM斩波电路、续流电路、电机输入滤波电路、半桥电路，其中

功率输入滤波电路，当斩波电路导通时，接收外部功率电源发送的功率电压，进行滤波处理得到滤波后的功率电压并送至斩波电路；当斩波电路关断时，不进行任何操作；

斩波电路，当处于加速模式时，获取外部PWM信号并判断，如果PWM信号为高电平，则导通并接收功率输入滤波电路发送的滤波后的功率电压后进行斩波，将斩波后的功率电压送至滤波电路；如果PWM信号为低电平，则关断；当处于能耗制动模式时，则关断；当处于主动制动模式时，获取外部PWM信号并判断，如果PWM信号为高电平，则导通并接收功率输入滤波电路发送的滤波后的功率电压后进行斩波，将斩波后的功率电压送至滤波电路；如果PWM信号为低电平，则关断；所述的加速模式为驱动电机加速模式；所述的能耗制动模式为使用电机本身能量驱动电机制动的模式；所述的主动制动模式为使用外部功率电压、电机本身能量驱动电机制动的模式；

续流电路，接收半桥电路发送的整流后的绕组信号，并送至滤波电路；

滤波电路，当处于加速模式且斩波电路导通时，对斩波后的功率电压进行储能滤波处理，将储能滤波后的功率电压送至外部电机绕组中线，驱动外部电机加速转动；当处于加速模式且斩波电路关断时，对续流后的绕组信号进行滤波处理，并送至外部电机绕组中线，驱动外部电机加速转动；当处于能耗制动模式时，接收续流电路发送的绕组信号，进行滤波处理，并送至外部电机绕组中线，驱动外部电机减速转动；当处于主动制动模式且斩波电路导通时，对斩波后的功率电压进行储能滤波处理后，将储能滤波后的功率电压送至外部电机绕组中线，驱动外部电机减速转动；当处于主动制动模式且斩波电路关断时，对续流后的绕组信号进行滤波处理，并送至外部电机绕组中线，驱动外部电机减速转动；

半桥电路，接收外部控制信号、换相逻辑信号并判断，如果换相逻辑信号为低电平且控制信号为高电平，则导通，否则关断，若半桥电路导通，当处于加速模式且斩波电路导通时，接收外部电机产生的绕组信号后进行整流，将整流后的绕组信号送回外部功率电压回线，当处于加速模式且斩波电路关断时，接收外部电机产生的绕组信号后进行整流，将整流后的绕组信号送至续流电路；当处于能耗制动模式时，接收外部电机产生的绕组信号后进行整流，将整流后的绕组信号送至续流电路；当处于主动制动模式且斩波电路导通时，接收外部电机产生的绕组信号后进行整流，将整流后的绕组信号送回外部功率电压回线，当处于主动制动模式且斩波电路关断时，将整流后的绕组信号送至续流电路。

所述的PWM斩波电路包括电阻R20、电阻R21、三极管Q22、电阻R23、电阻R24、三极管Q25、电阻R26、三极管Q27，其中，

三极管Q22的B极经电阻R20后接PWM信号，E极经电阻R21接地，输入端C极经电阻R23接三极管Q25的B极，电阻R24两端分别接三极管Q25的B极与E极，三极管Q25的C极接三极管Q27的B极，电阻R26两端分别接三极管Q27的B极与E极，三极管Q27的C极接功率输入滤波电路的输出，三极管Q27的E极为PWM斩波电路(2)的功率输出。

所述的三极管Q22为NPN三极管，三极管Q25为PNP三极管，三极管Q27为NPN三极管。

所述的半桥电路包括半桥限流电路、半桥驱动电路，其中

半桥驱动电路，接收外部控制信号、换相逻辑信号并判断，如果换相逻辑信号为高电平且控制信号为低电平或高电平，半桥驱动电路关断，半桥限流电路关断，如果换相逻辑信号为低电平且控制信号为低电平，半桥驱动电路关断，半桥限流电路关断，如果换相逻辑信号为低电平且控制信号为高电平，半桥驱动电路导通，半桥限流电路导通；当半桥驱动电路导通时，半桥驱动电路接收半桥限流电路输出的整流后的绕组信号，若斩波电路导通，将整流后的绕组信号送回外部功率电压回线，若斩波电路关断，将整流后的绕组信号送至续流电路；

