摘 要：針對大學生智能車競賽中直流電機的驅(qū)動設計了6種方案,經(jīng)過實驗比較分析了各種方案的優(yōu)缺點,最后確立了一套驅(qū)動能力強、體積小,、性能穩(wěn)定的驅(qū)動方法,，可廣泛應用于40 V以下的大功率直流電機驅(qū)動的場合。
關鍵詞：直流電機;調(diào)速系統(tǒng); MC33886; VNH3SP30; BTS7960B; DT340I; IRF3205
目前大電流直流電機多采用達林頓管或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)動器的特性具有一定的離散性,；此外，由于功率管的開關電阻比較大,，因此功耗也很大,，需要功率的散熱片，這無疑進一步加大了驅(qū)動器的體積,。隨著技術(shù)的迅猛發(fā)展,，基于大功率MOS管的H橋驅(qū)動芯片逐漸顯現(xiàn)出其不可替代的優(yōu)勢。但目前能提供較大電流輸出的集成芯片不是很多,。例如飛思卡爾半導體公司推出的全橋驅(qū)動芯片MC33886和33887,、意法半導體公司推出的全橋驅(qū)動芯片VNH3SP30、英飛凌公司推出的高電流PN半橋驅(qū)動芯片BTS7960,。ST微電子公司推出的TD340驅(qū)動器芯片是一種用于直流電機的控制器件,可用于驅(qū)動N溝道MOSFET管,。
本文在第三、四屆大學生智能車大賽中分別嘗試了上面提到的5塊電機驅(qū)動芯片設計的驅(qū)動電路,，通過現(xiàn)場調(diào)試發(fā)現(xiàn)它們的優(yōu)缺點,，確定了驅(qū)動能力強、性能穩(wěn)定的驅(qū)動方案,，并得到了很好的應用,。
1 直流電機驅(qū)動原理
目前直流電機的驅(qū)動方式主要有2種形式:線性驅(qū)動方式和開關驅(qū)動方式。其中線性驅(qū)動方式可以看成一個數(shù)控電壓源,。該驅(qū)動方式的優(yōu)點是驅(qū)動電機的力矩紋波很小,，可應用于對電機轉(zhuǎn)速要求非常高的場合;缺點是該方式通常比較復雜，成本較高,，尤其是要提高驅(qū)動的功率時,，相應的電路成本將提升很多[1],。本文針對H橋驅(qū)動電路在智能車競賽中的應用加以分析。
目前的H橋驅(qū)動主要有3種方式,。圖1(a)中H橋的4個橋臂都使用N溝道增強型MOS管;圖1(b)中H橋的4個橋臂都使用P溝道增強型MOS管;圖1(c)中上H橋臂分別使用P溝道增強型MOS管和N溝道增強MOS管,。由于P溝道MOS管的品種少、價格較高,，導通電阻和開關速度等都不如N溝道MOS管,，因此最理想的情況應該是在H橋的4個橋臂都使用N溝道MOS管。但是在如圖1(a)中可以看到,，為了使電機正轉(zhuǎn),，Q1和Q4應該導通，因此S4電壓應該高于Q4的源極電壓,，S1電壓應該高于Q1的源極電壓,，由于此時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,。同理,圖1(b)中為了使電機正轉(zhuǎn)，S4電壓就必須低于0V- VGS,，在使用時也不方便,。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,，使用方便,。本文針對3種形式電路進行設計，并進行實驗比較分析,。
2 驅(qū)動芯片的選擇與比較
在設計H橋驅(qū)動電路時,，關鍵要解決4個問題:(1) MOS管均高速驅(qū)動;(2)防止共態(tài)導通;(3)消除反向電動勢;(4)PWM信號頻率選擇與光藕隔離。以下是4種方案設計比較：
2.1方案1: 采用1片33886驅(qū)動
