1、Electric Welding Machine摘要： 在埋弧焊下降特性电源 变速送丝系统中，送丝速度调节的快慢直接影响电弧电压的稳定性 。基于 H 桥电机驱动模块 L292，采用光电耦合器将模块电路和 MOSFET 高压驱动电路隔离开，设计了快速调节的双极式可逆高压 H 桥直流电机送丝电路 。结果表明，当驱动模块电压与电机额定电压不同时，高速光电耦合器的应用是一种简单 、行之有效的方法，使 L292 能够对 110 V 送丝电机的转速和转向进行控制 。关键词： 驱动电路；光电耦合； H 桥； PWM中图分类号： TG434 文献标识码： A 文章编号： 10012303(2010)10005
2、203第 40 卷 第 10 期2010 年 10 月Vol40 No10Oct2010Electric Welding Machine潘厚宏，张智明，王清龙(西南交通大学 材料科学与工程学院，四川 成都 610031)Wire-feed circuit of SAW base on H bridge motor driver module L292PAN Hou-hong， ZHANG Zhi-ming， WANG Qing-long(School of Materials Science and Engineering， Southwest Jiaotong University， Che
3、ngdu 610031， China)Abstract： In the constant-current power supply to variable speed wire-feed system of SAW， the regulation speed of wire feed will directlyaffect the stability of arc voltageBased on H-bridge motor drive module L292， this paper designed a bipolar reversible H bridge DCmotor wire-fee
4、d circuit in which the module circuit and the high-voltage MOSFET driver circuit are isolated by optocouplerTheresults show that the application of high-speed optocoupler is simple and effective when the voltage of module and the rated voltage ofmotor are different， and have realized the control of
5、wire-feed motors rotation rate and direction by L292Key words：driver circuit；optocoupler；H bridge；PWM收稿日期 ：20100430作者简介 ：潘厚宏 (1964)，男，重庆人，副教授，博士，主要从事焊接过程自动化和先进材料连接方面的研究工作 。0 前言埋弧自动焊送丝分为等速送丝和变速送丝，分别与平特性电源和下降特性电源配合使用 。在下降特性电源 变速送丝系统中，送丝电路根据电弧电压的高低适时调整送丝速度 。普通晶闸管整流送丝电路由于受工频限制，难以实现送丝速度的快速调节 。主要用于定位控制的 H
6、 桥电机驱动电路，工作频率高，且工作时电机处于推挽状态，有利于送丝速度的快速调节 。常见的 H 桥电机驱动模块都是针对低压小功率直流电机设计的，难以直接应用在埋弧焊送丝电机上 。文献 1通过扩流将 H 桥电机驱动器件 L292应用在低压大功率直流电机上，焊接效果良好 。本研究在文献 1的基础上应用光电耦合器设计了升压驱动电路，以便将 L292 应用于埋弧焊送丝常用的 110 V 或 220 V 直流电机中 。1 H 桥电路工作原理电机驱动模块 L292 是一个为直流电机定位控制而设计的专用集成电路， H 桥控制原理如图 1 所示 。当 L292 处于正常工作状态时，输出具有一定占空比的互补的双
7、极性 PWM 信号，在一个 PWM 周期内，当 A 点处于低电位时， V1开通而 V2截止，电机正端为高电位 。与此同时， B 点处于高电位， V3截止而 V4开通，电机负端为低电位，电机流过正向电枢电流 。反之，当 A 点处于高电位， B 点处于低电位时，V1、V4截止， V2、V3开通，电机正端为低电位，负端为高电位，电机流过负向电枢电流2。基于 H 桥电机驱动模块 L292 的埋弧焊送 丝 电 路52 Electric Welding Machine图 1 H 桥控制原理H 桥电路的优点是当电机相对静止时，电路依然处于脉宽调制状态 。而普通 PWM 控制电路要使电机停止转动，会在该方向停
8、止脉宽调制，反转时，再在相反的方向开始脉宽调制 。这种驱动电路能够方便地实现直流电机的四象限运行 。实际工作中需要在正向电枢电流和负向电枢电流之间快速的频繁切换，理论上两个 PWM 控制信号要求互补 。但由于开关器件都存在导通和关断时间，绝对的互补控制逻辑会导致上下桥臂直通短路 。为了避免此现象，双 PWM 信号须设定一定的死区时间 。L292 通过端口 10 脚外接电容器 C 和内部内阻 R 的乘积RC 实现死区时间的设定 。L292 输出的如图 2 中 UA、UB的双 PWM 信号加在 H 桥驱动回路的 A、B 两点，在一个周期 T 内，当 T1T2(见图 2a)，即正负脉冲宽度相等时，电