半桥限流电路导通时，接收外部电机产生的绕组信号进行整流并送至半桥驱动电路。

所述的半桥驱动电路包括前级电路、后级电路，其中

前级电路包括电阻R30、运算放大器、电阻R32、电容C33、三极管Q34；

运算放大器的正端接外部控制信号，电阻R30一端接地，另一端接运算放大器的负端，运算放大器的输出端接三极管Q34的B极，三极管Q34的C极接正电源，电阻R32、电容C33并联后一端接运算放大器的负端，另一端接三极管Q34的E极，三极管Q34的E极输出驱动管控制信号至半桥驱动电路的后级电路；

后级电路包括电阻R35、三极管Q36、电阻R37、三极管Q38、三极管Q39、电阻R40；

三极管Q36的C极经电阻R35、电阻R37接驱动管控制信号，三极管Q36的B极接换相逻辑信号，E极接地，三极管Q38的B极接电阻R37另一端，E极接三极管Q39的B极，电阻R40两端分别接三极管Q39的B极与E极，三极管Q38、三极管Q39的C极短接后接半桥限流电路(5)输出的整流后的绕组信号，三极管Q39的E极为半桥驱动电路的功率输出。

所述的三极管Q36、三极管Q34、三极管Q38、三极管Q39为NPN三极管。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明半桥驱动电路通过将功率输入滤波电路、PWM斩波电路、电机输入滤波电路、半桥电路、电流采样电路串联连接，续流电路与电机输入滤波电路、半桥电路和电流采样电路组成的串联电路并联连接，能耗电路与换相电路合并，实现了半桥驱动下能耗制动不换电流方向，使驱动电路具有结构简单，抗干扰能力强，可靠性高，功能强等优点；

(2)本发明半桥驱动电路中半桥电路将能耗制动与换相合并，在能耗制动时，电机输入电压不会出现负电压，电机输入滤波电路可以采用大容值电容，有效减小了电机输入信号的电压波动，提高输出电流的稳定性；

(3)本发明半桥驱动电路中半桥电路将能耗制动与换相合并，使用换相逻辑信号控制换相管的导通与关断，同时在换相管导通时使用控制信号实现了换相管的工作状态切换，实现容易、结构简单；

(4)本发明半桥驱动电路中半桥电路将能耗制动与换相合并，在能耗制动时，等同于三个制动电路轮流工作，减小了制动管热耗，提高了电路可靠性；

(5)本发明通过将输入信号PWM斩波后再进行滤波作为电机输入信号，提高了输入信号PWM的稳定性，且效率高；

(6)本发明通过采用二极管作为全桥驱动电路中的限流电路，杜绝内环流，提高输出力矩的稳定性，同时提高系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明一种直流电机半桥驱动电路结构示意图；

图2为本发明一种直流电机半桥驱动电路中PWM斩波电路结构示意图；

图3为本发明一种直流电机半桥驱动电路中驱动电路前级电路结构示意图；

图4为本发明一种直流电机半桥驱动电路中驱动电路后级电路结构示意图。

具体实施方式

本发明提出一种直流电机半桥驱动电路，通过将功率输入滤波电路、PWM斩波电路、电机输入滤波电路、半桥电路、电流采样电路串联连接；续流电路与电机输入滤波电路、半桥电路和电流采样电路组成的串联电路并联连接；能耗电路与换相电路合并，实现了半桥驱动下的能耗制动不换电流方向，使得驱动电路结构简单、抗干扰能力强、可靠性高。下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述。

如图1所示为本发明直流电机半桥驱动电路结构示意图，由图可知本发明半桥驱动电路包括功率输入滤波电路(1)、PWM斩波电路(2)、续流电路(3)、电机输入滤波电路(4)、半桥电路(9)和电流采样电路(7)，其中，功率输入滤波电路(1)输入接功率电源，输出接PWM斩波电路(2)的功率输入，PWM斩波电路(2)的功率输出接电机输入滤波电路(4)的输入，续流电路(3)的输入为功率回线，续流电路(3)的输出接电机输入滤波电路(4)的输入，功率电机输入滤波电路(4)的功率输出与外部电机(8)绕组中线连接，外部电机(8)三相绕组接半桥电路(9)的功率输入，半桥电路(9)的功率输出与电流采样电路(7)连接。其中，半桥电路(9)由3个半桥限流电路(5)与3个半桥驱动电路(6)分别串联连接组成，半桥驱动电路(6)与半桥限流电路(5)的连接位置可以互换，半桥电路(9)为三分枝电路，三分支中的驱动电路后级电路结构相同，共用驱动电路前级电路，半桥限流电路(5)采用功率二极管可以限制电流流向，杜绝电机内环流。

