一種低壓大電流H橋直流電機驅(qū)動器的設(shè)計

紀(jì)玉亮++王旭東++龍江++周凱

摘 要：針對輸入電壓較低且工作電流較大的直流電機驅(qū)動控制場合，設(shè)計了一種低壓大電流H橋直流電機驅(qū)動器.驅(qū)動器采用VNH3ASP30的H橋電機驅(qū)動芯片，依據(jù)調(diào)壓調(diào)速理論，通過TL494產(chǎn)生一路占空比可調(diào)的PWM脈沖來控制電機的運行速度，并運用TL494內(nèi)部集成的運放構(gòu)成電流截止負(fù)反饋來限制驅(qū)動器的輸出電流，考慮到運行狀況的需要，設(shè)計了雙邊延單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器啟動延時可調(diào)電路.實驗表明，該驅(qū)動器具有工作電壓低，輸出電流大（最大可達30A），調(diào)速方便，電機啟動延時（0-lOs）可調(diào)等特點，并且省去了軟件設(shè)計，降低了控制難度，減少了成本，

關(guān)鍵詞：直流電機；VNH3ASP30；H橋驅(qū)動；占空比；啟動延時

DOI：1O.15938/j.jhust.2015.02.009

中圖分類號：TM33

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-2683（2015）02-0048-05

0 引 言

隨著電機拖動行業(yè)中小型機械系統(tǒng)的發(fā)展，直流電機控制系統(tǒng)的運用越來越廣一泛，H橋直流電機驅(qū)動電路由于其可以方便地實現(xiàn)直流電機的四象限運行，因此在直流電機控制中受到廣泛的應(yīng)用但針對電源電壓較低輸出電流較大的直流電機控制場合一直存在以下問題使大電流直流電機驅(qū)動控制系統(tǒng)效果不夠理想，由于分立器件組成的H橋電路各元件的特性不同，導(dǎo)致驅(qū)動特性具有一定離散性，此外，由于功率管的導(dǎo)通電阻較大，因此功耗很大導(dǎo)致需要大功率的散熱片，就使驅(qū)動器體積變大.為此，許多公司生產(chǎn)了集成的電機驅(qū)動芯片，如美國國家半導(dǎo)體公司（NS）推出的H橋電機驅(qū)動芯片LMD18200，其工作電壓高達55V，峰值輸出電流高達6A.雖然該芯片也具有驅(qū)動簡單，控制效果好，但由于其輸出電流較小，因此不能用于中型直流電機驅(qū)動系統(tǒng)中.

針對上述問題，本文選用了專用直流電機驅(qū)動集成芯片VNH3ASP30，該芯片就是一款輸入電壓低于40V，輸出電流有效值可達30A左右的電機驅(qū)動芯片，該芯片內(nèi)部集成了欠壓、過壓、過熱、短路保護接地?fù)p耗等保護電路.可以實時對電機驅(qū)動器運行狀態(tài)進行監(jiān)測，確保直流電機驅(qū)動器處于安全運行狀態(tài)，該芯片內(nèi)部集成輸出電流互感器，在接地電阻為規(guī)定值時，可以發(fā)出與輸出電流成一定比例的感應(yīng)電流，因此利用其電流互感功能設(shè)計了電流截止負(fù)反饋電路，對電機啟動停止可能導(dǎo)致的輸出電流過大進行了限流保護，本文利用TI494產(chǎn)生一路占空比可調(diào)的PWM脈沖與該H橋電機驅(qū)動芯片VNH3ASP30相互配合來驅(qū)動直流電機，并實現(xiàn)電機平穩(wěn)的調(diào)速，為了滿足電機拖動行業(yè)一些中小型機械系統(tǒng)的應(yīng)用，對芯片VNH3ASP30方向引腳進行配置，設(shè)計開關(guān)延時電路，通過配置5V的邏輯電平就可使其平穩(wěn)的工作在四象限.

1 基于PWM的H橋直流電機驅(qū)動器的設(shè)計

對于直流電機而言，其速度控制方法有三種，電樞串阻調(diào)速、電樞調(diào)壓調(diào)速、弱磁調(diào)速，電樞串阻調(diào)速只能實脫有級調(diào)速，導(dǎo)致速度變化不夠平滑；弱磁速雖然調(diào)速效果較好，但其工作在恒功率區(qū)，調(diào)速范圍有限；只有調(diào)壓調(diào)速既能實現(xiàn)無級調(diào)速，又能在負(fù)載變化時‘使速度有較好的穩(wěn)定性，電損耗小，因此在直流調(diào)速系統(tǒng)中均以電樞調(diào)壓調(diào)速為主，本設(shè)計采用占空比可調(diào)的PWM脈沖來實現(xiàn)直流電機的速度調(diào)節(jié)，其原理是改變其平均電壓的大小來實現(xiàn)變壓調(diào)速.

