具有软启动功能的大功率直流电机驱动电路设计

陶瑞

（珠海云洲智能科技有限公司，广东珠海，519000）

1 问题提出

大功率直流电机启动瞬间会有一个较大的电流冲击，这个电流一般是电机正常工作电流的10倍左右或更大，容易损坏H桥电路，同时容易拉低供电电源，尤其是在需要频繁控制电机启停或正反转换向的场合，流过电机的电流有效值会极具增加，可能会导致线路发热或烧毁保险丝，造成设备损坏，因此需要设计一个具有软启动功能的大功率直流电机驱动电路，减小电机的启动电流冲击，使电机平滑启动，提高系统可靠性和使用寿命。

2 技术实现

■2.1 功能框架

考虑直流电机使用中会出现的常见问题，设计直流电机驱动电路包含以下功能：

(1)软启动。减小电机启动的冲击电流，提高系统可靠性和寿命。(2)宽电压输入。可以兼容市面上常用的12V和24V直流电机。(3)电源输入防反接。防止由于接线错误导致的模块损坏。(4)过流保护。防止电机堵转或短路等异常情况下，损坏电机和控制电路。(5)过压保护。防止驱动电压波动或接错电压造成驱动电路损坏。(6)死区保护。防止H桥上管和下管同时导通造成短路烧毁的情况。(7)隔离信号输入。系统控制信号和电机驱动电路隔离，减小驱动电路对系统电路的影响。(8)正反转切换延时。防止电机由正转直接切换到反转，或由反转直接切换到正转，造成的机械结构冲击和驱动电路的电流冲击，提高系统可靠性和寿命。(9)环境适应性设计。主要考虑使用场景可能比较苛刻，要求工作温度在-10℃~70℃，防护等级要达到IP66。

■2.2 硬件设计

本设计的直流电机驱动模块由DCDC电源，2路光电隔离输入，STM32微处理器，2个半桥驱动芯片以，H桥电路以及保护电路组成，硬件框图如图1所示。

图1 硬件框图

DC/DC电源，用于直流电机驱动模块供电，直流电机常用的工作电压是12V和24V，因此本设计的DC/DC电源选用9~36V输入，3.3V输出，可以满足常用的直流电机的使用。

两路光电隔离输入，用于接收系统发来的控制信号，当接收到第一路输入有效信号后，微处理器会控制电机正转，当接收到第二路输入有效信号后，微处理器会控制电机反转。同时具有保护功能，当同时给正转和反转信号，驱动器会停止输出，使电机停转。

STM32微处理器，是本设计的直流电机驱动模块的控制核心，用于接收控制状态，并通过发送脉宽调制（PWM）命令来控制电机缓启动，以及正转和反转切换功能。通过控制PWM脉宽调制，控制H桥电路输出给电机的电压从0V逐渐增加到电机工作的额定电压，可有效减小电机的启动电流，从而实现电机缓启动。

两个半桥驱动芯片，用来驱动H桥电路，本设计之所有采用半桥驱动芯片来控制H桥驱动，出于两方面原因：首先，半桥驱动芯片具有死区保护功能，可以防止同桥臂上下两个MOS同时导通导致的烧毁情况，而如果使用MCU来控制死区时序，不够稳定，异常情况下可能会出现烧毁MOS管的现象。其次，半桥驱动芯片具有自举电路，可以驱动N通道场效应管（NMOS），同级别的N通道场效应管比P通道场效应管的内阻低很多，而驱动电路的发热和这个内阻成正比，因此可以大大减小驱动电路的发热现象。

H桥电路由4个NMOS组成，通过控制4个NMOS的导通和关闭，可以控制电流的流向，最终实现对直流电机正反转的控制。

保护电路具有三个功能，首先是过压保护功能，通过在电源输入端加入TVS来实现。其次是输入反接保护功能，通过控制一个NMOS的开关来实现，然后是短路保护功能，通过电流采样电阻和电压比较器实现。

■2.3 软件设计

(1)电机正转缓启动控制

微处理器的PWM1口：占空比从0%逐渐调高至98%；PWM2口：占空比设置为0%，发送给半桥驱动芯片，从而驱动H桥左桥臂上面的NMOS和右桥臂下面的NMOS打开，并且使电压从0V逐渐升高至VCC，实现电机正转缓启动（见图2）。

图2 电机正转缓启动控制

(2)电机反转缓启动控制

微处理器的的PWM1口：占空比设置为0%；PWM2口：占空比从0%逐渐调高至98%，发送给半桥驱动芯片，从而驱动H桥左桥臂下面的NMOS和右桥臂上面的NMOS打开，并且使电压从0V逐渐升高至VCC，实现电机反转缓启动（见图3）。

图3 电机反转缓启动控制

(3)缓启动时间配置

为了适应不同的运用场景，软件可以配置缓启动时间。在需要相应速度比较快的场合，可以缩短缓启动时间，代价是启动电流的增加，在需要相应速度不高的场合，可以增加缓启动时间，可以减小启动电流冲击。

(4)正反转切换时间配置

与缓启动时间配置类似，软件可以配置正反转切换时间，以适应不同的运用场景。在需要相应速度比较快的场合，可以减小正转切换到反转的时间，代价是启动电流的增加，在需要相应速度不高的场合，可以增加正转切换到反转的时间，可以减小启动电流冲击。

3 应用效果

本设计应用到一个船用液压转向系统上，用于控制船用液压转向系统的液压泵，液压泵的电机额定工作电压12V，正常工作电流6~8A，通过控制施加在液压泵站电机上的电压，来控制电机正反转，从而驱动液压泵正转和反转，当给液压泵站电机施加正向电压时，液压泵正转，当给液压泵站电机施加负向电压时，液压泵反转。

为了验证本设计的实际使用效果，使用普通H桥驱动器和本设计带有缓启动功能的H桥驱动器做对比，分别驱动液压泵电机，抓取驱动过程中的电流波形，对比电机启停和换向过程中的最大冲击电流。

首先测量普通H桥驱动器驱动液压泵电机的冲击电流，抓取的电流波形如图4所示。

图4 普通H桥驱动器—电流波形图

电流传感器采用100A/5V传感器，电流值=Volts×20，从图4可以看出，启动电流峰值=5×20=100A。使用普通H桥电路来控制这个电机，在不加缓启动的情况下，启动冲击电流在100A左右，如果频繁启动会给整个系统带来很大冲击，同时会造成电流有效值极具升高，可能会烧保险丝，或拉低供电电压，造成系统的不稳定。

再对比本设计加入缓启动的H桥驱动器驱动液压泵电机的冲击电流，抓取的电流波形如图5所示。

图5 加入缓启动的H桥驱动器—电流波形图

电流传感器采用100A/5V传感器，电流值=Volts×20，从图5可以看出，启动电流峰值=0.6×20=12A。使用本设计带缓启动的H桥驱动控制这个电机，启动冲击电流在12A左右，对比普通H桥驱动100A的冲击电流，上电冲击电流明显减小，达到了缓启动的效果，提高了系统的可靠性。

下面列出测试数据对比表格，如表1所示。

表1

4 结语

大功率直流电机的启动冲击电流不容忽视，直接影响到整个系统的稳定，本设计的具有软启动功能的大功率直流电机驱动电路，有效的减小了电机启动电流，使电机平滑启动，同时加入了反接保护，过压保护，过流保护等功能，杜绝了实际使用中的常见问题的发生，是一个高可靠性的电机驱动电路，极大的提高了系统的可靠性和使用寿命，同时可以配置缓启动时间和正反转切换时间，增加了产品的适用性。