基于H桥控制直流电机驱动电路设计(共6页).docx

精选优质文档-倾情为你奉上基于H桥控制直流电机驱动电路设计 林海滨作者简介：林海滨（1986），男，福建泉州人，研究方向：电力电子技术、电源技术、马达驱动，Email：linhaibin896 张镐 （ 厦门蒙发利电子有限公司，福建 厦门 ）摘要：基于H桥控制技术设计了1款用于直流电机的驱动电路，该电路自带开路和短路保护功能。系统由MCU信号生成电路、光电隔离电路、电机逻辑驱动电路、H桥功率驱动电路、电流采样电路、滤波检波电路、线性放大隔离电路等五部分组成。电机逻辑驱动电路是核心部分，其主要由单片机时序控制、信号缓冲处理、光电隔离电路、滤波电路等组成；H桥功率驱动电路，由4个MOS管组成，上下桥臂分别用2个P沟道功率MOS管和2个N沟道功率MOS管。通过对逻辑电路时序的巧妙控制，遏制了H桥驱动的直通现象，无需增加死区的控制电路。系统最大的特点是结构简单，可靠性强，且输出功率优于IC驱动，易形成性价比高的方案。关键词：H桥；，PWM；直流电机；驱动；逻辑控制DC Motor Driver Design Base on the H-bridge ControlledLIN Haibin ZHANG Hao (XIAMEN COMFORT SCIENCE & TECHNOLOGY GROUP)Abstract: Based on the h-bridge control technology, a driver circuit for dc motor is designed. The circuit has the function of open circuit and short circuit protection. System consists of MCU signal generated logic circuit, photoelectric isolation circuit, motor drive circuit, H bridge power drive circuit, current sampling circuit, filter detection circuit, linear amplification of isolating circuit and so on five parts. The motor logic drive circuit is the core part, which consists of single chip computer time series control, signal buffer processing, optoelectronic isolation circuit and filter circuit. H bridge power drive circuit consists of four MOS tubes, with two P channel power MOS tubes and two n-channel power MOS tubes respectively. By controlling the sequence of logic circuits, the direct current of h-bridge is restrained, and the control circuit of the dead zone is not required. The system is characterized by simple structure, strong reliability and better output power than IC drive.Key words: H bridge; PWM; Dc motor; Drive; Logic control0 引言直流电机具有良好的线性特性、优异的控制性能等特点，成为大多数变速运动控制和闭环位置伺服控制系统的最佳选择。为适应小型直流电机的使用需求，各半导体厂商推出了直流电机控制专用集成电路，构成基于微处理器控制的直流电机伺服系统。但是，专用集成电路构成的直流电机驱动器的输出功率有限，不适合大功率直流电机驱动需求。因此采用分立元件构建H桥，实现大功率直流电机驱动控制。该驱动电路能够满足各种类型直流电机需求，并具有快速、精确、高效、低功耗等特点，可直接与微处理器接口，应用于PWM技术实现直流电机调速控制1。1 电路工作原理分析1.1 电路原理设计框图电路总体设计框图如图1所示，包括MCU信号生成电路、光电隔离电路、电机逻辑驱动电路、H桥功率驱动电路、电流采样电路、滤波检波电路、线性放大隔离电路等七部分。图1 电路原理设计框图1.2 H桥电路设计在直流电机控制中常用H桥电路作为驱动器的功率驱动电路。