1.1 H橋驅(qū)動芯片VNH3ASP30性能及驅(qū)動電路

本設(shè)計選用的是H橋直流電機驅(qū)動集成芯片VNH3ASP30，該芯片在低壓大電流H橋直流電機驅(qū)動控制中得到了廣泛應(yīng)用，其具有以下性能特點：①電源電壓40V，最大電流30A；②內(nèi)部集成MOS管導(dǎo)通電阻42mΩ③具有過壓、欠壓保護電路，即輸入電壓在5.5V，40V范圍外自動關(guān)斷VNH3ASP30輸出；④該芯片還具有過流、過熱、短路自動保護功能；⑤芯片內(nèi)部集成電流互感器，接地電阻為700Ω時，感應(yīng)電流比例為1：4700⑥可執(zhí)行PWM波頻率高達20kHz，驅(qū)動電路設(shè)計如圖1.

由圖1可知，該芯片內(nèi)部有兩路輸出和地線，可以同時驅(qū)動兩組直流電機，本設(shè)計為了加大驅(qū)動能力將其并聯(lián).圖中INA和INB為方向控制引腳，向其輸入5V邏輯電平，通過芯片內(nèi)部的邏輯選擇模塊來驅(qū)動上下橋臂的開通和關(guān)斷，兩個引腳同時輸入高電平或同時輸入低電平則電機處于電磁制動狀態(tài)，當(dāng)兩個引腳電平不同時可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)運行，其運行速度由圖中PWM引腳輸入的占空比可調(diào)的PWM脈沖決定，采用TL494芯片生成同定頻率占空比可調(diào)的PWM脈沖來控制電機運行速度，該芯片ENA和ENB引腳具有橋臂使能功能（高電平有效），中這兩個引腳用來控制電機啟動和停止，同時ENA和ENB兩個引腳對芯片VNH3ASP30內(nèi)部H橋電路有檢測功能，當(dāng)檢測到故障（過壓、過流、短路等）時，故障引線就會被閉鎖，只有輸入信弓.從低電平升到高電平時，H橋才能正常工作.CS引腳是芯片內(nèi)部輸出電流互感器的電流輸出引腳，該引腳在接入電阻為700Ω時，互感電流與輸出電流的比例為1：4700，對于電機控制電流反饋提供了很大方便.

TI494是固定頻率的脈沖寬度可調(diào)的PWM脈沖發(fā)生芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2，TL494內(nèi)部由一個振蕩器、兩個比較器、兩個誤差放大器、一個D觸發(fā)器、一個或門、雙與門、雙或非門、一個+5v基準(zhǔn)電壓、兩個NPN輸出晶體管組成，圖2中TI494芯片5、6引腳為RC震蕩輸入端，震蕩頻率由5、6腳輸入的電容和電阻決定，其頻率電容C=O.1μF，電阻R=1kΩ，產(chǎn)生頻率約為lOk的鋸齒波，該鋸齒波同時加給死區(qū)時問控制比較器和PWM比較器，在誤差放大器輸出無效時（低電平），引腳4輸入的電壓與鋸齒波相比較，其比較輸出送人PWM比較器，經(jīng)過四路信號相或后，一方面給D觸發(fā)器提供時鐘信號，另一方面提供給輸出控制或非門，該芯片13腳的作用是控制輸出模式的，該引腳為高電平時，觸發(fā)器電路起作用，左側(cè)輸出脈沖經(jīng)D觸發(fā)器分頻后分別送入兩個與門來控制兩個NPN三極管工作在推挽工作方式，此時兩路輸出相位差為π，此時PWM脈沖為振蕩器頻率的一半，其輸出最大占空比為50%，若13引腳為低電平時，觸發(fā)器不起作用，兩路輸出相同，其頻率與振蕩頻率一樣，最大占空比為100%.

本設(shè)計就是用TJ494產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM脈沖來控制電機的運行速度，其PWM脈沖發(fā)生電路如圖3.如圖可知13引腳接地，由此可知通過P1按入滑動變阻器，控制4腳電壓在O-3.3V變化產(chǎn)生l-0的占空比可調(diào)的PWM波形，從而達到調(diào)速的目的.

為了讓調(diào)速時避免驅(qū)動信號受到干擾，將TI494產(chǎn)生的PWM信號與VNH3SP30的輸入控制信號隔離開來，本文選用高速光耦6N173，并將其輸出接入CD4070異或門電路，CD4070的供電電源由TL494的內(nèi)置SV基準(zhǔn)電壓14引腳提供，將CD4070輸出接人VNH3SP30的PWM引腳，該光耦隔離電路不僅反應(yīng)速度快、具有較短的延時，還能起到很好的隔離作用使該直流電機H橋驅(qū)動器運行狀態(tài)更加穩(wěn)定.

