论文部分内容阅读
[摘 要] 以MSK4205芯片为核心，基于H桥脉宽调制（PWM）控制原理，采用速度环、位置环设计了一种大功率直流电机驱动控制电路，该电路能够很好的满足直流电机正、反转控制和调速的需要。工程应用表明该驱动控制电路具有性能稳定、驱动能力大、抗干扰强等特点，有较高的工程应用价值。
[关键词] PWM控制 电机驱动 MSK4205
引言
直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便、调速范围广，过载能力强，可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转，能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊运行要求，因此在工业控制领域，直接电机得到了广泛的应用。
采用智能功率模块驱动电机是伺服系统设计趋势，与分立元件组成的功率驱动电路相比，功率模块体积小、可靠性高、电路设计简单明了。MSK4205芯片是一款新型的驱动模块，内部采用H桥设计来产生PWM信号，具有驱动能力大，开关频率高、可外部控制刹车等功能，本文以MSK4205芯片为核心，介绍其外围速度环、电流环的设计原理和方法，工程应用表明设计的直流电机驱动电路有广泛的工程应用前景。
1.系统构成及工作原理
1.1 系统构成
本系统以MSK4205芯片为核心，外围辅以速度环、电流环对速度给定信号进行调节以满足MSK4205芯片PWM控制的需要。系统构成如图1所示：
1.2 工作原理
接收外部的速度信号，先进入速度调节环，将速度信号调节到PWM信号限定的范围内。调节后的信号送入电流调节环，将送入驱动芯片的PWM信号限定在0~10V的范围内。驱动电路通过取样电阻将电机电流转化为电压信号，经过滤波后反馈到电流PI调节环的输入端与给定的速度输入控制信号进行比对，以产生新的PWM控制信号来控制电机的正反转及转速快慢变化。同时可以设计一个驱动检测电路来供外部的控制系统以检测驱动芯片是否正常工作。刹车信号可以在电机飞车的状态下强制电机停转。
2.系统硬件设计
按照系统结构图可将电路分为调节电路部分、驱动电路部分、驱动检测及刹车部分，下面将详述各部分电路的设计原理。
2.1 调节电路部分
由于速度环和电流环的设计原理基本相同，在此以电流环为例来说明调节电路部分的设计原理，原理图如图2所示。
电流A、B端得取样反馈经过RC滤波后通过运放产生一个电流反馈信号，该电流反馈信号与电流给定进行比较来计算出相应的PWM控制信号，将此PWM控制信号送入驱动电路可控制电机正反转。其计算公式为：
VOG=(15-SOG)/2 （1）
两个浪涌吸收二极管可将PWM输出电压控制在3~7V范围内以满足驱动电路的输入需要。
2.2 驱动电路部分
电机驱动芯片MSK4205是通过PWM来控制电机的正反转，电路中PWM的电压输入范围为3V~7V，以5V为中心，5V对应占空比50%，占空比控制电机电流的输出。驱动电路如图3所示：
图3 驱动电路原理图
R14、R15为取样电阻，构成取样电流反馈，旁路电容滤除切换瞬间的漏电压干扰，二极管保护芯片内部的MOSFETS，AOUTG、BOUTG为电机驱动输出信号，直接接入电机即可。
2.3 驱动检测及刹车部分
驱动检测部分产生一个3.3V信号供控制系统来检测，在控制系统给低电平的情况下可控制芯片刹车。原理图如图4所示：
3.硬件测试
为了对所设计的驱动电路进行测试，选用直流电机进行闭环控制，电机的峰值堵转电压为60V，峰值堵转电流为9A，连续堵转电压24V,连续堵转电流3.6A。为了测试电路工作的稳定性，让电机连续工作24小时，电路的发热较小，无问题发生。为了测试电路的抗冲击、抗干扰能力，系统在开与关之间连续进行多次切换，无故障现象发生。另外系统在突然增加外负载的情况下也能正常的工作，完全能满足驱动的需要，而且，在设计过程中，为防止启动和制动电流的骤然升高，电路有较大的电流冗余，有效的保证了电路工作的稳定性并具有较强的抗干扰能力。
4.结论
本文介绍了基于MSK4205芯片的电机驱动电路的设计方法，详细分析和探讨了电路设计出可能出现的一些问题，并通过理论计算和工程实践解决了上述问题，该电路实用可靠，尤其适合驱动大功率的直流电机，有较高的工程应用价值。
参考文献：
[1] 张琛. 直流无刷电动机原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2004.
[2] 孙立军，孙累，张春喜等. 无刷直流电机PWM调制方式研究[J].哈尔滨理工大学学报，2006，11（2）：120-123.