PWM斩波电路(2)的控制电路结构图如图2所示，外部PWM信号经电阻20后接NPN三极管22的B极，三极管22的E极经电阻21接地(电阻21用于限制三极管22的发射极电流)，三极管22的输入端C极经电路23接PNP三极管25的B极，电阻24两端分别接三极管25的B极与E极(分流并提供放电回路)，三极管25的C极接NPN三极管27的B极，电阻26两端分别接三极管27的B极与E极(分流并提供放电回路)，三极管27的C极接功率输入滤波电路(1)的输出(即即为PWM斩波电路(2)的功率输入)，三极管27的E极为PWM斩波电路(2)的功率输出。

如图3所示为本发明半桥驱动电路(6)的前级电路结构示意图，外部控制信号接运算放大器(31)的正端，电阻(30)一端接地，另一端接运算放大器(31)的负端，运算放大器(31)的输出端接NPN三极管(34)的B极，三极管(34)的C极接正电源，电阻(32)、电容(33)并联后一端接运算放大器(31)的负端，另一端接三极管(34)的E极，三极管(34)的E极为前级电路输出信号(驱动管控制信号)，驱动管控制信号直接接入半桥驱动电路(6)的后级电路。

如图4所示本发明半桥驱动电路(6)的后级电路结构示意图，驱动管控制信号经电阻(35)后接电阻(37)与NPN三极管(36)的C极，三极管(36)的B极接外部换相逻辑信号，三极管(36)的E极接地，电阻(37)另一端接NPN三极管(38)的B极，三极管(38)的E极接NPN三极管(39)的B极，电阻40两端分别接三极管39的B极与E极(分流并提供放电回路)，三极管(38)、三极管39的C极短接后接半桥限流电路(5)的输出，三极管39的E极为半桥驱动电路(6)的功率输出。当换相逻辑信号为低时，三极管(36)截止，驱动管控制信号经电阻(35)和电阻(37)驱动三极管(38)工作，三极管(38)发射极电流驱动三极管(39)工作，其中，电阻(40)用于三极管(39)的基极分流并提供放电回路，控制信号由低到高变化时，三极管(39)分别工作在关断状态、放大状态(能耗模式)和开关状态(加速模式、主动制动模式)。当换相逻辑信号为高时，三极管(36)导通，电阻(35)和电阻(37)连接处电压不高于三极管(36)C、E极间导通电压，三极管(38)和三极管(39)处于关断状态。

本发明直流电机半桥驱动电路实现方法具有三种工作模式：加速模式、能耗制动模式及主动制动模式。

当处于加速模式时，电机(8)的电流的大小由电机输入电压决定，电机(8)的输入电压由斩波电路2的PWM占空比决定。

斩波电路(2)中的斩波管(27)导通时，功率电压经负载滤波电路(1)，斩波电路(2)，滤波电路(4)后进入外部电机(8)绕组中线，然后从外部电机(8)一个绕组信号流入半桥电路(9)中的一个分支电路，然后经电流采样电路(10)后输出；

斩波电路(2)中的斩波管(27)关断时，滤波电路(4)作为供电电源，功率电压从滤波电路(4)流出，进入外部电机(8)绕组中线，然后从外部电机(8)一个绕组信号流入半桥电路(9)中的一个分支电路，流入电流采样电路(10)后，再经续流电路(3)流回滤波电路(4)。

当处于能耗制动模式时，斩波电路(2)中的斩波管(27)始终处于关断状态，外部电机(8)作为供电电源依靠自身转子的动能进行制动，从外部电机(8)的一个绕组信号线流出的电流依次经半桥电路(9)中的一个分支电路、电流采样电路(7)、续流电路(3)、和滤波电路(4)后，流入电机(8)的绕组中线。此时，电机输入电压最低约为-0.7V，滤波电路(4)中的电容可以选择容值较大的极性电容，电机输入信号纹波小，稳定度高。能耗制动时，通过调节换相管的电流即可实现对电机电流的控制。

