基于输电线路野外遥控设备大功率直流电机的驱动保护设计方法

唐小亮　甄鸿俊（广东电网有限责任公司清远供电局，广东 清远 511515）

基于输电线路野外遥控设备大功率直流电机的驱动保护设计方法

唐小亮甄鸿俊
（广东电网有限责任公司清远供电局，广东 清远 511515）

摘要：以MD1211芯片为功率驱动核心，驱动多颗并联N沟道增强型场效应管。基于H桥PWM控制原理，利用光电隔离管设计了一种大功率直流电电机驱动控制电路，该电路能够很好地满足直流电机的正反转及连续调速控制，同时对电机运行电流的跟踪测量，对电机异常运行进行保护。运行表明该控制电路功耗低，驱动能力强，使用灵活。

关键词：H桥；PWM控制；MOS管并联；异常保护

输电线路野外遥控设备通常工作在架空输电线路上，采用塔上或地面遥控操作。这种远程遥控操作方式因操作人员与设备有一定的距离，不清楚设备的工作状态，容易出现误操作。误操作可能会出现电机堵转，电机在堵转时会出现较大的电流。如果不采取电机驱动保护措施，可能烧断电源系统保险，这样整套设备就无法操作控制。因此需要对电机驱动进行保护设计，在出现误操作时控制驱动电路自动保护电机。电机驱动保护电路因使用环境的特殊性，需要进行专门的驱动保护电路设计。

1　直流电机驱动原理

H桥驱动主要有3种方式。其一为H桥的4个桥臂均使用N沟道增强型MOS管；其二为H桥的4个桥臂均使用P沟道增强型MOS管；其三为上下桥臂分别使用的P沟道增强型MOS管和N沟道增强型MOS管。H桥的4个桥臂均使用N沟道增强型MOS管，如果使电机正转两个N沟道增强型MOS管完全导通，需要栅极电压高于源极电压，因此就要栅极提供电压大于控制电压，若控制电压为VCC，即栅极电必须大于VCC+Vgs，大多电机的的源直接来至VCC，想得到比VCC更高的电位就必须升压，升压电路比降压电中转换效率通常会低，因此4个桥臂均使用N沟道增强型MOS管的H桥我们较少使用。同样H桥的4个桥臂均使用P沟道增强型MOS管，如果使电机正转两个P沟道增强型MOS管完全导通，必须使得栅极电压低于-Vgs，这样电路控制电压得使用负压，负压往往我们使用升压DC/DC得到，这样电源转换效率也相对较低，电源电路也相对较复杂。因此最常用的是上下桥臂分别使用的P沟道增强型MOS管和N沟道增强型MOS管，该电路结合了上述两种电路的各自优点，使用方便。本文主要针对上下桥臂分别使用的P沟道增强型MOS管和N沟道增强型MOS管电路进行设计。

图1　

2　多颗MOS管并联

在大功率驱动实际应用中，单颗MOS管提供不了需要的大电流，此时我们需要把多颗MOS管并联起来应用，这样很大的电流由多颗MOS管来分担，单颗MOS管承担的电流就比较小了，确保了器件安全稳定地工作。但是如果应用不当，也会使多颗并联的MOS管电流不均衡，甚至损坏某颗MOS管使系统崩溃。

2.1 MOS管并联的可行性分析

MOS管的内阻的温度特性是随温度的升高内阻也增大，如果在并联过程中由于某种原因导致某颗MOS管的电流比较大，这颗MOS管会发热比较严重，内阻会升高比较多，电流就会降下来，当电流下降温度就下降，这样电流与温度形成了负反馈，由此可以分析出MOS管有自动均流的特性而易于并联。

2.2 MOS管的并联电路

MOS管理论上可以由N颗并联，实际MOS管并联多了容易引起走线很长，分布电感电容加大，对于高频电路工作产生不利的影响。下面以三颗N沟道增强型场效应管为例进行说明。并联的一般电路图如图1所示。

图1中，R1，R3，R5为栅极极驱动电阻，每个MOS管都由独立的栅极驱动电阻隔离驱动，主要是可以防止各个MOS管的寄生振荡，起到阻尼的作用。栅极极驱动电阻的取值十分关键，最值过小就起不到防止各个MOS管的寄生振荡的作用，如果取值大了，开关速度会变慢，由于每个MOS管的结电容会有细微的不同，结果取值过大还会导致各个MOS管的导通速度相差比较大，所以栅极极驱动电阻在能够防止各个MOS管的寄生振荡的情况下尽量小到可以满足开关速度。

3　电机运行异常保护

电机的保护方式有很多种，本文从驱动控制测量讲述对电机运行异常的保护。

采用MAX4372差分信号放大器，MAX4372放在微弱的差分电压的同时能够抑制输入共模电压，在实际应用中，为降低采样电阻上的发热，一般提高运放的放大倍数，选择较小的采样电阻。为使测量准确，首先电源的纹波要尽量的小，线路板电源电路部分布线一定要注意。同时在测量算法上也很重要。在实际应用中，一但测量到电机发生电流异常时，先作出预警，同时提高采样速率，进一步的比较判断如果继续异常，作出报警。报警发生后驱动电路将控制电机的运行状态来对电机进行保护。

结语

本文的创新点是设计了带自保护功能的高速大功率H桥电机驱动电路，详细的分析和探讨了如何提高驱动输出功率及电路稳定运行保护一些方法。根据本文所述的直流电机驱动电路已设出驱动电流达100A，电机速度调节响应快，PWM点空比调可在0至1之间任意调节，电机保护电流及保护时间可设置的驱动保护电路板，该设计正好解决了广东电网公司清远供电局“智能架空输电线路导、地线带电清除异物机械手”项目中的电机驱动保护设计。

参考文献

[1]谭建成．电机控制专用集成电路[M]．北京：机械工业出版社， 1997．

中图分类号：TM726

文献标识码：A