[3] 汪华章，宰文姣，马亚宁等. 较大功率直流电机驱动电路的设计与实现[J].西南名族大学学报，2010，36（4）：654.
[关键词] PWM控制 电机驱动 MSK4205
引言
直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便、调速范围广，过载能力强，可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转，能满足生产过程中自动化系统各种不同的特殊运行要求，因此在工业控制领域，直接电机得到了广泛的应用。
采用智能功率模块驱动电机是伺服系统设计趋势，与分立元件组成的功率驱动电路相比，功率模块体积小、可靠性高、电路设计简单明了。MSK4205芯片是一款新型的驱动模块，内部采用H桥设计来产生PWM信号，具有驱动能力大，开关频率高、可外部控制刹车等功能，本文以MSK4205芯片为核心，介绍其外围速度环、电流环的设计原理和方法，工程应用表明设计的直流电机驱动电路有广泛的工程应用前景。
1.系统构成及工作原理
1.1 系统构成
本系统以MSK4205芯片为核心，外围辅以速度环、电流环对速度给定信号进行调节以满足MSK4205芯片PWM控制的需要。系统构成如图1所示：
1.2 工作原理
接收外部的速度信号，先进入速度调节环，将速度信号调节到PWM信号限定的范围内。调节后的信号送入电流调节环，将送入驱动芯片的PWM信号限定在0~10V的范围内。驱动电路通过取样电阻将电机电流转化为电压信号，经过滤波后反馈到电流PI调节环的输入端与给定的速度输入控制信号进行比对，以产生新的PWM控制信号来控制电机的正反转及转速快慢变化。同时可以设计一个驱动检测电路来供外部的控制系统以检测驱动芯片是否正常工作。刹车信号可以在电机飞车的状态下强制电机停转。
2.系统硬件设计
按照系统结构图可将电路分为调节电路部分、驱动电路部分、驱动检测及刹车部分，下面将详述各部分电路的设计原理。
2.1 调节电路部分
由于速度环和电流环的设计原理基本相同，在此以电流环为例来说明调节电路部分的设计原理，原理图如图2所示。
电流A、B端得取样反馈经过RC滤波后通过运放产生一个电流反馈信号，该电流反馈信号与电流给定进行比较来计算出相应的PWM控制信号，将此PWM控制信号送入驱动电路可控制电机正反转。其计算公式为：
VOG=(15-SOG)/2 （1）
两个浪涌吸收二极管可将PWM输出电压控制在3~7V范围内以满足驱动电路的输入需要。
2.2 驱动电路部分
电机驱动芯片MSK4205是通过PWM来控制电机的正反转，电路中PWM的电压输入范围为3V~7V，以5V为中心，5V对应占空比50%，占空比控制电机电流的输出。驱动电路如图3所示：
图3 驱动电路原理图
R14、R15为取样电阻，构成取样电流反馈，旁路电容滤除切换瞬间的漏电压干扰，二极管保护芯片内部的MOSFETS，AOUTG、BOUTG为电机驱动输出信号，直接接入电机即可。
2.3 驱动检测及刹车部分
驱动检测部分产生一个3.3V信号供控制系统来检测，在控制系统给低电平的情况下可控制芯片刹车。原理图如图4所示：
3.硬件测试
为了对所设计的驱动电路进行测试，选用直流电机进行闭环控制，电机的峰值堵转电压为60V，峰值堵转电流为9A，连续堵转电压24V,连续堵转电流3.6A。为了测试电路工作的稳定性，让电机连续工作24小时，电路的发热较小，无问题发生。为了测试电路的抗冲击、抗干扰能力，系统在开与关之间连续进行多次切换，无故障现象发生。另外系统在突然增加外负载的情况下也能正常的工作，完全能满足驱动的需要，而且，在设计过程中，为防止启动和制动电流的骤然升高，电路有较大的电流冗余，有效的保证了电路工作的稳定性并具有较强的抗干扰能力。
4.结论
本文介绍了基于MSK4205芯片的电机驱动电路的设计方法，详细分析和探讨了电路设计出可能出现的一些问题，并通过理论计算和工程实践解决了上述问题，该电路实用可靠，尤其适合驱动大功率的直流电机，有较高的工程应用价值。
参考文献：
[1] 张琛. 直流无刷电动机原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2004.
[2] 孙立军，孙累，张春喜等. 无刷直流电机PWM调制方式研究[J].哈尔滨理工大学学报，2006，11（2）：120-123.
[3] 汪华章，宰文姣，马亚宁等. 较大功率直流电机驱动电路的设计与实现[J].西南名族大学学报，2010，36（4）：654.