当主动制动模式时，随着电机转子动能逐渐减小，当电机绕组所产生的反电势不足以维持能耗制动所需的电流时(能耗管已处于全通状态)，转入主动制动模式，斩波管打开，调节电机输入电压的大小，维持制动时所需的电机电流，通过调节PWM的占空比即可实现对电机电流的控制，此时电机(8)与外部电源同时作为供电电源：

斩波电路(2)中的斩波管(27)导通时，外部功率电压经负载滤波电路(1)，斩波电路(2)，滤波电路(4)后进入外部电机(8)绕组中线，然后从外部电机(8)一个绕组信号流入半桥电路(9)中的一个分支电路，然后经电流采样电路(7)后输出。同时外部电机(8)作为供电电源依靠自身转子的动能进行制动，从外部电机(8)的一个绕组信号线流出的电流依次经半桥电路(9)中的一个分支电路、电流采样电路(7)、续流电路(3)、和滤波电路(4)后，流入电机(8)的绕组中线。

斩波电路(2)中的斩波管(27)关断时，滤波电路(4)作为供电电源，功率电压从滤波电路(4)流出，进入外部电机(8)绕组中线，然后由另一个绕组信号线流出，经半桥电路(9)中的一个分支电路和电流采样电路(10)后，再经续流电路(3)流回滤波电路(4)。同时外部电机(8)作为供电电源依靠自身转子的动能进行制动，从外部电机(8)的一个绕组信号线流出的电流依次经半桥电路(9)中的一个分支电路、电流采样电路(10)、续流电路(3)和滤波电路(4)后，流入电机(8)的绕组中线。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种直流电机半桥驱动电路，其特征在于包括功率输入滤波电路(1)、PWM斩波电路(2)、续流电路(3)、电机输入滤波电路(4)、半桥电路(9)，其中

功率输入滤波电路(1)，接收外部功率电源发送的功率电压，进行滤波处理得到滤波后的功率电压并送至PWM斩波电路(2)；

PWM斩波电路(2)，当处于加速模式时，获取外部PWM信号并判断，如果PWM信号为高电平，则导通并接收功率输入滤波电路(1)发送的滤波后的功率电压后进行斩波，将斩波后的功率电压送至电机输入滤波电路(4)；如果PWM信号为低电平，则关断；当处于能耗制动模式时，则关断；当处于主动制动模式时，获取外部PWM信号并判断，如果PWM信号为高电平，则导通并接收功率输入滤波电路(1)发送的滤波后的功率电压后进行斩波，将斩波后的功率电压送至电机输入滤波电路(4)；如果PWM信号为低电平，则关断；所述的加速模式为驱动电机加速转动的工作模式；所述的能耗制动模式为使用电机本身能量驱动电机制动的工作模式；所述的主动制动模式为使用外部功率电压和电机本身能量共同驱动电机制动的工作模式；

续流电路(3)，接收半桥电路(9)发送的整流后的绕组信号，并送至电机输入滤波电路(4)；

电机输入滤波电路(4)，当处于加速模式且PWM斩波电路(2)导通时，对斩波后的功率电压进行储能滤波处理，将储能滤波后的功率电压送至外部电机(8)绕组中线，驱动外部电机(8)加速转动；当处于加速模式且PWM斩波电路(2)关断时，对续流后的绕组信号进行滤波处理，并送至外部电机(8)绕组中线，驱动外部电机(8)加速转动；当处于能耗制动模式时，接收续流电路(3)发送的绕组信号，进行滤波处理，并送至外部电机(8)绕组中线，驱动外部电机(8)减速转动；当处于主动制动模式且PWM斩波电路(2)导通时，对斩波后的功率电压进行储能滤波处理后，将储能滤波后的功率电压送至外部电机(8)绕组中线，驱动外部电机(8)减速转动；当处于主动制动模式且PWM斩波电路(2)关断时，对续流后的绕组信号进行滤波处理，并送至外部电机(8)绕组中线，驱动外部电机(8)减速转动；

