一种低压直流电机正反转调速电路及调速器

摘要

本实用新型提供一种低压直流电机正反转调速电路，包括：BOOST升压电路、控制电路和驱动电路；本实用新型所公开的低压直流电机正反转调速电路及调速器，具有快速实现直流电机的正反转切换和调速功能，控制方式为全桥控制，其中调速功能通过调节调节滑动变阻器来改变PWM信号占空比来实现，正反转切换则通过组合门电路芯片来实现，同时PWM发生芯片简单可靠及使用方便灵活，内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，MOSFET选用IRFP460，以满足低压大功率直流电机的控制需要，另外BOOST电路芯片具有温度自动补偿以及过流保护的功能，提高了输出电压的稳定性，使控制精度提高，因此本设计具有易操作，高性能，高可靠性的优点。

说明书

技术领域

本实用新型涉及电机控制技术领域，具体为一种低压直流电机正反转调速电路及调速器。

背景技术

电机作为主要的机电能量转换装置，应用范围遍及生活的方方面面，随着蓄电池、锂电池的出现，各种低压直流电机的应用也更加广泛。

虽然集成模块直流电机控制方案使用起来比较简单，但是成本较高且只能适用于一些低压低电流的小功率直流电机，对于控制一些低压大功率的直流电机则不能使用这些集成模块来控制驱动，否则会导致芯片严重发热并烧毁，存在不易操作，性能低，高可靠性低的问题。

实用新型内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种低压直流电机正反转调速电路及调速器，解决了上述背景技术中提出的对于控制一些低压大功率的直流电机使用集成模块直流电机控制方案导致芯片严重发热并烧毁，存在不易操作，性能低，高可靠性低的问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本实用新型通过以下技术方案予以实现：

一种低压直流电机正反转调速电路，包括：BOOST升压电路、控制电路和驱动电路；

所述BOOST升压电路包括：VCC电源、MC34063电源芯片、电阻R8、R9、R10、R11、电容C7、C8、C9、电感L1、二极管D3；

MC34063电源芯片的DC引脚连接电阻R11,电阻R11连接电阻R8，电阻R8与VCC电源连接；

MC34063电源芯片的IS引脚连接电阻R8；

MC34063电源芯片的VCC引脚连接VCC电源连接；

VCC电源通过电容C7接地；

MC34063电源芯片的COMP引脚连接电阻R9、R10,电阻R9连接12V电源,电阻R10接地；

MC34063电源芯片的DC引脚通过电阻R11连接电感L1,MC34063电源芯片的SC引脚连接电感L1；

MC34063电源芯片的SC引脚与二极管D3连接输出+12V电压；

MC34063电源芯片的SE引脚与电容C8连接；电容C8的负极与GND脚和SE脚共地；

MC34063电源芯片的TC脚通过电容C9接地；

所述控制电路，包括：PWM发生芯片SG3525AN，与或选择门芯片CD4019BPWR，滑动变阻器RP1、RP2,电阻R1、R2、R3，电容C1、C6,开关S1以及非门电路U5、U6；

PWM发生芯片SG3525AN的VCC和GND对应接BOOST电路输出的12V电压的正极和负极，VC脚连接电阻R2、非门U5的公共端；

PWM发生芯片SG3525AN的OUTA、OUTB、SD脚均接地；

PWM发生芯片SG3525AN的OSC OUT、SYNC、SS脚均悬空；

PWM发生芯片SG3525AN的VREF脚通过电阻R2与VC脚相连，RT脚通过电阻R1与滑动变阻器RP2串联后接地；

PWM发生芯片SG3525AN的DISC与CT脚相连，并通过电容C1接地；CMPEN和IN-相连，滑动变阻器RP1、RP2两端接12V电压，其可调节端接PWM发生芯片SG3525AN的IN+脚；

PWM发生芯片SG3525AN的VC脚输出的PWM信号连接CD4019BPWR芯片的A1、B2脚，非门U5输出的信号连接A2、B1脚，VDD连接VCC、VSS接地，KA脚通过电阻R3接电源VCC，通过电容C6接地，以及通过非门U6与KB脚相连；开关S1一端接KA脚，另一端接地,A3、A4、B3、B4、D3、D4脚均悬空；

