基于輸電線路野外遙控設備大功率直流電機的驅動保護設計方法

唐小亮 甄鴻俊

摘 要：以MD1211芯片為功率驅動核心，驅動多顆并聯N溝道增強型場效應管。基于H橋PWM控制原理，利用光電隔離管設計了一種大功率直流電電機驅動控制電路，該電路能夠很好地滿足直流電機的正反轉及連續調速控制，同時對電機運行電流的跟蹤測量，對電機異常運行進行保護。運行表明該控制電路功耗低，驅動能力強，使用靈活。

關鍵詞：H橋；PWM控制；MOS管并聯；異常保護

中圖分類號：TM726 文獻標識碼：A

輸電線路野外遙控設備通常工作在架空輸電線路上，采用塔上或地面遙控操作。這種遠程遙控操作方式因操作人員與設備有一定的距離，不清楚設備的工作狀態，容易出現誤操作。誤操作可能會出現電機堵轉，電機在堵轉時會出現較大的電流。如果不采取電機驅動保護措施，可能燒斷電源系統保險，這樣整套設備就無法操作控制。因此需要對電機驅動進行保護設計，在出現誤操作時控制驅動電路自動保護電機。電機驅動保護電路因使用環境的特殊性，需要進行專門的驅動保護電路設計。

1 直流電機驅動原理

H橋驅動主要有3種方式。其一為H橋的4個橋臂均使用N溝道增強型MOS管；其二為H橋的4個橋臂均使用P溝道增強型MOS管；其三為上下橋臂分別使用的P溝道增強型MOS管和N溝道增強型MOS管。H橋的4個橋臂均使用N溝道增強型MOS管，如果使電機正轉兩個N溝道增強型MOS管完全導通，需要柵極電壓高于源極電壓，因此就要柵極提供電壓大于控制電壓，若控制電壓為VCC，即柵極電必須大于VCC+Vgs，大多電機的的源直接來至VCC，想得到比VCC更高的電位就必須升壓，升壓電路比降壓電中轉換效率通常會低，因此4個橋臂均使用N溝道增強型MOS管的H橋我們較少使用。同樣H橋的4個橋臂均使用P溝道增強型MOS管，如果使電機正轉兩個P溝道增強型MOS管完全導通，必須使得柵極電壓低于-Vgs，這樣電路控制電壓得使用負壓，負壓往往我們使用升壓DC/DC得到，這樣電源轉換效率也相對較低，電源電路也相對較復雜。因此最常用的是上下橋臂分別使用的P溝道增強型MOS管和N溝道增強型MOS管，該電路結合了上述兩種電路的各自優點，使用方便。本文主要針對上下橋臂分別使用的P溝道增強型MOS管和N溝道增強型MOS管電路進行設計。

2 多顆MOS管并聯

在大功率驅動實際應用中，單顆MOS管提供不了需要的大電流，此時我們需要把多顆MOS管并聯起來應用，這樣很大的電流由多顆MOS管來分擔，單顆MOS管承擔的電流就比較小了，確保了器件安全穩定地工作。但是如果應用不當，也會使多顆并聯的MOS管電流不均衡，甚至損壞某顆MOS管使系統崩潰。

2.1 MOS管并聯的可行性分析

MOS管的內阻的溫度特性是隨溫度的升高內阻也增大，如果在并聯過程中由于某種原因導致某顆MOS管的電流比較大，這顆MOS管會發熱比較嚴重，內阻會升高比較多，電流就會降下來，當電流下降溫度就下降，這樣電流與溫度形成了負反饋，由此可以分析出MOS管有自動均流的特性而易于并聯。

2.2 MOS管的并聯電路

MOS管理論上可以由N顆并聯，實際MOS管并聯多了容易引起走線很長，分布電感電容加大，對于高頻電路工作產生不利的影響。下面以三顆N溝道增強型場效應管為例進行說明。并聯的一般電路圖如圖1所示。

圖1中，R1，R3，R5為柵極極驅動電阻，每個MOS管都由獨立的柵極驅動電阻隔離驅動，主要是可以防止各個MOS管的寄生振蕩，起到阻尼的作用。柵極極驅動電阻的取值十分關鍵，最值過小就起不到防止各個MOS管的寄生振蕩的作用，如果取值大了，開關速度會變慢，由于每個MOS管的結電容會有細微的不同，結果取值過大還會導致各個MOS管的導通速度相差比較大，所以柵極極驅動電阻在能夠防止各個MOS管的寄生振蕩的情況下盡量小到可以滿足開關速度。

3 電機運行異常保護

電機的保護方式有很多種，本文從驅動控制測量講述對電機運行異常的保護。

采用MAX4372差分信號放大器，MAX4372放在微弱的差分電壓的同時能夠抑制輸入共模電壓，在實際應用中，為降低采樣電阻上的發熱，一般提高運放的放大倍數，選擇較小的采樣電阻。為使測量準確，首先電源的紋波要盡量的小，線路板電源電路部分布線一定要注意。同時在測量算法上也很重要。在實際應用中，一但測量到電機發生電流異常時，先作出預警，同時提高采樣速率，進一步的比較判斷如果繼續異常，作出報警。報警發生后驅動電路將控制電機的運行狀態來對電機進行保護。

結語

本文的創新點是設計了帶自保護功能的高速大功率H橋電機驅動電路，詳細的分析和探討了如何提高驅動輸出功率及電路穩定運行保護一些方法。根據本文所述的直流電機驅動電路已設出驅動電流達100A，電機速度調節響應快，PWM點空比調可在0至1之間任意調節，電機保護電流及保護時間可設置的驅動保護電路板，該設計正好解決了廣東電網公司清遠供電局“智能架空輸電線路導、地線帶電清除異物機械手”項目中的電機驅動保護設計。

參考文獻

[1]譚建成.電機控制專用集成電路[M].北京：機械工業出版社， 1997.