直流伺服电机轨到轨输出的PWM驱动电路设计

　　直流伺服电机具有调速性能好、调速精确等特点,在调速传动领域中占据主导地位。在车载电机当中,广泛应用的是大电流低电压的直流伺服电机。文中所要设计驱动的车载直流伺服电机的工作电压为24V,最大功率为750W,电路的最大电流达30 A以上。在这种情况下,驱动电路体积和发热量需要重点考虑。而为了减少发热量就必须提高驱动电路的效率,也就是要实现轨到轨输出。

　　直流伺服电机的驱动一般采用脉冲宽度调制(PWM)控制技术。传统的PWM控制技术中所使用的功率器件为功率三极管,它的导通压降为2 V,在低电压的情况下不符合轨到轨输出的要求。同样,绝缘栅双极型功率管(IGBT)的导通压降也为2 V,不符合设计要求。文中选择了功率金属-氧化层-半导体-场效晶体管(MOSFET),它的导通压降在几十到几百毫伏之间。在低电压的情况下采用功率MOSFET就可以较好地实现轨到轨输出的要求。功率MOSFET的开启电压为10 V,需要选择合适的驱动芯片来驱动。常规的芯片如IR 21xx系列,可以实现在PWM模式下的MOSFET驱动,但是在高占空比时就失效了。而LT1336款芯片具有IR 21 xx系列的功能,用它搭建的电感式开关自举电路还可以较好地实现PWM在100%高占空比下的MOSFET驱动,从而实现轨到轨输出。

　　1　直流伺服电机PWM全桥驱动原理

　　如图1所示,三极管V1,V4是同时导通和关断的,V2,V3也是如此,但是V1与V2,V3与V4都不允许同时导通,否则电源Ud直通短路。设V1,V4先同时导通T1s后同时关断,间隔一定时间t(t远小于T1和T2)之后,再使V2,V3同时导通T2s后同时关断。如此反复,电机电枢端电压的平均值为

　　由于0≤a≤1,Ua值的范围是-Ud~+Ud,因而电机可以在正反双向调速运转[1-2]。

　　从图1可以看出,传统的PWM全桥驱动所使用的功率器件为功率三极管,而它的压降为2 V,假设在PWM占空比为100%时V1,V4一直开启,即此电路满负荷运作,电源电压为设计要求的24 V,可以算出此时电机M上的实际电压和实际功率为

　　而理想的输出电压和功率为

　　而理想的输出电压和功率为

　　这与轨到轨的要求相差太远,因此要重新选择功率器件来进行设计。

　　2　功率器件的设计

　　功率器件包括功率IC和功率分立器件,这里使用的是功率分立器件。功率分立器件主要包括功率三极管、IGBT和MOSFET等半导体器件。经过上面的计算已知,功率三极管的导通压降很大,效率很低,不符合轨到轨输出的要求。而IGBT和功率三极管一样也存在2 V的导通压降,故也不符合设计要求[3]。

　　功率MOSFET,是一种单极型电压控制器件,具有导通电压低、负载电流大等优点。它的典型导通电压电流关系如图2所示[4]。