MC33886為H橋式電源開關IC, 該IC結(jié)合內(nèi)部控制的邏輯,、電荷泵,、柵極驅(qū)動器、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)感性直流負載電流高達5.0 A,，可以接受高達10 kHz的2路PWM信號來控制電機的轉(zhuǎn)向和速度,。具有短路保護、欠電壓保護,、過溫保護等特點,。其原理如圖2所示。
該方法能夠控制電機正反轉(zhuǎn)和剎車,，且使用方法靈活,，但是內(nèi)阻大導致壓降大,，開關頻率限制在10 kHz，電機噪聲大,，使電機容易發(fā)熱,，驅(qū)動能力受限制，會拉低電源電壓,，容易導致控制器掉電產(chǎn)生復位,。
2.2 方案2: 采用2、4片33886驅(qū)動
由于MC33886的導通電阻比較大,，產(chǎn)生了較大的壓降,，使芯片容易發(fā)熱，為了增強其驅(qū)動能力利用多塊33886并聯(lián)使用,，如圖3所示,。
該接法降低了MOS管的導通內(nèi)阻，增大了驅(qū)動電流,，可以起到增強驅(qū)動能力,、減小芯片發(fā)熱的作用，但是起始頻率受限,，電機噪聲大且發(fā)熱嚴重,。
2.3 方案3: 釆用2片VNH3SP30
(1)運動控制H橋組件VNH3SP30性能[2]
VNH3SP30是意法半導體公司生產(chǎn)的專用于電機驅(qū)動的大電流功率集成芯片，其原理框圖如圖4所示,，芯片核心是一個雙單片上橋臂驅(qū)動器(HSD)和2個下橋臂開關,HSD開關的設計采用ST的ViPowe技術(shù),，允許在一個芯片內(nèi)集成一個功率場效應MOS管和智能信號/保護電路。下橋臂開關是采用ST專有的EHD(STripFET)工藝制造的縱向場效應MOS管,。3個模塊疊裝在一個表面組裝MultiPowerSO- 30引腳框架電絕緣封裝內(nèi),，具體性能指標如下: ①最大電流30 A、電源電壓高達40 V; ②功率MOS管導通電阻0.034 Ω; ③5 V兼容的邏輯電平控制信號輸入;④內(nèi)含欠壓,、過壓保護電路;⑤芯片過熱報警輸出和自動關斷,。
(2)驅(qū)動器電路設計與運行原理
①PWM信號調(diào)節(jié)方式
PWM(脈寬調(diào)制)信號是VNH3SP30最重要的控制信號,，其最大工作頻率為10 kHz.PWM信號通過控制H橋上的功率管的導通時間,，從而實現(xiàn)對輸出負載平均電流的調(diào)節(jié)。PWM信號的一個低電平狀態(tài)將會關閉2個下橋臂開關,，而當PWM輸入端由低電平變?yōu)楦唠娖綍r,，下橋臂LSA和LSB導通與否取決于輸入信號INA和INB，只有輸入信號從低電平變?yōu)楦唠娖綍r,，下橋臂LSA和LSB才能重新導通,。
②方向控制信號和橋臂使能信號
INA和INB為電機轉(zhuǎn)向控制信號，控制電機的轉(zhuǎn)向和剎車;ENA/DIAGA和ENB/DIAGB為橋臂使能信號,，當這2個信號都為低電平時,，H橋?qū)⒉荒軐ā．旘?qū)動芯片過熱,、過壓,、欠壓及過流時，ENA/DIAGA和ENB/DIAGB為故障診斷反饋信號,，這2個信號返回一個低電平,，同時H橋輸出被封鎖。
該方法較MC33886的一個顯著優(yōu)點就是芯片不會發(fā)熱,，且保護功能強大,，但是存在開關頻率限10 kHz，電機噪聲大且電機容易發(fā)熱,，但芯片較貴,，很多場合性價比不高。
2.4 方案4: 采用2片BTS7960