由于功率MOS管是压控元件，具有输入阻抗大、开关速度快、无二次击穿现象等特点，满足高速开关动作需求，因此常用功率MOS管构成H桥电路的桥臂。H桥电路中的4个功率MOS管分别采用N沟道和P沟道，而P沟道功率MOS管一般不用于下桥臂驱动电机，这样就有两种可行方案：一种是上下桥臂分别用2个P沟道功率MOS管和2个N沟道功率MOS管；另一种是上下桥臂均用N沟道功率MOS管。相对来说，利用2个N沟道功率MOS管和2个P沟道功率MOS管驱动电机方案，控制电路简单，成本低。但由于加工工艺的原因，P沟道功率MOS管的性能要比N沟道功率MOS管的差，且驱动电流小，多用于功率较小的驱动电路中。而N沟道功率MOS管，一方面载流子的迁移率较高、频率响应较好、跨导较大；另一方面能增到导通电流，减小导通电阻，降低成本，减小面积。综合考虑系统功率、可靠性要求，以及N沟道功率MOS管的优点，本设计采用2个N沟道功率MOS管和2个P沟道功率MOS管的H桥电路。具备较好的性能和较高的可靠性。1.3 直流电机PWM调速控制直流电机转速控制可分为励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法是控制磁通，其控制功率小，低速时受到磁饱和限制，高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。大多数应用场合都使用电枢电压控制法。随着电力电子技术的进步，改变电枢电压可通过多种途径实现，其中PWM（脉宽调制）便是常用的改变电枢电压的一种调速方法。PWM调速控制的基本原理是按一个固定频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内接通和断开的时间比（占空比）来改变直流电机电枢上电压的“占空比”，从而改变平均电压，控制电机的转速。在脉宽调速系统中，当电机通电时其速度增加，电机断电时其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断时间，即可控制电机转速。而且采用PWM计数构成的五级调速系统，启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小，运行稳定的特点。在直流电机驱动控制电路中，PWM信号由外部控制电路提供，并且经过光耦ACPL-W340隔离，放大电路，电机驱动逻辑芯片CD4001B后，驱动H桥臂MOS管的开关来改变直流电机电枢上平均电压，从而控制电机的转速，实现直流电机PWM调速。在本文电路中，刹车信号为低电平有效，此时两个低端场效应管同时导通，高端场效应管截止，电机线圈被短路，以产生刹车阻。如果PWM信号频率大于20KHz,应在互补的驱动脉冲之间插入死区时间，若大于100KHz,则必须插入死区时间，否则场效应管会产生过大的静态功耗（电机不转时也会过热）。2 相关参数计算2.1工作过程分析H桥直流电机驱动原理图如图2所示，工作时，逻辑控制电压MOTOR-P与MOTOR-F为方向相反的0V与VDD的高低电平信号；当MOTOR-P为“1”、MOTOR-F为“0”时，三极管 Q1导通，A点电压为电源VCC经电阻R1、R5和R9的分压，左上臂PMOS管FET1的VGS满足导通要求的开启电压，左上臂PMOS管FET1导通；同时，MOTOR-P为“1”信号作为逻辑或非门电路的一个输入端（引脚8），无论逻辑或非门的另一个输入端MOTOR-PWM（引脚9）输入信号“0”或“1”，逻辑或非门的输出端（引脚10）为低电平，C点电压为低电平，左下臂NMOS管FET3的 VGS不满足导通要求的开启电压，左下臂NMOS管FET3截止；MOTOR-F为“0”，三极管Q2截止，B点电压为电源VCC，右上臂PMOS管FET2的VGS不满足导通要求的开启电压，右上臂PMOS管FET2截止；同时，MOTOR-F为“0”信号作为逻辑或非门电路的一个输入端（引脚12），此时逻辑或非门的另一个输入端MOTOR-PWM（引脚13）输入0VVDD，逻辑或非门的输出端（引脚11）为高电平，C点电压为高电平，右下臂NMOS管FET4的 VGS满足导通要求的开启图2 H桥直流电机驱动原理图电压，右下臂NMOS管FET4导通；形成直流电机绕组RL由a到b的电流流向。同理，当MOTOR-P为“0”、MOTOR-F为“1”时，三极管 Q2导通，B点电压为电源VCC经电阻R2、R6和R10的分压，右上臂PMOS管FET2的VGS满足导通要求的开启电压，右上臂PMOS管FET2导通；同时，MOTOR-F为“1”信号作为逻辑或非门电路的一个输入端（引脚12），无论逻辑或非门的另一个输入端MOTOR-PWM（引脚13）输入信号“0”或“1”，逻辑或非门的输出端（引脚11）为低电平，D点电压为低电平，右下臂NMOS管FET4的 VGS不满足导通要求的开启电压，右下臂NMOS管FET4截止；MOTOR-P为“0”，三极管Q1截止，A点电压为电源VCC，左上臂PMOS管FET1的VGS不满足导通要求的开启电压，左上臂PMOS管FET2截止；同时，MOTOR-P为“0”信号作为逻辑或非门电路的一个输入端（引脚8），此时逻辑或非门的另一个输入端MOTOR-PWM（引脚9）输入0VVDD，逻辑或非门的输出端（引脚10）为高电平，C点电压为高电平，左下臂NMOS管FET3的 VGS满足导通要求的开启电压，左下臂NMOS管FET3导通；形成直流电机绕组RL由b到a的电流流向。