電機(jī)驅(qū)動電路的兩種設(shè)計(jì)方案解析

針對不同的電機(jī)，我們應(yīng)該選擇與之相對應(yīng)的驅(qū)動。簡單地來說，功率大的電機(jī)應(yīng)該選用內(nèi)阻小、電流容許大的驅(qū)動，功率小的電機(jī)就可以選用較低功率的驅(qū)動。電機(jī)驅(qū)動較常規(guī)的方法是采用 PWM 控制。

常見的電機(jī)驅(qū)動有兩種方式：

采用集成電機(jī)驅(qū)動芯片;

采用MOSFET和專用柵極驅(qū)動芯片。

方案一

采用集成電機(jī)驅(qū)動芯片

通過電機(jī)驅(qū)動模塊控制驅(qū)動電機(jī)兩端電壓來對電機(jī)進(jìn)行制動，我們可以采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的集成橋式驅(qū)動芯片 MC33886。MC33886 最大驅(qū)動電流為 5A，導(dǎo)通電阻為 140 毫歐姆，PWM 頻率小于 10KHz，具有短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過溫保護(hù)等功能。體積小巧，使用簡單，但由于是貼片的封裝，散熱面積比較小，長時(shí)間大電流工作時(shí)，溫升較高，如果長時(shí)間工作必須外加散熱器，而且 MC33886的工作內(nèi)阻比較大，又有高溫保護(hù)回路，使用不方便。

下面，著重介紹我們在平時(shí)設(shè)計(jì)驅(qū)動電路時(shí)最常用的驅(qū)動電路。我們普遍使用的是英飛凌公司的半橋驅(qū)動芯片 BTS7960 搭成全橋驅(qū)動。其驅(qū)動電流約 43A，而其升級產(chǎn)品 BTS7970 驅(qū)動電流能夠達(dá)到 70 幾安培!而且也有其可替代產(chǎn)品 BTN7970，它的驅(qū)動電流最大也能達(dá)七十幾安!

其內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相同如下：

每片芯片的內(nèi)部有兩個(gè) MOS 管，當(dāng) IN 輸入高電平時(shí)上邊的 MOS 管導(dǎo)通，常稱為高邊 MOS 管，當(dāng) IN 輸入低電平時(shí)，下邊的 MOS 管導(dǎo)通，常稱為低邊 MOS管;當(dāng) INH 為高電平時(shí)使能整個(gè)芯片，芯片工作;當(dāng) INH 為低電平時(shí)，芯片不工作。

其典型運(yùn)用電路圖如下圖所示：

INH一般使用時(shí),我們直接接高電平，使整個(gè)電路始終處于工作狀態(tài)。

下面就是怎么樣用該電路使得電機(jī)正反轉(zhuǎn)。假如當(dāng)PWM1端輸入PWM波，PWM2端置0,電機(jī)正轉(zhuǎn);那么當(dāng) PWM1端為0,PWM2端輸入PWM 波時(shí)電機(jī)將反轉(zhuǎn)!使用此方法需要兩路PWM信號來控制一個(gè)電機(jī)!其實(shí)可以只用一路 PWM 接 PWM1 端，另外 PWM2 端可以接在 IO 端口上，用于控制方向!假如 PWM2=0，PWM1 輸入信號時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn);那么當(dāng) PWM2=1是，PWM1 輸入信號電機(jī)反轉(zhuǎn)(必須注意：此時(shí)PWM信號輸入的是其對應(yīng)的負(fù)占空比)!

以上的電路，對于普通功率的底盤，其驅(qū)動電流已經(jīng)能夠滿足，但是對于更大功率的底盤，可能有點(diǎn)吃力。尤其是當(dāng)我們加的底盤在不停的加減速時(shí)，這就需要電機(jī)不停的正反轉(zhuǎn)，此時(shí)的電流很大，還用以上的驅(qū)動電路，芯片會很燙!!這個(gè)時(shí)候就需要我們自己用 MOSFET 和柵極驅(qū)動芯片自己設(shè)計(jì) H 橋!

