驅(qū)動(dòng)電路的性能很大程度上影響整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中主要考慮功能和性能等方面的因素，例如電機(jī)是單向還是雙向轉(zhuǎn)動(dòng)、需不需要調(diào)速等等。對(duì)于單向的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，只要用一個(gè)大功率三極管或場(chǎng)效應(yīng)管或繼電器直接帶動(dòng)電機(jī)即可，當(dāng)電機(jī)需要雙向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以使用由4個(gè)功率元件組成的H橋電路或者使用一個(gè)雙刀雙擲的繼電器。如果不需要調(diào)速，只要使用繼電器即可：但如果需要調(diào)速，可以使用三極管，場(chǎng)效應(yīng)管等開關(guān)元件實(shí)現(xiàn)PWM(脈沖寬度調(diào)制)調(diào)速。
我某平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電路為雙極性驅(qū)動(dòng)方式，利用H橋驅(qū)動(dòng)電路和PWM控制實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)正反兩個(gè)方向的調(diào)速控制和伺服控制。由于H橋驅(qū)動(dòng)電路和PWM調(diào)速的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路存在共態(tài)導(dǎo)通、反向制動(dòng)電流過(guò)大等一些問題，在實(shí)際工作和實(shí)驗(yàn)中，會(huì)遇到驅(qū)動(dòng)電路失效問題。下面，就幾種經(jīng)常出現(xiàn)的失效現(xiàn)象對(duì)驅(qū)動(dòng)電路作以失效性分析。
1 某平臺(tái)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
1．1 功率驅(qū)動(dòng)電路部分
控制信號(hào)經(jīng)過(guò)比較器產(chǎn)生方波，經(jīng)過(guò)如圖1所示電路輸出(H1～H4)到功率模塊。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制繼電器的吸合，為功率模塊供電，功率模塊輸出控制信號(hào)到機(jī)構(gòu)。
1．2 功率模塊部分
該設(shè)備功率模塊采用東芝某型號(hào)功率模塊，模塊內(nèi)部電路構(gòu)成是典型的“H橋驅(qū)動(dòng)電路”。電路得名于“H橋驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜窰。4個(gè)三極管組成H的4條垂直腿，而電機(jī)就是H中的橫杠。
如圖2所示，H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過(guò)電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。
要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。例如，如圖3所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過(guò)電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流將從左至右流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng)(電機(jī)周圍的箭頭指示為順時(shí)針方向)。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
2 常見失效信息及失效分析
2．1 失效信息1及分析
信息1：樣品所在儀器在出問題的前一天正常關(guān)機(jī)，第二天儀器加電，就出現(xiàn)電機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，而正常時(shí)電機(jī)在沒有輸入信號(hào)的情況下應(yīng)該停在當(dāng)前位置。
分析：驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，保證H橋上2個(gè)同側(cè)的三極管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通非常重要。如圖2所示，如果三極管Q1和Q2同時(shí)導(dǎo)通，那么電流就會(huì)從正極穿過(guò)2個(gè)三極管直接回到負(fù)極。此時(shí)，電路中除了三極管外沒有其他任何負(fù)載，因此電路上的電流就可能達(dá)到最大值(該電流僅受電源性能限制)，甚至燒壞三極管。
在儀器正常關(guān)機(jī)的時(shí)候，電機(jī)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)致2個(gè)功率模塊均有一個(gè)三極管芯片發(fā)生表面擊穿，如圖2中的Q1、Q4或者Q2、Q3三極管，同時(shí)由于擊穿短路的瞬間大電流，造成固體繼電器過(guò)電流燒毀短路。當(dāng)儀器再開機(jī)器的時(shí)候，由于被擊穿的2個(gè)三級(jí)管和固體繼電器已經(jīng)短路，形成回路給電機(jī)供電，導(dǎo)致儀器在開機(jī)后自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。