工作过程中，利用稳压二极管ZD1、ZD2的稳压特性，控制了PMOS管夹断电压的值，满足了器件使用的降额要求。瞬态抑制二极管MOV1，遏制了直流电机绕组的电压过冲现象。通过MOTOT-P、MOTOT-F、MOTOR-PWM高低电平切换，驱动H桥的MOS管，使H桥控制单元根据需要使FET1、FET4和FET2、FET3按序导通，实现对直流电机转动方向的控制；通过MOTOT-PWM占空比的调整实现控制电压对流经直流电机绕组电流的控制，从而达到直流电机调速的目的。逻辑控制电路是整个设计的核心部分，表1列出了输入信号与对应的电机驱动输出信号关系真值表。表1 驱动逻辑控制电路真值表输入信号中间变量输出结果MOTOR-PWMMOTOT-FMOTOR-PV(引脚3)VC（引脚10）VD(引脚11)Vo(Uab)0001000001100001010000111000上1000110下101001+1或-1110010-1或+1111000 0上注释：1. MOTOR-PWM表示输入的PWM信号，MOTOR-P代表输入的第一个高低电平，MOTOR-F代表输入的第二个高低电平；2. 输出结果中1代表有输出，0代表无输出；“+”和“-”代表方向（如：“+”代表正转，“-”代表反转）3. “0上”代表只有上半桥导通，“0下”代表只有下半桥导通。2.2 开关器件的损耗计算MOS管最显著的特性是开关特性好，所以被广泛应用在需要电子开关的电路中，常见的如开关电源和马达驱动，也有照明调光。但无论是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右。MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损耗。2.2.1 MOSFET管的传导损耗MOSFET和二极管是开关元件，导通时电流流过回路。器件导通时候，传导损耗分别由MOSFET的导通电阻RDS（ON）和二极管的正向导通电压决定。MOSFET的传导损耗（PCOND）近似等于导通电阻RDS（ON）、占空比（D）和导通时MOSFET的平均电流IMOSFET（AVG）的乘积。PCOND=IMOSFET(AVG)2*RDS(ON)*D利用IP和IV之间电流波形I2的积分替代简单的I2项，可以更准确的估算损耗的方法。PCOND=(IP3-IV3)/3*RDS(ON)*D=(IP3-IV3)/3*RDS(ON)*VOUT/VIN式中，IP和IV分别对应与电流波形的峰值和谷值，如图3所示，MOSFET电流从IV线性上升到IP，例如：IV为0.25A，IP为1.75A，RDS(ON)=0.055,VOUT为VIN/2（D=0.5），基于平均电流（1A）的计算结果为PCOND=IMOSFET(AVG)2*RDS(ON)*D=12*0.055*0.5=0.0275W。图3-1 同步刹车 MOS管电流波形图3-2 异步刹车MOS管电流波形图利用波形积分进行更准确计算：PCOND=(IP3-IV3)/3*RDS(ON)*D=（1.753-0.253）/3*0.055*0.5=0.0490W。2.2.1 MOSFET管的开关损耗通常开关损耗比导通损耗大得多，而且开关频率越快，损失也越大。导通瞬间电压和电流的乘积很大，造成的损耗也就很大。缩短开关时间，可以减小每次导通时的损耗;降低开关频率，可以减小单位时间内的开关次数。这两种办法都可以减小开关损耗。随着开关频率提高（周期缩短），开关过渡时间所占比例增大，从而增大开关损耗。开关转换过程中，开关时间是空不空比的1/20对于效率的影响要远远小于开关时间为占空比为1/10的情况。由于开关算好和频率有很大的关系，工作在高频时，开关损耗将成为主要的损耗因素。MOS的开关损耗可以按照图3所示三角波进行估算，公式如下：PSW（MOSFET）=0.5*VD*ID*(tSW(ON)+tSW(OFF)*fS其中，VD为MOSFET关断期间的漏源电压，ID是MOSFET导通期间的沟道电流，tSW（ON）和tSW(OFF)是导通和关断时间。对于降压电路转换，VIN是MOSFET关断时的电压，导通时的电流为IOUT。例如：VIN=15V，VOUT=参考文献1 于春香.H桥直流电机驱动控制电路设计J.集成电路通讯.2012（9）.2 查普曼.电机原理及驱动：电机学基础M.北京：清华大学出版社.20083专心-专注-专业