方案二

大功率 MOS 管組成電機(jī)驅(qū)動電路

由于本人對這一部分的研究還不過深入，以下內(nèi)容主要參考了“337實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)”對大功率MOS管組成的電機(jī)驅(qū)動電路的分析與設(shè)計(jì)。

用這個(gè)方法電路非常簡單，控制只需要一路PWM，在管子上消耗的電能也比較少，可以有效地避免多片MC33886 并聯(lián)時(shí)由于芯片分散性導(dǎo)致的驅(qū)動芯片某些片發(fā)熱某些不發(fā)熱的現(xiàn)象。但是缺點(diǎn)是不能控制電機(jī)的電流方向，在小車的剎車的性能的提升上明顯有弱勢，而且電流允許值也比較小。

當(dāng)我們按照下圖接線時(shí)，也就是兩路PWM輸入組成H橋，則可以通過控制PWM1和PWM2的相對大小控制電流的方向，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

在這里給大家介紹的是 IR 公司的 IR2104，因?yàn)?IR 公司號稱功率半導(dǎo)體領(lǐng)袖，當(dāng)然 2104 也相對比較便宜!IR2104 可以驅(qū)動可以驅(qū)動高端和低端兩個(gè) N 溝道MOSFET，能提供較大的柵極驅(qū)動電流使用兩片 IR2104 型半橋驅(qū)動芯片可以組成完整的直流電機(jī) H 橋式驅(qū)動電路。但是需要 12V 驅(qū)動!

關(guān)鍵參數(shù)的選擇：

這個(gè)驅(qū)動設(shè)計(jì)單從信號邏輯上分析比較容易理解，但要深入的理解和更好的應(yīng)用，就需要對電路做較深入的分析，對一些外圍元件的參數(shù)確定做理論分析計(jì)算。

圖中IC是一個(gè)高壓驅(qū)動芯片,驅(qū)動 1 個(gè)半橋 MOSFET。Vb,Vs 為高壓端供電;Ho為高壓端驅(qū)動輸出;COM為低壓端驅(qū)動供電,Lo為低壓端驅(qū)動輸出;Vss 為數(shù)字電路供電.此半橋電路的上下橋臂是交替導(dǎo)通的,每當(dāng)下橋臂開通,上橋臂關(guān)斷時(shí)Vs腳的電位為下橋臂功率管Q2的飽和導(dǎo)通壓降,基本上接近地電位,此時(shí)Vcc通過自舉二極管D對自舉電容C2充電使其接近 Vcc 電壓。

當(dāng)Q2關(guān)斷時(shí) Vs端的電壓就會升高,由于電容兩端的電壓不能突變,因此Vb端的電平接近于Vs和Vcc端電壓之和,而Vb和Vs之間的電壓還是接近Vcc電壓。當(dāng)Q2開通時(shí),C2作為一個(gè)浮動的電壓源驅(qū)動 Q2;而C2在Q2開通其間損失的電荷在下一個(gè)周期又會得到補(bǔ)充,這種自舉供電方式就是利用Vs端的電平在高低電平之間不停地?cái)[動來實(shí)現(xiàn)的.由于自舉電路無需浮動電源,因此是最便宜的，如圖所示自舉電路給一只電容器充電，電容器上的電壓基于高端輸出晶體管源極電壓上下浮動。

圖中的D和C2是IR2104在PWM應(yīng)用時(shí)應(yīng)嚴(yán)格挑選和設(shè)計(jì)的元器件,根據(jù)一定的規(guī)則進(jìn)行計(jì)算分析;并在電路實(shí)驗(yàn)時(shí)進(jìn)行調(diào)整,使電路工作處于最佳狀態(tài)，其中D 是一個(gè)重要的自舉器件,應(yīng)能阻斷直流干線上的高壓,其承受的電流是柵極電荷與開關(guān)頻率之積,為了減少電荷損失,應(yīng)選擇反向漏電流小的快恢復(fù)二極管，芯片內(nèi)高壓部分的供電都來自圖中自舉電容C2上的電荷;為保證高壓部分電路有足夠的能量供給，應(yīng)適當(dāng)選取C2的大小。

編輯：黃飛

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