隨著電子微技術(shù)的發(fā)展,，電機(jī)控制,、電氣傳動(dòng)形成了一門多學(xué)科交叉的“運(yùn)動(dòng)控制”技術(shù)。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能使被控機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)精確的位置控制、速度控制,、加速度控制,、轉(zhuǎn)矩或力的控制，以及這些被控機(jī)械量的綜合控制,。H橋驅(qū)動(dòng)電路能與主處理器,、電機(jī)等構(gòu)成一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，可應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī),、交流電機(jī)及直流電機(jī)等的運(yùn)動(dòng)控制,。
1 電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制及其驅(qū)動(dòng)電路
在電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制中，最常見(jiàn)的是電機(jī)的雙向轉(zhuǎn)動(dòng)和調(diào)速,，流經(jīng)電機(jī)繞組的電流大小和方向要受控,。
圖1，圖2是由4個(gè)N溝道MOs管(M1～M4)和一個(gè)電機(jī)(M)組成的H橋,。在圖1中,，當(dāng)M1和M4導(dǎo)通時(shí)，電流從電源正極經(jīng)M1從左至右穿過(guò)電機(jī),，然后再經(jīng)M4回到電源負(fù)極,，電機(jī)沿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。在圖2中,，當(dāng)M3和M2導(dǎo)通時(shí),，電流從右至左流過(guò)電機(jī)，電機(jī)沿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),。因此,，通過(guò)調(diào)整MOS管的導(dǎo)通與截止時(shí)序可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，通過(guò)調(diào)整流經(jīng)電機(jī)電流的大小可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,。
在此介紹一款基于HIP4081設(shè)計(jì)的厚膜H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,，用于某炮瞄系統(tǒng)。電路內(nèi)部集成了CMOS控制電路和由MOS管組成的H橋,，它能為負(fù)載提供5 A的連續(xù)電流,。該電路能在60 V的供電電源范圍內(nèi)安全工作，用戶只需提供與TTL電平兼容的PWM信號(hào)就可進(jìn)行4象限模式的幅值和方向同時(shí)控制,，而且與數(shù)字控制器的接口非常簡(jiǎn)單,。其內(nèi)部電路可提供適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時(shí)間間隔以保護(hù)H橋的4個(gè)N溝道場(chǎng)效應(yīng)管，效率可達(dá)97％,。提供有與TTL兼容的使能管腳來(lái)關(guān)斷4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管,。
2 HIP4081內(nèi)部結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)
HIP4081是intersil公司推出的一款專門用于控制H橋的高頻全橋驅(qū)動(dòng)芯片。采用閂鎖抗干擾CMOS制造工藝,，具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道,，分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)4個(gè)N溝道MoS管；輸出峰值電流為2 A；芯片內(nèi)部具有電荷泵和死區(qū)時(shí)間設(shè)置,；懸浮電源采用自舉電路,，其高端工作電壓可達(dá)95 V，邏輯電源電壓范圍6～15 V,，工作頻率高,，可達(dá)1 MHz；具有能控制所有輸入的禁止端,，可方便地與外接元件形成保護(hù)電路,。圖3給出HIP4081的引腳排列定義，圖4顯示了1／2HIP4081(A邊)的內(nèi)部功能框圖,。主要組成部分有：邏輯輸入,、使能、電荷泵,、電平平移及死區(qū)時(shí)間設(shè)置等,。
3 HIP4081引腳排列
在圖4中，Au,，AHl分別是A邊的低邊輸入和高邊輸入,；ALO，AHO分別是A邊的低邊輸出和高邊輸出,，DIS是使能輸入,；在另一半(B邊)的內(nèi)部功能圖中，BLI,、BHl分別是B邊的低邊輸入和高邊輸入,；BL0，BH0分別是B邊的低邊輸出和高邊輸出,。他們之間的邏輯關(guān)系如表1所示,。
3 電路實(shí)現(xiàn)基本原理
電路原理框如圖5所示。
在圖5中,，VCC為內(nèi)部邏輯電路和MOS管上臂和下臂驅(qū)動(dòng)器的低壓電源,；Vs為H橋供電電源，MOS管從這個(gè)電源端獲得輸出電流,，該腳電壓范圍為Vcc～+80 V,；V01,，為半橋的輸出腳1,，當(dāng)PwM輸入ALI為高，BLI為低時(shí),，該腳輸出為Vs,；Vo2為半橋的輸出腳2，當(dāng)PwM輸入ALI為低，BLl為高時(shí),，該腳輸出為Vs,；SENSE為2個(gè)半橋下臂的共同聯(lián)接點(diǎn)，可連接一個(gè)到Vs地的檢測(cè)電阻以檢測(cè)電流,，該腳也可以直接連到Vs的地,。GND為輸入邏輯和Vcc的地；PWM輸人為用于輸入與TTL兼容的PwM信號(hào),，占空比在O％～100％之間,；DIS為用于關(guān)斷4個(gè)MOS管，該腳為1時(shí)為關(guān)斷,，為0時(shí)使能,。
