特種機(jī)器人的低電壓大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

劉 雄，林茂松，梁艷陽(yáng)

（西南科技大學(xué) 特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621010）

現(xiàn)階段電氣系統(tǒng)抗核輻射的主要途徑是使用鉛屏蔽層將控制系統(tǒng)完全包裹起來(lái),以達(dá)到屏蔽效果，通常鉛屏蔽層厚度約為7 cm?？紤]到使用該方式對(duì)其進(jìn)行抗核輻射加固會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人體積龐大且笨重，所以很有必要設(shè)計(jì)一款適用于核輻射應(yīng)急處理機(jī)器人的底盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

[1]設(shè)計(jì)了一款輸出功率可達(dá)9 kW的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，但該驅(qū)動(dòng)器使用了28 V/125 V DC-DC變換器，使得驅(qū)動(dòng)器體積非常龐大，不適用于核應(yīng)急處理機(jī)器人的底盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)。參考文獻(xiàn)[2]和參考文獻(xiàn)[3]均設(shè)計(jì)了一種輸出電壓為24 V、電流為10 A的驅(qū)動(dòng)器，由于其輸出功率過(guò)小，顯然也都不能用于核應(yīng)急處理機(jī)器人的底盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種使用IR2184驅(qū)動(dòng)且由并聯(lián)MOS管搭建的H橋大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案。本文針對(duì)驅(qū)動(dòng)中的尖峰問(wèn)題設(shè)計(jì)RCD吸收回路，并針對(duì)MOS并聯(lián)中的局部過(guò)流問(wèn)題設(shè)計(jì)均流保護(hù)電路，從而保證驅(qū)動(dòng)器能可靠穩(wěn)定地工作。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)需要驅(qū)動(dòng)的特種機(jī)器人重約850 kg，所以要求底盤電機(jī)的輸出功率約為1 200 W，因此底盤電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出功率至少應(yīng)為1 500 W。機(jī)器人只能由自身攜帶的電池供電，并且要求其機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、體積小，所以設(shè)計(jì)中需使用24 V電池為驅(qū)動(dòng)供電。根據(jù)1.5倍峰值電流的標(biāo)準(zhǔn)[1]，本文需設(shè)計(jì)一個(gè)輸出電壓為 24 V、輸出電流最大為100 A的驅(qū)動(dòng)器。

驅(qū)動(dòng)器的整體框圖如圖1所示，包括STM32最小系統(tǒng)、串口模塊、DC-DC隔離電源模塊、狀態(tài)指示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和RCD吸收電路。

圖1 驅(qū)動(dòng)器方案模塊圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以STM32為控制核心，產(chǎn)生PWM波控制柵極驅(qū)動(dòng)芯片IR2184，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)由NMOS并聯(lián)搭建的H橋。同時(shí)本設(shè)計(jì)使用RCD吸收電路吸收電機(jī)啟停中的尖峰，均流保護(hù)電路使得并聯(lián)MOS管間的電流盡量均衡。

2.1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

在 H橋中，要使 NMOS管完全導(dǎo)通，要求 VGS＞10 V。對(duì)于下橋臂，直接加10 V以上的電壓就可使NMOS導(dǎo)通；但對(duì)上橋臂，要使NMOS導(dǎo)通，就必須滿足VG＞VSS+10 V。因此必須使用浮動(dòng)?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)，才能使得上橋臂導(dǎo)通。柵極驅(qū)動(dòng)芯片IR2184是懸浮柵極驅(qū)動(dòng)芯片，具有自動(dòng)死區(qū)時(shí)間控制，所以本設(shè)計(jì)使用其作為NMOS的驅(qū)動(dòng)芯片。

圖2是IR2184的自舉驅(qū)動(dòng)電路，由2片IR2184驅(qū)動(dòng)一個(gè)由IRFP3206構(gòu)成的H橋電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制。其中，PWM1、PWM2是 STM32產(chǎn)生的 PWM經(jīng)光耦隔離之后用來(lái)進(jìn)行電機(jī)速度控制的信號(hào)；D1～D4為泄放二極管，作用是在沒(méi)有柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)迅速泄放掉輸入電容中的電荷；D5～D8為 12 V的穩(wěn)壓二極管，用作鉗位，以確保VGS電壓正常，進(jìn)而保證MOS管驅(qū)動(dòng)正常；D11～D14為續(xù)流二極管，用于增加MOS管的續(xù)流能力；R9～R12為下拉電阻；C3～C6為電源濾波電容，用于維持IR2184電源的穩(wěn)定。

