摘 要：針對(duì)大學(xué)生智能車競(jìng)賽中直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)了6種方案,經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)比較分析了各種方案的優(yōu)缺點(diǎn),最后確立了一套驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、體積小、性能穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)方法，可廣泛應(yīng)用于40 V以下的大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合。
關(guān)鍵詞：直流電機(jī);調(diào)速系統(tǒng); MC33886; VNH3SP30; BTS7960B; DT340I; IRF3205
目前大電流直流電機(jī)多采用達(dá)林頓管或MOS管搭制H橋PWM脈寬調(diào)制，因此體積較大；另一方面，由于分立器件的特性不同，使得驅(qū)動(dòng)器的特性具有一定的離散性；此外，由于功率管的開關(guān)電阻比較大，因此功耗也很大，需要功率的散熱片，這無(wú)疑進(jìn)一步加大了驅(qū)動(dòng)器的體積。隨著技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于大功率MOS管的H橋驅(qū)動(dòng)芯片逐漸顯現(xiàn)出其不可替代的優(yōu)勢(shì)。但目前能提供較大電流輸出的集成芯片不是很多。例如飛思卡爾半導(dǎo)體公司推出的全橋驅(qū)動(dòng)芯片MC33886和33887、意法半導(dǎo)體公司推出的全橋驅(qū)動(dòng)芯片VNH3SP30、英飛凌公司推出的高電流PN半橋驅(qū)動(dòng)芯片BTS7960。ST微電子公司推出的TD340驅(qū)動(dòng)器芯片是一種用于直流電機(jī)的控制器件,可用于驅(qū)動(dòng)N溝道MOSFET管。
本文在第三、四屆大學(xué)生智能車大賽中分別嘗試了上面提到的5塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試發(fā)現(xiàn)它們的優(yōu)缺點(diǎn)，確定了驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)方案，并得到了很好的應(yīng)用。
1 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理
目前直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式主要有2種形式:線性驅(qū)動(dòng)方式和開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。其中線性驅(qū)動(dòng)方式可以看成一個(gè)數(shù)控電壓源。該驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電機(jī)的力矩紋波很小，可應(yīng)用于對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速要求非常高的場(chǎng)合;缺點(diǎn)是該方式通常比較復(fù)雜，成本較高，尤其是要提高驅(qū)動(dòng)的功率時(shí)，相應(yīng)的電路成本將提升很多[1]。本文針對(duì)H橋驅(qū)動(dòng)電路在智能車競(jìng)賽中的應(yīng)用加以分析。
目前的H橋驅(qū)動(dòng)主要有3種方式。圖1(a)中H橋的4個(gè)橋臂都使用N溝道增強(qiáng)型MOS管;圖1(b)中H橋的4個(gè)橋臂都使用P溝道增強(qiáng)型MOS管;圖1(c)中上H橋臂分別使用P溝道增強(qiáng)型MOS管和N溝道增強(qiáng)MOS管。由于P溝道MOS管的品種少、價(jià)格較高，導(dǎo)通電阻和開關(guān)速度等都不如N溝道MOS管，因此最理想的情況應(yīng)該是在H橋的4個(gè)橋臂都使用N溝道MOS管。但是在如圖1(a)中可以看到，為了使電機(jī)正轉(zhuǎn)，Q1和Q4應(yīng)該導(dǎo)通，因此S4電壓應(yīng)該高于Q4的源極電壓，S1電壓應(yīng)該高于Q1的源極電壓，由于此時(shí)Q1的源極電壓近似等于Vcc,因此就要求S1必須大于(Vcc+Vgs)。在很多電路中除非作一個(gè)升壓電路否則是比較困難得到的，因此圖1(a)這種連接方式比較少見(jiàn)。同理,圖1(b)中為了使電機(jī)正轉(zhuǎn)，S4電壓就必須低于0V- VGS，在使用時(shí)也不方便。因此最常用的是圖1(c)的電路，該電路結(jié)合了上述2種電路各自的優(yōu)點(diǎn)，使用方便。本文針對(duì)3種形式電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較分析。
2 驅(qū)動(dòng)芯片的選擇與比較
在設(shè)計(jì)H橋驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，關(guān)鍵要解決4個(gè)問(wèn)題:(1) MOS管均高速驅(qū)動(dòng);(2)防止共態(tài)導(dǎo)通;(3)消除反向電動(dòng)勢(shì);(4)PWM信號(hào)頻率選擇與光藕隔離。以下是4種方案設(shè)計(jì)比較：