9、枢绕组中的平均电压 US为零，电机处于相对静止状态 。当 T1T2(见图 2b)，即正脉冲变宽，负脉冲变窄时，电机两端的平均电压 US为正，电机正转，当 T1逐渐增大， T2逐渐减小时，即正脉冲宽度越大，电机沿正向转动得越快 。同理，当 T1T2(见图 2c)，正脉冲变窄，负脉冲变宽时，电机反转，随着 T2的逐渐增大，电机沿反向转动得越快 。由此可知，在 L292 输出的PWM 信号作用于 H 桥时，电机的旋转方向要视正 、负脉冲的宽窄而定 。2 H 桥高压驱动电路设计所设计的 H 桥送丝系统原理框图如图 3 所示 。在焊接过程开始前，手动送丝模式可以独立调节送丝速度和方向，为焊接引弧做好准备
10、 。焊接开始后，送丝模式转换为自动送丝，在该模式下，通过提取焊接电弧电压，与电弧电压给定值比较，生成控制信号，送入 L292 的控制端 。该控制信号与 L292 内部三角波信号 、基准电压信号进行比较，产生一定占空比的 PWM 信号，经过高压驱动电路后，控制送丝电机的转速和转向 。L292 仅在 12 脚为低电平 、13 脚为高电平时才能正常工作，其余组合状态均为封锁 。系统将手动给定信号 、焊接给定信号通过电子整流电路处理及放大电路放大后送入 L292 的13 脚，以开启输出 。图 3 H 桥送丝系统原理框图高压驱动电路采用四个场效应功率管搭建成H 桥电路驱动送丝电机，其驱动电路如图 4 所
11、示 。其中， VF1和 VF3为 P 沟道场效应管， VF2和 VF4为 N沟道场效应管，每个场效应管并联了一个快速恢复二极管，用于消除反向尖峰电压 。由于 L292 的额定电压小于等于 36 V，决定其输出信号不能直接应用于驱动电路中，必须将控制信号与驱动电路隔离 。设计中选用四个高速光电耦合器用于隔离高低压电路 。根据场效应功率管的栅 源极之间的电压一般不超过 15 V，且光电耦合器的输出三极管两端电压一般不超过 100V，设计时选取稳压值为 15 V 的稳压管并联于场效应功率管的栅 源极之间，既可防止场效应管栅极过压击穿又可防止光电耦合器受损 。根据电机驱动模块 L292 的 12、13
12、 脚输入信号的不同，直流送丝电机有禁止和开通两种工作状态3。在禁止状态下， L292 的 1 脚和 15 脚与内部电路呈高阻状态，图 4 中的 R1和 R2共同承受 24 V 的图 2 双 PWM 信号脉宽调制波形c T1T2b T1T2a T1T2研究与设计潘厚宏等：基于 H 桥电机驱动模块 L292 的埋弧焊送丝电路 第 10 期53 Electric Welding Machine直流电压， UA12V，两个光电耦合器 VLC1和 VLC2导通，场效应功率管 VF1的栅源电压 UGS0，漏极电流ID0， VF1处于截止状态 。同理， VLC2、VLC3和 VLC4导通， VF2、VF3和
13、 VF4截止，送丝电机处于静止状态 。在开通状态下，当 L292 的 1 脚输出高电平 、15脚输出低电平时，光电耦合器 VLC1截止， 110 V 的直流电流从 M 点经稳压管 VS1流向 N 点，场效应功率管 VF1的栅极和源极形成压差， UGS为稳压管 VS1的稳压负值 (15 V)，场效应功率管 VF1形成导电沟道，产生漏极电流 ID， VF1导通；而此时 A 点为高电平， VLC2导通，效应功率管 VF2的栅源电压 UGS0，VF2处于截止状态 。同理， L292 的 15 脚为低电压，光耦 VLC3导通，场效应功率管 VF3的栅源电压为 0，VF3处于截止状态；光耦 VLC4截止，
14、场效应功率管VF4的栅源电压 UGS为稳压管 VS4的稳压值 (15 V)，VF4形成导电沟道，产生漏极电流 ID， VF4导通 。此时状态即为 VF1、VF4导通， VF2、VF3截止，电机两端流过正向的电枢电流 。同理，当 L292 的 1 脚输出低电平和 15 脚输出高电平时，光电耦合器 VLC1和 VLC4导通， VLC2和VLC3截止，场效应功率管 VF1和 VF4的栅源电压为0，处于截止状态， VF2和 VF3的栅极和源极形成压差，产生导电沟道， VF2、VF3导通 。此时状态即为 VF1、VF4截止， VF2、VF3导通，电机两端流过反向的电枢电流 。由上述分析可知，经过光电隔离
15、的低压 L292 驱动高压 H 桥电路的工作状态与 L292 直接驱动的H 桥电路的工作状态完全一致 。3 实验结果设计电路在选取合理的参数后，使用 HantekDSO2100 USB 虚拟示波器采集了直流电机两端的工作波形 。电机正转时电机两端分别对地电位的电压波形如图 5 所示，电机反转时电机两端对地电位的电压波形如图 6 所示 。图 5 电机正转时两端电压信号波形图 6 电机反转时两端电压信号波形4 结论通过光电耦合器的光电隔离特性设计的驱动电路，实现了低压 H 桥电机驱动模块 L292 对 110 V埋弧焊直流送丝电机的有效控制，使之可以应用于埋弧焊送丝系统中 。参考文献：1 黎振龙，潘厚宏 埋弧焊 H桥送丝电路研究 J电焊机， 2007，37(11)： 53552 谭建成 电机控制专用集成电路 M北京：机械工业出版社， 20053 游志宇，杜 扬，张 洪，等 基于场效应管的直流电机驱动控制电路设计 J国外电子元器件， 2008(2)： 36图 4 110 V H 桥驱动电路研究与设计 第 40 卷54