如圖5所示,，采用2個半橋智能功率驅(qū)動芯片BTS7960B組合成一個全橋驅(qū)動器,，驅(qū)動直流電機轉(zhuǎn)動。BTS7960B是應用于電機驅(qū)動的大電流半橋集成芯片,，它帶有一個P溝道的高邊MOSFET,、一個N溝道的低邊MOSFET和一個驅(qū)動IC。 P溝道高邊開關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IC具有邏輯電平輸入、電流診斷,、斜率調(diào)節(jié),、死區(qū)時間產(chǎn)生和超溫、過壓,、欠壓,、過流及短路保護功能。BTS7960B的通態(tài)電阻典型值為16 mΩ,，驅(qū)動電流可達43 A,，調(diào)節(jié)SR引腳外接電阻的大小可以調(diào)節(jié)MOS管導通和關斷時間，具有防電磁干擾功能,。IS引腳是電流檢測輸出引腳,。INH引腳為使能引腳，IN引腳用于確定哪個MOSFET導通,。當IN=1 且INH=1時，高邊MOSFET導通，輸出高電平,；當IN=0且INH=1時,，低邊MOSFET導通，輸出低電平,。通過對下橋臂開關管進行頻率為25 kHz的脈寬調(diào)制(PWM)信號控制BTS7960B的開關動作,，實現(xiàn)對電機的正反向PWM驅(qū)動、反接制動,、能耗制動等控制狀態(tài),。
這塊芯片開頭頻率可以達到25 kHz，可以很好地解決前面提到的MC33886和VNH3SP30使電機噪聲大和發(fā)熱的問題,，同時驅(qū)動能力有了明顯的提高,，響應速度快。但是,，電機變速時會使電源電壓下降10%左右,，控制器等其他電路容易產(chǎn)生掉電危險，從而使整個電路系統(tǒng)癱瘓,。
2.5 方案5：采用DT340和IRF3205
以TD340驅(qū)動器芯片為核心的直流電機PWM調(diào)速控制系統(tǒng)可以很好地驅(qū)動由低導通電阻IRF3205組成的H橋,，大大簡化硬件電路。該系統(tǒng)不僅可以模擬控制,，而且具有計算機接口,，同時具有良好的保護功能。
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MOSFET管的基極驅(qū)動電壓分為2組，其中Q2L和Q1H為一組,，當Q2L接收PWM信號導通時,，Q1H常開，而Q2H和Q1L截止,。這時,，電機兩端得到電壓而旋轉(zhuǎn)，而且占空比越大,，轉(zhuǎn)速越高,。由于直流電機是1個感性負載，當MOS關斷時,，電機中的電流不能立即降到零,，所以必須給這個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個二極管,，使電流流過二極管，最后通過歐姆耗散的方式在二極管中消失。對于大電流,，耗散是重要的排放方法,。這里必須使用高速二極管。電機反轉(zhuǎn)時原理相同,。
該方案基本上集合了前面4種方法的所有優(yōu)點,，初始頻率高達25 kHz，且有微控制器的標準5 V電壓輸出,，釆用的開關管IRF3205的導通內(nèi)阻僅有8 mΩ,，不需要高速光隔對MCU的PWM隔離電路，從面使整個電路簡單化,。
3 實驗結(jié)果與分析
經(jīng)過對電路的選擇和調(diào)試實驗,，本文重點論述的5種電路對比結(jié)果如表1、表2所示,。
綜上分析,，每一種驅(qū)動方法都有優(yōu)缺點，但是從綜合因素考慮選擇TD34和IRF305組成H橋?qū)﹄姍C進行控制是最好的方法,。
參考文獻
[1] 曾國強,，葛良全.機器人比賽中直流電機驅(qū)動電路的設計[J].微計算機信息，2008,24(5-2):236-238.
[2] 侯清鋒, 羅海波, 王洪福.基于VNH3SP30的大電流直流電機驅(qū)動器的設計[J].微計算機信息,，2007,，23 (10-1):92-94.
[3] 伊永峰，楊勇,，張立勛.TD340芯片在直流調(diào)速系統(tǒng)中的應用[J].國外電子元器件,，2004(9):48-50.