2.1方案1: 采用1片33886驅(qū)動(dòng)
MC33886為H橋式電源開關(guān)IC, 該IC結(jié)合內(nèi)部控制的邏輯、電荷泵、柵極驅(qū)動(dòng)器、以及RDS(ON)=120 mΩ MOSFET輸出電路，可工作在5 V～40 V電壓范圍內(nèi)。能夠控制連續(xù)感性直流負(fù)載電流高達(dá)5.0 A，可以接受高達(dá)10 kHz的2路PWM信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和速度。具有短路保護(hù)、欠電壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)等特點(diǎn)。其原理如圖2所示。
該方法能夠控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)和剎車，且使用方法靈活，但是內(nèi)阻大導(dǎo)致壓降大，開關(guān)頻率限制在10 kHz，電機(jī)噪聲大，使電機(jī)容易發(fā)熱，驅(qū)動(dòng)能力受限制，會(huì)拉低電源電壓，容易導(dǎo)致控制器掉電產(chǎn)生復(fù)位。
2.2 方案2: 采用2、4片33886驅(qū)動(dòng)
由于MC33886的導(dǎo)通電阻比較大，產(chǎn)生了較大的壓降，使芯片容易發(fā)熱，為了增強(qiáng)其驅(qū)動(dòng)能力利用多塊33886并聯(lián)使用，如圖3所示。
該接法降低了MOS管的導(dǎo)通內(nèi)阻，增大了驅(qū)動(dòng)電流，可以起到增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力、減小芯片發(fā)熱的作用，但是起始頻率受限，電機(jī)噪聲大且發(fā)熱嚴(yán)重。
2.3 方案3: 釆用2片VNH3SP30
(1)運(yùn)動(dòng)控制H橋組件VNH3SP30性能[2]
VNH3SP30是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的專用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的大電流功率集成芯片，其原理框圖如圖4所示，芯片核心是一個(gè)雙單片上橋臂驅(qū)動(dòng)器(HSD)和2個(gè)下橋臂開關(guān),HSD開關(guān)的設(shè)計(jì)采用ST的ViPowe技術(shù)，允許在一個(gè)芯片內(nèi)集成一個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)MOS管和智能信號(hào)/保護(hù)電路。下橋臂開關(guān)是采用ST專有的EHD(STripFET)工藝制造的縱向場(chǎng)效應(yīng)MOS管。3個(gè)模塊疊裝在一個(gè)表面組裝MultiPowerSO- 30引腳框架電絕緣封裝內(nèi)，具體性能指標(biāo)如下: ①最大電流30 A、電源電壓高達(dá)40 V; ②功率MOS管導(dǎo)通電阻0.034 Ω; ③5 V兼容的邏輯電平控制信號(hào)輸入;④內(nèi)含欠壓、過(guò)壓保護(hù)電路;⑤芯片過(guò)熱報(bào)警輸出和自動(dòng)關(guān)斷。
(2)驅(qū)動(dòng)器電路設(shè)計(jì)與運(yùn)行原理
?、貾WM信號(hào)調(diào)節(jié)方式
PWM(脈寬調(diào)制)信號(hào)是VNH3SP30最重要的控制信號(hào)，其最大工作頻率為10 kHz.PWM信號(hào)通過(guò)控制H橋上的功率管的導(dǎo)通時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出負(fù)載平均電流的調(diào)節(jié)。PWM信號(hào)的一個(gè)低電平狀態(tài)將會(huì)關(guān)閉2個(gè)下橋臂開關(guān)，而當(dāng)PWM輸入端由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，下橋臂LSA和LSB導(dǎo)通與否取決于輸入信號(hào)INA和INB，只有輸入信號(hào)從低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，下橋臂LSA和LSB才能重新導(dǎo)通。
②方向控制信號(hào)和橋臂使能信號(hào)
INA和INB為電機(jī)轉(zhuǎn)向控制信號(hào)，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和剎車;ENA/DIAGA和ENB/DIAGB為橋臂使能信號(hào)，當(dāng)這2個(gè)信號(hào)都為低電平時(shí)，H橋?qū)⒉荒軐?dǎo)通。當(dāng)驅(qū)動(dòng)芯片過(guò)熱、過(guò)壓、欠壓及過(guò)流時(shí)，ENA/DIAGA和ENB/DIAGB為故障診斷反饋信號(hào)，這2個(gè)信號(hào)返回一個(gè)低電平，同時(shí)H橋輸出被封鎖。
該方法較MC33886的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)就是芯片不會(huì)發(fā)熱，且保護(hù)功能強(qiáng)大，但是存在開關(guān)頻率限10 kHz，電機(jī)噪聲大且電機(jī)容易發(fā)熱，但芯片較貴，很多場(chǎng)合性價(jià)比不高。
