基于模拟电路小型直流电机控制器的设计

摘　要：直流电动机具有良好的起动、转矩性能，适于在大范围内平滑调速，在许多电力拖动领域得到了广泛的应用。目前常用的是PWM直流斩波调速技术，该技术具有调速精度高，响应速度快、调速范围广和损耗低的特点。介绍了一种利用模拟和数字硬件集成电路构成的直流电机调速系统，该系统具有结构稳定，电路结构简单，成本低的特点。

关键词：PWM　LM339　直流电机　控制器

中图分类号：TM33

文献标识码：A

文章编号：1007-3973（2012）008-030-03

1 引言

直流电动机具有良好的起动、转矩性能，适于在大范围内平滑调速，在许多电力拖动领域得到了广泛的应用。本设计主要针对小型直流电机平滑调速应用领域设计开发的控制器。在设计中选用模拟电路集成电路芯片作为控制器核心，舍弃了单片机控制的方法，控制功能完全由硬件电路完成，提高了工作的可靠性，同时降低了成本。

2 直流电机调速原理

早期的直流电动机调速系统采用改变电枢回路中的电阻的方式实现调速。这种方法结构简单；但效率低，串入电阻后电机机械特性变软，不能实现大范围和无级调速的性能。目前常用是PWM斩波技术实现直流电机的宽范围无级变速。直流电动机的转速n特性公式为 式Ua为电枢供电电压，Ia电枢电流，%O为励磁磁通，R为电枢回路总电阻，CE为电势系数， （p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数）。改变输入电压Ua就可以对电机实现调速功能。

3 系统设计

设计方案主要由两部分组成：控制电路部分和主电路部分。主电路采用BUCK降压斩波拓扑，由于直流电机属于感性负载，为防止MOS管在关断期间发生击穿，在电机两端并联二极管进行续流。控制电路主要产生PWM波形，并提供各种过流、过热保护。

3.1 主电路

主电路如图1所示。

由于电机为感性负载，在图中将电机以L进行替代，则输出电压（%Z为导通占空比，UO是负载电压，E是电池电压）通过调节PWM的占空比来控制流过电机的电流大小。电容主要进行滤波，减小电池电压波动的影响；采样电阻的作用是电流采样，进行过流保。

3.2 控制电路

在控制电路中选用LM339电压比较器芯片引脚图如图2，其内部装有四个独立的电压比较器，是很常见的模拟集成电路，可以方便的组成各种电压比较器电路和振荡器电路，能达到设计要求。用LM339产生锯齿波信号和参考信号经过一个比较器产生PWM波形。锯齿波电路如图3，上电时电容开始充电，电压增加。11脚电位高于10脚，比较器13脚输出高电平。10脚的波形就是电容的充电过程曲线，也就是锯齿波的上升沿。随着电容不断充电，10脚电位不断升高，当高于11脚时电压时，比较器翻转输出低电平，这样原来截止的负反馈回路导通，电容通过这个回路向13脚迅速放电。10脚波形就变成了电容的放电曲线，锯齿波的下降沿。

10脚电压随电容不断放电而减小，当其电压小于V11，时比较器又翻转，电容重复充电过程，如此往复下去就形成了连续的锯齿波形。PWM波形产生电路如图4所示。加速器的输入信号为0～5V，锯齿波幅值为0～5V，当加速信号高于锯齿波信号时比较器输出高电平，锯齿波电平高于加速信号电平，比较器输出低电平，通过对加速信号的调节，改变比较基准，实现占空比的调节。

3.3 过流保护电路

为保障电路板的安全以及电池电机的安全，需要在控制电路中加上过流保护，来限制主电路的最大电流，防止由主电路过流引起的安全事故的发生。过流保护由一个比较器和一个运放组成如图5，图中R为康铜丝采样电阻，由于这种电阻阻值很小，通20A电流时仅产生百毫伏的分压，需要对采样电压进行一级放大，放大采用MCP6282，然后送到比较器，通过与设定的基准的比较，决定输出保护信号电位的高低。

设计过流保护具有自锁和自启动功能，在PWM的一个周期内当有过流发生时，比较器输出过流保护信号并自锁，使比较器在这一个周期内一直输出过流信号而不受采样电压的影响，当下一个周期来临时，过流保护信号自锁解除，比较器仍根据采样电压判断是否输出过流信号，此自启动功能由峰值电流调控来实现。如图5所示。

图5中，正相输入端5脚为采样电压信号，反相输入端4脚为基准电压，当5脚电位高于4脚电位，即过流时，比较器输出端2电位变高，三极管Q导通，使得与之联通的PWM信号被封锁，实现了过流保护。在未过流前，比较器输出为低，正反馈回路由于二极管的作用被关断，5脚电位不受其影响。过流时，比较器输出端翻转为高电平，通过正反馈回路使5脚电位变为 (比较器高电平输出近似为 )调整R22，R19的阻值使得V5大于基准电压4引脚处电位，则比较器输出端一直为高电平，从而不受采样电压的影响，实现过流自锁功能。自启动功能由二极管D4实现，D4的阴极接到锯齿波发生电路的放电端，即图3中的13脚，在一个周期内电容未放电时，13脚为高电平，但由于二极管的作用，此时对5脚电位无影响。电容放电时，比较器翻转，13脚为低电平，在这段时间内5脚电位被拉低，这样每个周期内5脚电位都会被拉第一次。一旦过流保护被自锁，下一个周期内，由于5脚电位被拉低，比较器就会解除自锁，实现重启动。

3.4 欠压保护电路

随着电池电量的减小，电池两端的电压会下降，如果不采取措施会使电池过放电，影响电池寿命。

欠压保护由一个比较器来实现，如图6所示。反相输入端6脚为基准电压，同相输入端7脚是经过分压处理后的电池电压信号。比较器输出端1脚通过反接一个二极管接到加速信号。当电池电压正常时，比较器输出端为高电位，由于二极管的作用高电位对加速信号没有影响。当电池欠压时，7脚电位小于6脚电位，比较器输出翻转，1脚变为低电平，进而将加速信号拉低为低电平，这样PWM信号就会变为低，从而使主电路断开，电池停止放电，这样就起到了欠压保护的作用。

3.5 过热保护电路

如图7所示，其中二极管正端接加速信号端。热保护用一个运放就能完成保护功能，运放的反向输入端是基准电压用来设定温度上限，同向输入端负温度系数的热敏电阻采样分压。热敏分压高于基准电压，运放输出高电平，二极管截止。当温度高时，热敏的阻值变小，分压变小，比较器输出低电平，二极管导通，电平将加速信号拉低，PWM输出变低，从而起到了保护的作用。

4 调试结果

经过调试和测试，控制器PWM驱动波形如图8所示波形比较好没有毛刺。过流响应如图9所示，响应速度快。MOS管驱动波形如图10所示与PWM波形有很好的一致性。接入电机上电实验表明该系统具有很好的调速性能，平滑性也比较好。

5 结论

本设计小型直流电机控制原理简单，运行可靠稳定。输出峰值功率可达1KW。该设计采用PWM直流斩波技术构成的无级调速系统，能够很好的实现对直流电机速度的控制，在保护方面能够对电池以及控制器本身的保护，启停时对直流系统无冲击。特别是该系统应用单纯的模拟系统，为低成本直流电机控制器的设计开辟了新的道路。

参考文献：

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