半桥电路(9)，接收外部控制信号、换相逻辑信号并判断，如果换相逻辑信号为低电平且控制信号为高电平，则导通，否则关断，若半桥电路(9)导通，当处于加速模式且PWM斩波电路(2)导通时，接收外部电机(8)产生的绕组信号后进行整流，将整流后的绕组信号送回外部功率电压回线，当处于加速模式且PWM斩波电路(2)关断时，接收外部电机(8)产生的绕组信号后进行整流，将整流后的绕组信号送至续流电路(3)；当处于能耗制动模式时，接收外部电机(8)产生的绕组信号后进行整流，将整流后的绕组信号送至续流电路(3)；当处于主动制动模式且PWM斩波电路(2)导通时，接收外部电机(8)产生的绕组信号后进行整流，将整流后的绕组信号送回外部功率电压回线，当处于主动制动模式且PWM斩波电路(2)关断时，将整流后的绕组信号送至续流电路(3)。

2.根据权利要求1所述的一种直流电机半桥驱动电路，其特征在于：所述的PWM斩波电路(2)包括电阻R20、电阻R21、三极管Q22、电阻R23、电阻R24、三极管Q25、电阻R26、三极管Q27，其中，

三极管Q22的B极经电阻R20后接PWM信号，E极经电阻R21接地，输入端C极经电阻R23接三极管Q25的B极，电阻R24两端分别接三极管Q25的B极与E极，三极管Q25的C极接三极管Q27的B极，电阻R26两端分别接三极管Q27的B极与E极，三极管Q27的C极接功率输入滤波电路(1)的输出，三极管Q27的E极为PWM斩波电路(2)的功率输出。

3.根据权利要求2所述的一种直流电机半桥驱动电路，其特征在于：所述的三极管Q22为NPN三极管，三极管Q25为PNP三极管，三极管Q27为NPN三极管。

4.根据权利要求1或2所述的一种直流电机半桥驱动电路，其特征在于：所述的半桥电路(9)包括3路结构完全相同的电路结构，每1路电路结构均接1路绕组中线且最多只有1路电路结构导通工作，每1路电路结构包括半桥限流电路(5)、半桥驱动电路(6)，其中

半桥驱动电路(6)，接收外部控制信号、换相逻辑信号并判断，如果换相逻辑信号为高电平且控制信号为低电平或高电平，半桥驱动电路(6)关断，半桥限流电路(5)关断，如果换相逻辑信号为低电平且控制信号为低电平，半桥驱动电路(6)关断，半桥限流电路(5)关断，如果换相逻辑信号为低电平且控制信号为高电平，半桥驱动电路(6)导通，半桥限流电路(5)导通；

半桥限流电路(5)导通时，接收外部电机(8)产生的绕组信号进行整流并送至半桥驱动电路(6)；当半桥驱动电路(6)导通时，半桥驱动电路(6)接收半桥限流电路(5)输出的整流后的绕组信号，若PWM斩波电路(2)导通，将整流后的绕组信号送回外部功率电压回线，若PWM斩波电路(2)关断，将整流后的绕组信号送至续流电路(3)。

5.根据权利要求4所述的一种直流电机半桥驱动电路，其特征在于：所述的半桥驱动电路(6)包括前级电路、后级电路，其中

前级电路包括电阻R30、运算放大器(31)、电阻R32、电容C33、三极管Q34；

运算放大器(31)的正端接外部控制信号，电阻R30一端接地，另一端接运算放大器(31)的负端，运算放大器(31)的输出端接三极管Q34的B极，三极管Q34的C极接正电源，电阻R32、电容C33并联后一端接运算放大器(31)的负端，另一端接三极管Q34的E极，三极管Q34的E极输出驱动管控制信号至半桥驱动电路(6)的后级电路；

后级电路包括电阻R35、三极管Q36、电阻R37、三极管Q38、三极管Q39、电阻R40；

三极管Q36的C极经电阻R35、电阻R37接驱动管控制信号，三极管Q36的B极接换相逻辑信号，E极接地，三极管Q38的B极接电阻R37另一端，E极接三极管Q39的B极，电阻R40两端分别接三极管Q39的B极与E极，三极管Q38、三极管Q39的C极短接后接半桥限流电路(5)输出的整流后的绕组信号，三极管Q39的E极为半桥驱动电路(6)的功率输出。

6.根据权利要求5所述的一种直流电机半桥驱动电路，其特征在于：所述的三极管Q36、三极管Q34、三极管Q38或三极管Q39为NPN三极管。