1.2 H橋直流電機驅(qū)動器截流反饋電路的設(shè)計

在直流電機啟動或堵轉(zhuǎn)時，由于慣性，轉(zhuǎn)速不可能瞬間建立起來，反電勢電壓幾乎為零，若沒有限流措施就會導(dǎo)致電機電流會瞬間變大，這樣會產(chǎn)生很大的噪聲，同時會對電機換向不利，也可能是電子器件損壞，為了防止電機在運行中出現(xiàn)類似問題，本文設(shè)計了電流截止負(fù)反饋電路，該電路只在電機電流超過一定值時開始調(diào)節(jié)電流，本截流反饋電路運用圖3中TI494內(nèi)置誤差放大器1進行搭建，其原理圖如圖4.

圖4中CS與VNH3ASP30的CS引腳相連，通過二極管D1濾去反向電流，R20為700Ω的采樣電阻，在采樣電阻為700Ω時，輸出電流與感應(yīng)電流比為4700，由于本設(shè)計的限值為25A，所以當(dāng)電流為25A時CS端電壓

二極管導(dǎo)通壓降0.7V，所以穩(wěn)壓管穩(wěn)壓取值為3V，本截流反饋輸出電壓其中，PI調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)Kp=R6/R5，積分時問常數(shù)τ=RsCs；U1、U2分別為運放的輸入電壓.當(dāng)電流超過25A時，穩(wěn)壓管擊穿，電阻R2，兩端電壓大于零，輸出電壓公式PI調(diào)節(jié)器的輸出與TLA94內(nèi)部三角波進行比較后產(chǎn)生占空比變小的PWM脈沖信號來降低電流.為了防止截流反饋輸出累積量過大，還設(shè)置了鉗位電路以保證其正常工作.

1.3 H橋直流電機驅(qū)動器開關(guān)延時電路的設(shè)計

由于只針對不需要精確速度、位置的電機拖動行業(yè)的中小型機械（如車床走刀），以成本低、簡單實用為主，其開關(guān)延時電路為控制電機正反轉(zhuǎn)切換時產(chǎn)生可調(diào)的延時時間，既有利于電機緩沖后再運行，還可以運用在需要一定延時的加工機械上，其開關(guān)延時電路圖如圖5.開關(guān)延時電路中P3接人限位開關(guān)或者單刀雙擲開關(guān)來控制電機的正反轉(zhuǎn)，四異或門集成芯片CD4070中一異或門與電容C2、滑動變阻器DWl組成雙邊沿單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器.

圖5中滑動變阻器的阻值與電容C2的值決定允放電時問.充放電時間計算公式為

本設(shè)計中CD4070電源電壓Vcc=5V，其閾值電壓VTH≈2.5V，所以可知充放電時間幾乎相等，圖5中INA和INR腳與VNH3SP30中的方向引腳INA、INB相連接，當(dāng)開關(guān)P3的2腳與1腳接觸后，CD4070的5腳變?yōu)榈碗娖剑?腳高電平，CD4070的4腳Y2輸出為高電平，由于CD4070的l腳瞬問變?yōu)榈碗娖剑?腳與電容連接，電平不能瞬問變低，所以此時1腳Y.輸出為高電平，Y1、Y2均與CD4070的l、2腳相連且為高電平，則Y腳輸出為低電平，Y腳與VNH3SP30的ENAFNB；相連，所以雖然INAINB低電平單電機不轉(zhuǎn)，當(dāng)電容C2放電完畢，1、2腳電平均為低電平，Y，輸出低電平，此時Y1與Y2經(jīng)異或門輸出Y為高電平，電機正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)切換過程也是如此，其延時時間長短可由滑動變阻器DWI阻值來調(diào)節(jié).此開關(guān)延時電路使該驅(qū)動器控制更加簡便、適用.

2 實驗波形

通過TL494產(chǎn)生PWM脈沖輸入到VNH3SP30，兩次閉合開關(guān)使電機正反轉(zhuǎn)，測到開關(guān)延時波形如圖6，在輸入PWM脈沖占空比分別為50%和75%時對該低壓大電流H橋直流驅(qū)動器的輸出電壓以及電樞電流進行了檢測，如圖7、8.由圖7、8對比可以看出占空比越大電流脈動越小，即轉(zhuǎn)矩脈動越小，

3 結(jié) 語

本文提出了一款新型的低壓大電流H橋直流電機驅(qū)動器的設(shè)計方法，該驅(qū)動器輸入電源電壓低，輸出電流較大，工作頻率高，設(shè)計了截流反饋電路，并通過外圍接入限位開關(guān)與開關(guān)延時電路來讓電機平穩(wěn)的在四象限運行，本設(shè)計的低壓大電流直流電機驅(qū)動器適合應(yīng)用于工作電壓較低，但電流輸出較大的中小型機電機拖動系統(tǒng)中.