所述驱动电路，包括：Us电源、两块IR2104半桥驱动芯片U2、U4，四块MOSFETQ1、Q2、Q3、Q4,二极管D1、D2,电阻R4、R5、R6、R7,电解电容C2、C3、C4、C5；

IR2104半桥驱动芯片U2的VCC脚接+12V电压，并通过二极管D1与VB脚相连，IN脚连接CD4019BPWR芯片的D1脚，SD#脚连接电解电容C2的正极，COM脚连接电容C2的负极，电解电容C2正极接+12V电压，负极接地，VB脚通过电容C3与VS脚相连，HO脚通过电阻R4接Q1的栅极，LO脚通过电阻R5接Q2的栅极，Q1的漏极接Us，源极同时接VS脚和Q2的漏极，Q2的源极接地；

IR2104半桥驱动芯片U4的VCC脚接+12V电压，并通过二极管D2与IR2104半桥驱动芯片U4的VB脚相连，IR2104半桥驱动芯片U4的IN脚连接CD4019BPWR芯片的D2脚，IR2104半桥驱动芯片U4的SD#脚连接电容C5的正极，IR2104半桥驱动芯片U4的COM脚连接电容C5的负极，电容C5正极接+12V电压，负极接地，IR2104半桥驱动芯片U4的VB脚通过电容C4与VS脚相连，IR2104半桥驱动芯片U4的HO脚通过电阻R6接Q3的栅极，IR2104半桥驱动芯片U4的LO脚通过电阻R7接Q4的栅极，Q3的漏极接Us，源极同时接IR2104半桥驱动芯片U4的VS脚和Q4的漏极，Q4的源极接地；

IR2104半桥驱动芯片U2的VS引脚和IR2104半桥驱动芯片U4的VS引脚连接电机U7。

优选地，所述电阻R8选用0.22Ω的精密电流采样电阻。

优选地，所述PWM发生芯片SG3525AN内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器。

优选地，所述VCC电源选用7.4V锂电池。

优选地，所述MOSFET选用IRFP460，以满足低压大功率直流电机的控制需要。

本实用新型还提供一种低压直流电机正反转调速器，所述调速器基于如前任一所述的调速电路对电机进行控制。

(三)有益效果

本实用新型提供了一种低压直流电机正反转调速电路及调速器。具备以下有益效果：

本实用新型所公开的一种低压直流电机正反转调速电路及调速器，具有快速实现直流电机的正反转切换和调速功能，控制方式为全桥控制，其中调速功能通过调节调节滑动变阻器来改变PWM信号占空比来实现，正反转切换则通过组合门电路芯片来实现，同时PWM发生芯片简单可靠及使用方便灵活，内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能。MOSFET选用IRFP460，以满足低压大功率直流电机的控制需要，另外BOOST电路芯片具有温度自动补偿以及过流保护的功能，提高了输出电压的稳定性，使控制精度提高，因此本设计具有易操作，高性能，高可靠性的优点。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种低压直流电机正反转调速电路详细电路图；

图2为本实用新型提供的一种低压直流电机正反转调速电路的电路框图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本实用新型实施例提供一种低压直流电机正反转调速电路，包括：BOOST升压电路1、控制电路2和驱动电路4；本设计的BOOST电路1即可输出稳定的12V电压为控制模块2及驱动模块供电3；

所述BOOST升压电路包括：VCC电源、MC34063电源芯片U8、电阻R8、R9、R10、R11、电容C7、C8、C9、电感L1、二极管D3；

MC34063电源芯片U8的DC引脚连接电阻R11,电阻R11连接电阻R8，电阻R8与VCC电源连接；MC34063芯片内部具有温度自动补偿功能的基准电压发生器，提高了输出电压的稳定性，同时具备过流保护功能；

MC34063电源芯片的IS引脚连接电阻R8；

MC34063电源芯片的VCC引脚连接VCC电源连接；

VCC电源通过电容C7接地；

MC34063电源芯片的COMP引脚连接电阻R9、R10,电阻R9连接12V电源,电阻R10接地；

MC34063电源芯片的DC引脚通过电阻R11连接电感L1,MC34063电源芯片的SC引脚连接电感L1；

MC34063电源芯片的SC引脚与二极管D3连接输出+12V电压；

MC34063电源芯片的SE引脚与电容C8连接；电容C8的负极与GND脚和SE脚共地；

MC34063电源芯片的TC脚通过电容C9接地；

所述控制电路，包括：PWM发生芯片SG3525AN U1，与或选择门芯片CD4019BPWR U3，滑动变阻器RP1、RP2,电阻R1、R2、R3，电容C1、C6,开关S1以及非门电路U5、U6；