C1、C2為自舉電容，D9、D10為自舉二極管。參數(shù)選擇如下[4]：

(1)自舉電容的電容值選取

在本設(shè)計(jì)中，自舉電容的容量由式(2)決定，根據(jù)IRFP3206的數(shù)據(jù)手冊(cè)知，Qg=170 nC，IGSS=100 nA。同時(shí)在本設(shè)計(jì)中 VCC=12 V，Vf=1.3 V，VLS=0.7 V，QIS=5 nC，f=1 kHz，于是 C1、C2的最小值為 1.2μF，故本設(shè)計(jì)中使用3.3μF的鉭電容。

其中，Qgs是自舉電容應(yīng)該提供的最小電荷，Qg是高端MOS管的門電荷，f是工作頻率，VCC是邏輯電路部分的電源電壓，Vf是自舉二極管的正向壓降，VLs是低端MOS管上的壓降，QIS是每個(gè)周期的電平轉(zhuǎn)換所需要的電荷。

(2)自舉二極管的選取

自舉二極管必須能夠承受線路中的所有電壓，所以本設(shè)計(jì)中自舉二極管的耐壓值最小應(yīng)該為35 V，而該二極管的電流額定值由式(3)決定：

同時(shí)，為了減小由自舉電容饋入電源的電荷，應(yīng)選用超快速恢復(fù)二極管。在本設(shè)計(jì)中，Qgs=345 nC，f=1 kHz，計(jì)算得自舉二極管的額定電流為0.4 A，SS24是耐壓為35 V、額定電流為1 A的超快速恢復(fù)二極管，能滿足本設(shè)計(jì)需求。

2.2 RCD吸收電路

在驅(qū)動(dòng)的實(shí)際測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在電機(jī)啟停時(shí)，驅(qū)動(dòng)器輸出端有較大沖擊電壓，有時(shí)甚至高達(dá)60 V，這個(gè)電壓可能將MOS管擊穿，所以必須使用RCD吸收電路來(lái)濾除尖峰。在如圖3所示的電路(省略驅(qū)動(dòng)電路)中，將RCD吸收電路并聯(lián)在MOS管的漏極和源極之間，以保證驅(qū)動(dòng)器更加穩(wěn)定可靠地工作。

圖3 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

RCD吸收回路中的主要器件是電容，為了保證驅(qū)動(dòng)電路中電感盡可能小，本設(shè)計(jì)使用等效電感比較小的CBB電容，其電容值可由式(4)得到[5]。在本設(shè)計(jì)中，ID=43 A，VDS=24 V；由 IRFP3206的數(shù)據(jù)手冊(cè)知，tr=0.082μs，tf=0.083 ns，VDS=0.13 V，于是 CA約為 0.3μF，在本設(shè)計(jì)中吸收電容的容值為1μF。

其中，CA為吸收回路中電容的容值，單位為μF；ID為單個(gè)MOS管的最大輸出電流，單位為A；VDS為驅(qū)動(dòng)電壓，單位為 V；tr為最大漏極電壓上升時(shí)間，單位為 μs；tf為最大漏極電流下降時(shí)間，單位為μs。

電阻值的選擇應(yīng)保證電容在每次導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)可放電完畢，同時(shí)必須限制放電電流，即滿足式(5)。在本設(shè)計(jì)中，ton=1 ms，CA=1 μF，VCC=24 V，ID=43 A， 于是 RA的取值范圍為0.14～330Ω，在本設(shè)計(jì)中取RA=15Ω。

其中，RA為吸收電路中電阻的阻值，單位為Ω；ton為導(dǎo)通時(shí)間，單位為 μs；CA為吸收回路中電容的容值，單位為μF；VCC為驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)作電源電壓，單位為V；ID為表示最大驅(qū)動(dòng)電流，單位為A。為避免由反向恢復(fù)引起震蕩而產(chǎn)生的過(guò)電壓，吸收電路中的二極管DA應(yīng)該選擇正向?qū)妷旱?、反向恢?fù)時(shí)間短的二極管，在本設(shè)計(jì)中使用SS24。

2.3 MOS管并聯(lián)設(shè)計(jì)

所有并聯(lián)的MOS管導(dǎo)通時(shí)的管壓降是相同的，必然是飽和電壓小的MOS管先流過(guò)較大的電流。由于功率MOS管的通態(tài)電阻RDS(on)具有正溫度系數(shù)，因此，從原理上講，MOS管具有電流自動(dòng)均衡分配的特性，是很適合并聯(lián)的[6]。