2.4 方案4: 采用2片BTS7960
如圖5所示，采用2個(gè)半橋智能功率驅(qū)動(dòng)芯片BTS7960B組合成一個(gè)全橋驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。BTS7960B是應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的大電流半橋集成芯片，它帶有一個(gè)P溝道的高邊MOSFET、一個(gè)N溝道的低邊MOSFET和一個(gè)驅(qū)動(dòng)IC。 P溝道高邊開關(guān)省去了電荷泵的需求，因而減少了電磁干擾(EMI)。集成的驅(qū)動(dòng)IC具有邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調(diào)節(jié)、死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生和超溫、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流及短路保護(hù)功能。BTS7960B的通態(tài)電阻典型值為16 mΩ，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)43 A，調(diào)節(jié)SR引腳外接電阻的大小可以調(diào)節(jié)MOS管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，具有防電磁干擾功能。IS引腳是電流檢測(cè)輸出引腳。INH引腳為使能引腳，IN引腳用于確定哪個(gè)MOSFET導(dǎo)通。當(dāng)IN=1 且INH=1時(shí)，高邊MOSFET導(dǎo)通，輸出高電平；當(dāng)IN=0且INH=1時(shí)，低邊MOSFET導(dǎo)通，輸出低電平。通過(guò)對(duì)下橋臂開關(guān)管進(jìn)行頻率為25 kHz的脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)控制BTS7960B的開關(guān)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的正反向PWM驅(qū)動(dòng)、反接制動(dòng)、能耗制動(dòng)等控制狀態(tài)。
這塊芯片開頭頻率可以達(dá)到25 kHz，可以很好地解決前面提到的MC33886和VNH3SP30使電機(jī)噪聲大和發(fā)熱的問(wèn)題，同時(shí)驅(qū)動(dòng)能力有了明顯的提高，響應(yīng)速度快。但是，電機(jī)變速時(shí)會(huì)使電源電壓下降10%左右，控制器等其他電路容易產(chǎn)生掉電危險(xiǎn)，從而使整個(gè)電路系統(tǒng)癱瘓。
2.5 方案5：采用DT340和IRF3205
以TD340驅(qū)動(dòng)器芯片為核心的直流電機(jī)PWM調(diào)速控制系統(tǒng)可以很好地驅(qū)動(dòng)由低導(dǎo)通電阻IRF3205組成的H橋，大大簡(jiǎn)化硬件電路。該系統(tǒng)不僅可以模擬控制，而且具有計(jì)算機(jī)接口，同時(shí)具有良好的保護(hù)功能。
圖6所示為可逆的PWM變換器主電路的H型結(jié)構(gòu)形式。圖中，4個(gè)MOSFET管的基極驅(qū)動(dòng)電壓分為2組，其中Q2L和Q1H為一組，當(dāng)Q2L接收PWM信號(hào)導(dǎo)通時(shí)，Q1H常開，而Q2H和Q1L截止。這時(shí)，電機(jī)兩端得到電壓而旋轉(zhuǎn)，而且占空比越大，轉(zhuǎn)速越高。由于直流電機(jī)是1個(gè)感性負(fù)載，當(dāng)MOS關(guān)斷時(shí)，電機(jī)中的電流不能立即降到零，所以必須給這個(gè)電流提供一條釋放通路，否則將產(chǎn)生高壓破壞器件。處理這種情況的通常方法是在MOSFET竹旁邊并聯(lián)1個(gè)二極管，使電流流過(guò)二極管，最后通過(guò)歐姆耗散的方式在二極管中消失。對(duì)于大電流，耗散是重要的排放方法。這里必須使用高速二極管。電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)原理相同。
該方案基本上集合了前面4種方法的所有優(yōu)點(diǎn)，初始頻率高達(dá)25 kHz，且有微控制器的標(biāo)準(zhǔn)5 V電壓輸出，釆用的開關(guān)管IRF3205的導(dǎo)通內(nèi)阻僅有8 mΩ，不需要高速光隔對(duì)MCU的PWM隔離電路，從面使整個(gè)電路簡(jiǎn)單化。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
經(jīng)過(guò)對(duì)電路的選擇和調(diào)試實(shí)驗(yàn)，本文重點(diǎn)論述的5種電路對(duì)比結(jié)果如表1、表2所示。
綜上分析，每一種驅(qū)動(dòng)方法都有優(yōu)缺點(diǎn)，但是從綜合因素考慮選擇TD34和IRF305組成H橋?qū)﹄姍C(jī)進(jìn)行控制是最好的方法。
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