PWM发生芯片SG3525AN内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，CD4019BPWR芯片传输速度快，高效可靠；

PWM发生芯片SG3525AN U1的VCC和GND对应接BOOST电路输出的12V电压的正极和负极，VC脚连接电阻R2、非门U5的公共端；

PWM发生芯片SG3525AN U1的OUTA、OUTB、SD脚均接地；

PWM发生芯片SG3525AN U1的OSC OUT、SYNC、SS脚均悬空；

PWM发生芯片SG3525AN U1的VREF脚通过电阻R2与VC脚相连，RT脚通过电阻R1与滑动变阻器RP2串联后接地；

PWM发生芯片SG3525AN U1的DISC与CT脚相连，并通过电容C1接地；CMPEN和IN-相连，滑动变阻器RP1、RP2两端接12V电压，其可调节端接PWM发生芯片SG3525AN的IN+脚；

PWM发生芯片SG3525AN U1的VC脚输出的PWM信号连接CD4019BPWR芯片U3的A1、B2脚，非门U5输出的信号连接A2、B1脚，VDD连接VCC、VSS接地，KA脚通过电阻R3接电源VCC，通过电容C6接地，以及通过非门U6与KB脚相连；开关S1一端接KA脚，另一端接地,A3、A4、B3、B4、D3、D4脚均悬空；

电路正常工作时，调节滑动变阻器RP1的可变端，即可改变IN+脚的输入电压，进而调节VC脚输出PWM信号的占空比，针对直流电机的不同选型，也可调节滑动变阻器RP2的接入电阻，调节合适的PWM频率，以实现电路的高效运行。滑动变阻器的最大阻值越小，则输出PWM信号占空比的调节能力就越小。VC脚输出的PWM信号通过非门U5，即产生与之互补的PWM信号，两个信号通过利用CD4019BPWR的两个与或选择门由D1、D2脚输出与之相对应的PWM信号，KA、KB脚的电平状态的改变也将改变D1、D2脚的输出信号。

所述驱动电路，包括：Us电源、两块IR2104半桥驱动芯片U2、U4，四块MOSFET Q1、Q2、Q3、Q4,二极管D1、D2,电阻R4、R5、R6、R7,电解电容C2、C3、C4、C5；

IR2104半桥驱动芯片U2的VCC脚接+12V电压，并通过二极管D1与VB脚相连，IN脚连接CD4019BPWR芯片的D1脚，SD#脚连接电解电容C2的正极，COM脚连接电容C2的负极，电解电容C2正极接+12V电压，负极接地，VB脚通过电容C3与VS脚相连，HO脚通过电阻R4接Q1的栅极，LO脚通过电阻R5接Q2的栅极，Q1的漏极接Us，源极同时接VS脚和Q2的漏极，Q2的源极接地；

IR2104半桥驱动芯片U4的VCC脚接+12V电压，并通过二极管D2与IR2104半桥驱动芯片U4的VB脚相连，IR2104半桥驱动芯片U4的IN脚连接CD4019BPWR芯片的D2脚，IR2104半桥驱动芯片U4的SD#脚连接电容C5的正极，IR2104半桥驱动芯片U4的COM脚连接电容C5的负极，电容C5正极接+12V电压，负极接地，IR2104半桥驱动芯片U4的VB脚通过电容C4与VS脚相连，IR2104半桥驱动芯片U4的HO脚通过电阻R6接Q3的栅极，IR2104半桥驱动芯片U4的LO脚通过电阻R7接Q4的栅极，Q3的漏极接Us，源极同时接IR2104半桥驱动芯片U4的VS脚和Q4的漏极，Q4的源极接地；