3．1 電路工作邏輯時(shí)序及電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析
在圖5中，當(dāng)使能端D1S處于高電平“1”時(shí),，無(wú)論ALI,，BLI是“1”還是“O”，ALO,，BLO,，AH0，BH0都為“0”,，電路處于禁止?fàn)顟B(tài),，電機(jī)停轉(zhuǎn)。當(dāng)使能端DIS處于低電平“O”時(shí),，ALl和BLI可通過(guò)反相器分別同時(shí)接收PWM信號(hào)的高電平“1”和低電平“0”,。當(dāng)ALl為1，BLI為0時(shí),，此時(shí),，ALO為1，AHO為0,，BLO為O,，BHO為1，H橋中的MOS管M1與M4導(dǎo)通,，H橋處于圖1狀態(tài),，電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)ALI為O,，BLI為1時(shí),，此時(shí)，AL0為0,，AHO為1,，BLO為1,，BHO為O，H橋中的MOS管M3與M2導(dǎo)通,，H橋處于圖2狀態(tài),，電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)ALI,，BLI同時(shí)為O時(shí),，ALO，BLO都為O,，AH0,，BHO都為1，電機(jī)中沒(méi)有電流流過(guò),，處于制動(dòng)狀態(tài),。當(dāng)ALI，BLI同時(shí)為1時(shí),，AL0,，BLO都為1，AHO,，BHO都為O,，電機(jī)中也沒(méi)有電流流過(guò)，同樣處于制動(dòng)狀態(tài),。其邏輯關(guān)系如表2所示,。
3．2 死區(qū)時(shí)間的考慮
在圖5中，保證H橋上2個(gè)同側(cè)的MOS管(M1和M2,，M3和M4)不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通非常重要,。如果MOS管M1和M2(或M3和M4)同時(shí)導(dǎo)通，那么電流就會(huì)從電源Vs正極穿過(guò)2個(gè)MOS管直接回到負(fù)極,。此時(shí),，電路中除了MOS管外沒(méi)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MOS管,。基于上述原因,，在實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路中要使M1與M2或M3與M4在導(dǎo)通時(shí)間上有一個(gè)延遲,，也稱死區(qū)時(shí)間。
HIP4081留有HDEL和LDEL兩個(gè)端口(見(jiàn)圖4),，用戶通過(guò)外接電阻,，可根據(jù)實(shí)際電路工作情況，自行定制死區(qū)時(shí)間,。死區(qū)時(shí)間與HDEL／LDEL電阻的關(guān)系如圖6所示,。
3．3 效率的考慮
在圖5中，決定驅(qū)動(dòng)電路效率的主要是以下3個(gè)因素：H1P4081的靜態(tài)功耗,；Vcc電源的動(dòng)態(tài)功耗,；MOS管的I2R損耗。
由于HIP4081是CMOS器件,，第(1)項(xiàng)損耗很小,，可忽略不計(jì)，第(2)項(xiàng)損耗雖然大一些,，但遠(yuǎn)小于(3)項(xiàng)(尤其是滿負(fù)荷輸出時(shí)),。而MOS管的I2R由其導(dǎo)通電阻決定，因此選擇合適的M0s管組成H橋電路,，可以減少(3)項(xiàng)損耗,。該電路選用N溝道HEXFETPower MOSFET IRFPP250N，其導(dǎo)通電阻為O．075 Ω,，降低了導(dǎo)通損耗,，提高了效率。
3．4 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的考慮
(1)該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)采用厚膜混合集成技術(shù)設(shè)計(jì),，如圖7所示,，在具有高導(dǎo)熱率的AlN陶瓷基板上通過(guò)厚膜印燒工藝制作厚膜基板，并通過(guò)基板金屬化與焊接技術(shù),，將ALN基板與金屬外殼進(jìn)行焊接,，大大提高了電路的導(dǎo)熱能力和功率密度。
(2)在圖7中,，產(chǎn)品內(nèi)部全部有源器件采用裸芯片,，通過(guò)混合集成電路的二次集成工藝技術(shù)，將元器件,、ALN厚膜陶瓷基板以及金屬外殼組裝在一起,。形成具有全密封金屬外殼、外形尺寸為32 mm×32 mm×7 mm的雙列直插式厚膜混合集成產(chǎn)品,，大大縮小了體積,，減少了產(chǎn)品內(nèi)部級(jí)連和焊點(diǎn)，提高了可靠性,。
厚膜H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用表明：該電路不僅安全可靠地實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的雙向轉(zhuǎn)動(dòng)和調(diào)速,提高了驅(qū)動(dòng)電路和系統(tǒng)的可靠性,，而且產(chǎn)品體積小，導(dǎo)熱性能好,，效率高,，能在惡劣的使用環(huán)境下安全工作，適合軍,、民兩用,。