圖4所示為MOS管并聯(lián)示意圖（忽略2184驅(qū)動(dòng)和RCD吸收電路），在本設(shè)計(jì)中采用3個(gè)MOS管并聯(lián)的方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)。為抑制柵極震蕩，每個(gè)MOS管都使用獨(dú)立的柵極電阻；為保證各并聯(lián)MOS盡可能地?zé)狁詈?，并?lián)的MOS安裝在同一片散熱片上；為保證MOS管并聯(lián)驅(qū)動(dòng)效果，MOS管盡量選擇性能接近的同一批次MOS管。

圖4 MOS管并聯(lián)驅(qū)動(dòng)示意圖

多管并聯(lián)的理想情況是并聯(lián)的MOS管同時(shí)通斷，如果電流分配不均，導(dǎo)致管壓降小的MOS流過(guò)的電流過(guò)大，其必然會(huì)被燒毀，其他MOS管也難以幸免。為了保證并聯(lián)MOS管間盡可能均流，在本設(shè)計(jì)中采用對(duì)每個(gè)MOS管單獨(dú)限流的方式來(lái)限制其流過(guò)的電流[6]。如圖4所示的電路，在每個(gè)MOS管組中串聯(lián)電流檢測(cè)用的錳銅采樣電阻 R10、R20、R30，其電阻值為 2 mΩ，經(jīng)線性光耦模塊后將 AD1、AD3、AD5接到 STM32單片機(jī)的 AD引腳上，用作電流反饋。在本設(shè)計(jì)中，采用3個(gè)MOS管并聯(lián)，最終驅(qū)動(dòng)器的最大驅(qū)動(dòng)電流為 100 A，由式(6)可算得每個(gè)MOS管的電流保護(hù)點(diǎn)Ip=43 A。

其中，K為1.3，IMAX為驅(qū)動(dòng)器輸出的最大電流，N為并聯(lián)MOS管的數(shù)量。

在如圖4所示的電路中，如果HO輸入一定占空比 PWM信號(hào)后，Q1、Q5、Q9都導(dǎo)通，而且流過(guò)每個(gè)MOS管的電流都在Ip范圍內(nèi)。此時(shí)增加PWM的占空比，假設(shè)此時(shí)流過(guò)Q5的電流已超過(guò)Ip范圍，則會(huì)產(chǎn)生過(guò)流信號(hào)限制PWM的繼續(xù)增加，由于MOS管的自動(dòng)均流特性，Q1、Q9的電流會(huì)增加，同時(shí) Q5的電流減小，小于Ip電流保護(hù)點(diǎn)，則過(guò)流信號(hào)消失，PWM的占空比就可以繼續(xù)增加。以后一直重復(fù)以上過(guò)程，直到達(dá)到新的電流平衡為止，最終實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器輸出電流為100 A的目的。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

(1)RCD吸收電路驗(yàn)證

如圖5所示，在沒(méi)有RCD吸收電路時(shí)，隨著PWM占空比的增加，尖峰電壓迅速增加；使用RCD吸收電路后，尖峰電壓沒(méi)有明顯變化。實(shí)驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的RCD吸收電路能基本吸收尖峰電壓，并將其控制在30 V以下，這樣對(duì)MOS管的沖擊較小，MOS管能更穩(wěn)定地工作。

圖5 RCD吸收電路性能測(cè)試

圖6 輸出特性曲線

(2)驅(qū)動(dòng)器輸出特性驗(yàn)證

為了測(cè)試驅(qū)動(dòng)器的實(shí)際輸出性能，本文選用淄博惠康微電機(jī)公司生產(chǎn)的J130ZYT66PX36A3直流力矩電機(jī)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。如圖6所示，本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器在水泥場(chǎng)地上輸出的最大電流已超過(guò)100 A，且MOS管溫升不明顯。

本文使用RCD吸收回路削弱了電機(jī)啟停過(guò)程中產(chǎn)生的尖峰，將尖峰控制在30 V以下；同時(shí)使用均流保護(hù)電路很好地解決了并聯(lián)MOS管局部過(guò)流的問(wèn)題，從而達(dá)到了驅(qū)動(dòng)電壓為24 V時(shí)，持續(xù)驅(qū)動(dòng)電流達(dá)100 A的目的。實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的使用IR2184驅(qū)動(dòng)由并聯(lián)MOS管搭建的H橋的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)項(xiàng)目中核應(yīng)急處理機(jī)器人的穩(wěn)定可靠控制。

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