2．2 失效信息2及分析
信息2：樣品在正常工作過(guò)程中，發(fā)出控制信號(hào)后，發(fā)現(xiàn)電機(jī)仍舊保持原有的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，檢查電機(jī)控制電路發(fā)現(xiàn)在控制電路中的功率模塊發(fā)熱異常。
分析：儀器正常工作，在工作過(guò)程中電機(jī)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)致2個(gè)功率模塊均有一個(gè)三極管芯片發(fā)生表面擊穿，如圖2中的Q1、Q4或者Q2、Q3三極管，當(dāng)發(fā)出電機(jī)改變方向控制命令時(shí)，三極管依然處于導(dǎo)通狀態(tài)，電機(jī)無(wú)法停止轉(zhuǎn)動(dòng)，但由于另一控制電機(jī)反方向的兩功率管接受了改變方向的信號(hào)后也處于在導(dǎo)通狀態(tài)，這時(shí)候兩功率模塊的四個(gè)功率芯片都處在導(dǎo)通態(tài)，導(dǎo)致電源端與地短路，產(chǎn)生成倍的短路大電流，功率模塊發(fā)熱異常，最終燒毀，過(guò)大的電流導(dǎo)致繼電器燒毀。
2．3 失效信息3及分析
信息3：儀器在加電工作一段時(shí)間后，發(fā)出控制信號(hào)后，發(fā)現(xiàn)電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。
分析：儀器正常工作電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)導(dǎo)致至少一個(gè)三極管表面擊穿，在發(fā)出其他控制信號(hào)時(shí)候，電源與地短路，導(dǎo)致電機(jī)無(wú)動(dòng)作，功率模塊與繼電器燒毀，同時(shí)圖1中的V3或V4也被擊穿，過(guò)大的電流還會(huì)導(dǎo)致該通路上的電阻過(guò)熱發(fā)黑。
3 問題總結(jié)及解決方案
導(dǎo)致樣品失效原因是由于電機(jī)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)使功率模塊內(nèi)部的三極管芯片產(chǎn)生表面擊穿，致使電源與地短路，產(chǎn)生大電流導(dǎo)致功率模塊與繼電器以及三極管燒毀�？赡苡幸韵略颍�
1)功率模塊是非密封結(jié)構(gòu)，雖然內(nèi)部有硅橡膠和硅凝膠保護(hù)，但不能完全阻斷長(zhǎng)期的潮濕環(huán)境存放水汽進(jìn)入芯片表面，這個(gè)是造成表面擊穿的可能原因。
2)對(duì)圖2電路的分析可知，根據(jù)電機(jī)運(yùn)行脈沖分配的要求，Q1，Q2，Q3，Q4經(jīng)常處于交替工作狀態(tài)，由于晶體管的關(guān)斷過(guò)程中有一段存儲(chǔ)時(shí)間和電流下降時(shí)間，總稱關(guān)斷時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，晶體管并沒完全關(guān)斷。若在此期間，另一個(gè)晶體管導(dǎo)通，則造成上、下兩管直通而使電源短路，燒壞晶體管或其他元器件。
解決方案如下：
1)由于設(shè)備工作環(huán)境比較潮濕，在長(zhǎng)時(shí)間沒有訓(xùn)練或任務(wù)情況時(shí)，除了保持艙內(nèi)干燥意外，還應(yīng)定期打開機(jī)箱的風(fēng)扇對(duì)設(shè)備進(jìn)行除濕；
2)為了避免直通現(xiàn)象，可調(diào)節(jié)邏輯延時(shí)電路增加時(shí)延，以使H橋電路上、下兩管交替導(dǎo)通時(shí)可產(chǎn)生一個(gè)“死區(qū)時(shí)間”，先關(guān)后開，防止上、下兩管直通現(xiàn)象。
3)布線時(shí)大電流線路要盡量的短粗，并且盡量避免經(jīng)過(guò)過(guò)孔，一定要經(jīng)過(guò)過(guò)孔的話要把過(guò)孔做大一些(>1 mm)并且在焊盤上做一圈小的過(guò)孔，在焊接時(shí)用焊錫填滿，否則可能會(huì)燒斷。另外，如果使用了穩(wěn)壓管，場(chǎng)效應(yīng)管源極對(duì)電源和地的導(dǎo)線要盡可能的短粗，否則在大電流時(shí)，這段導(dǎo)線上的壓降可能會(huì)經(jīng)過(guò)正偏的穩(wěn)壓管和導(dǎo)通的三極管將其燒毀。
4)為了提高電力的可靠性，必須設(shè)置緩沖電路軟化開關(guān)過(guò)程。合理的緩沖電路不但降低了功率器件的浪涌電壓du／dt和浪涌電流di／ dt，而且還降低了器件的開關(guān)損耗和電磁干擾，避免了器件的二次擊穿。
4 結(jié)論
通過(guò)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的失效性分析，讓我們更加深刻地認(rèn)識(shí)到驅(qū)動(dòng)電路的可靠性的重要性。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)應(yīng)該盡可能做到，無(wú)論加上何種控制信號(hào)，何種無(wú)源負(fù)載，電路都是安全的。
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