IR2104半桥驱动芯片U2的VS引脚和IR2104半桥驱动芯片U4的VS引脚连接电机U7。

驱动电路呈现对称性，IR2104是一款价格低廉，功用完善的驱动芯片，可驱动10-600V的MOSFET，工作电压为10-20V，这便是需要BOOST升压到12V的原因，CD4019BPWR的D1、D2脚输出的PWM信号分别作为两块IR2104驱动芯片的输入信号，因此D1、D2脚输出的PWM信号的变化将引起IR2104驱动芯片的输出信号，进而可以改变四个MOSFET宏观上的导通关系，实现直流电机两端电压的变化进而切换正反转或者调速。本设计中,MOSFET选用IRFP460,其具有导通内阻小，承载电流大的特点，以满足对低压大功率直流电机的控制需要。

优选地，所述电阻R8选用0.22Ω的精密电流采样电阻。

优选地，所述PWM发生芯片SG3525AN内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器。

优选地，所述VCC电源选用7.4V锂电池。

优选地，所述MOSFET选用IRFP460，以满足低压大功率直流电机的控制需要。

本实用新型实施例还提供一种低压直流电机正反转调速器，所述调速器基于如前任一所述的调速电路对电机进行控制。

工作原理：通过BOOST电路将7.4V的电源电压升到12V，为PWM发生芯片SG3525AN以及两块半桥驱动芯片IR2104供电。PWM信号由SG3525AN芯片产生，脉冲的频率由芯片的5脚所接电容C1以及6脚所接电阻R1、RP2的参数决定，调节滑动变阻器RP2可以得到1.16kHz-35.1kHz频率范围的PWM信号，调节可调电阻P1可以使占空比在10％-100％范围内变化，有效的控制电机的运转速度。需要注意的是，如果开关S1的状态不变，占空比在10％-50％，以及50％-100％之间变化，是两个相反的转向，在占空比为50％时，一个周期内四个MOSFET开通关断时间相同，即电润滑状态，电机两端电压为0，是静止不转的。本设计采用调速和正反转分离控制的方式，因此，占空比的变化导致的电机转速变化应该是一个方向的，所以本设计占空比调节范围应为50％-100％，即采用调节范围大的区间。SG3525AN芯片的VC脚输出的PWM1信号以及U5输出的与之互补的PWM2信号经过A1、B1、A2、B2脚输入，由D1、D2输出，通过对CD4019BPWR真值表的分析，即可得到，当KA脚为高电平,KB脚为低电平时，D1、D2脚输出的PWM信号分别对应A1、A2脚的输入信号；相应地，当KA脚为低电平，KB脚为高电平时，D1、D2脚输出的信号分别对应B1、B2脚的输入信号。KA与KB脚通过非门U6相连接，因此KA与KB脚的状态始终相反，当开关S1断开时，相当于KA脚通过上拉电阻R3与VCC相连，因此KA脚为高电平，KB脚为低电平，开关S1闭合时，KA脚直接接地，因此KA脚为低电平，KB脚为高电平。因此，开关状态的切换，将切换D1、D2脚输出的PWM信号，不难看出，D1、D2脚输出的信号是与芯片输入端相对应的一对互补的PWM信号。对于半桥驱动芯片IR2104,当IN脚输入信号为高电平时，HO脚输出为高，反之输出低电平，当IN脚输入信号为低电平时，LO脚输出高电平，反之输出低电平。通过自举电容的不断充放电，即可实现MOSFET的连续导通。当占空比在50％-100％之间变化时，若开关断开，U2的IN输入端应当输入的是PWM1的信号(占空比在50％-100％)，U4的IN输入端应当输入的是PWM2的信号(占空比在0％-50％)，因此在一个PWM周期内，Q1、Q4导通时间长、Q2、Q3导通时间短，宏观上电流由电机正极流向负极，电机两端平均电压Uab>0，电机正转。若开关闭合，则D1、D2脚输出的信号对调，U2的IN输入端应当输入的是PWM2的信号(占空比在0％-50％)，U4的IN输入端应当输入的是PWM1的信号(占空比在50％-100％)，因此在一个PWM周期内，Q2、Q3导通时间长、Q1、Q4导通时间短，宏观上电流由电机负极流向正极，电机两端平均电压Uab<0，电机反转。并且从50％占空比变化到100％，应当是一个加速过程；相应地，从100％占空比变化到50％应当是一个减速过程。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。