基于Proteus的高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

陳新兵 ，張方櫻，龍曉莉

（廣州大學(xué) 實(shí)驗(yàn)中心，廣東 廣州510006）

基于Proteus的高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

陳新兵 ，張方櫻，龍曉莉

（廣州大學(xué) 實(shí)驗(yàn)中心，廣東 廣州510006）

針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)問(wèn)題，提出了基于Proteus的快速解決方案。以RS-540電機(jī)為例，在分析H橋?qū)︱?qū)動(dòng)性能影響的基礎(chǔ)上，采用"預(yù)驅(qū)動(dòng)+外置H橋"方式，設(shè)計(jì)了一種高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兼容各型微控制器；在其硬件開(kāi)發(fā)中引入了Proteus虛擬開(kāi)發(fā)技術(shù)，在設(shè)計(jì)階段重現(xiàn)并解決電路問(wèn)題，自動(dòng)化程度高，體現(xiàn)了效率優(yōu)勢(shì)。測(cè)試表明，該設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，發(fā)熱小，滿足智能車(chē)競(jìng)速需求，為電機(jī)驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)提供了借鑒。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)；H橋；Proteus；仿真；印刷電路板

電機(jī)驅(qū)動(dòng)是汽車(chē)電子的關(guān)鍵技術(shù)，其電路設(shè)計(jì)直接影響著車(chē)輛的整體性能。隨著大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，集成了H橋的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片不斷涌現(xiàn)[1-3]，如 L298、BTN7971，這類(lèi)芯片集成度高，占用空間小，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，但存在發(fā)熱較大、成本偏高以及驅(qū)動(dòng)能力不足的問(wèn)題。采用外置MOSFET搭建的H橋驅(qū)動(dòng)[4-7]，電流大，散熱好，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，價(jià)格低廉，在大功率驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方面優(yōu)勢(shì)明顯，但這類(lèi)電路復(fù)雜度高，傳統(tǒng)的硬件開(kāi)發(fā)模式[8]，比較依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，不能適應(yīng)快速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的節(jié)奏。

本文結(jié)合全國(guó)智能車(chē)大賽需求，設(shè)計(jì)了高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框架，在其后續(xù)硬件開(kāi)發(fā)中引入了Proteus虛擬仿真技術(shù)，其開(kāi)發(fā)流程為：原理圖設(shè)計(jì)→電路仿真與優(yōu)化→PCB設(shè)計(jì)→3D預(yù)覽→硬件焊接調(diào)試，這種一體化開(kāi)發(fā)模式能夠在設(shè)計(jì)初期解決電路問(wèn)題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽，是以智能汽車(chē)為研究對(duì)象的競(jìng)速型賽事，賽委會(huì)指定車(chē)模和微控制器類(lèi)型，提供7.2 V2000 mAh鎳鎘充電電池，參賽者自行設(shè)計(jì)軟硬件系統(tǒng)，沿規(guī)定路線完成任務(wù)，其中B型車(chē)模采用單電機(jī)后輪驅(qū)動(dòng)，電機(jī)型號(hào)RS-540，工作電壓DC7.2 V，轉(zhuǎn)速20 000 r/min，最大功率118 W，動(dòng)力強(qiáng)勁[9]。圖1是為其設(shè)計(jì)的H橋驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案，由微控制器、信號(hào)隔離、預(yù)驅(qū)動(dòng)器、H橋電路、汽車(chē)車(chē)模和閉環(huán)檢測(cè)6部分組成。

圖1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案

2 硬件設(shè)計(jì)與仿真

2.1 Proteus簡(jiǎn)介

圖2 H橋

微控制器產(chǎn)生的實(shí)時(shí)PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)隔離緩沖，然后傳輸至預(yù)驅(qū)動(dòng)器，后者生成帶死區(qū)的互補(bǔ)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)H橋電路，形成方向和占空比可調(diào)的電壓降，控制汽車(chē)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；整車(chē)通過(guò)檢測(cè)電路構(gòu)成閉環(huán)回路，控制車(chē)模以設(shè)定速度平穩(wěn)行駛。

H橋構(gòu)成直接影響電機(jī)驅(qū)動(dòng)性能，設(shè)計(jì)要求MOSFET導(dǎo)通電阻小、開(kāi)關(guān)速度快、開(kāi)啟電壓小。圖2是采用4個(gè)N溝道MOSFET搭建的外置H橋，僅Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流向右流過(guò)電機(jī)M，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)；反之，僅Q2、Q3導(dǎo)通時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)，電橋設(shè)計(jì)時(shí)要求MOSFET開(kāi)關(guān)延遲小于PWM死區(qū)時(shí)間，避免狀態(tài)切換時(shí)出現(xiàn)H橋共態(tài)導(dǎo)通，導(dǎo)致H橋燒毀；這里MOSFET選型LR7843，其導(dǎo)通內(nèi)阻3.3 mΩ，開(kāi)關(guān)延時(shí)≤34 ns，開(kāi)啟電壓4.5 V，最大漏極電流161 A，具有發(fā)熱小、易開(kāi)啟、響應(yīng)快、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，比傳統(tǒng)PN互補(bǔ)H橋設(shè)計(jì)更有優(yōu)勢(shì)[10]，滿足B車(chē)模全速?zèng)_刺和加減速控制的高性能要求。

Proteus是Lab Center Electronics開(kāi)發(fā)的EDA軟件，現(xiàn)已升級(jí)至8.5版本，成為一個(gè)可視化電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)，集成原理圖設(shè)計(jì)、虛擬儀器、代碼調(diào)試、電路協(xié)同仿真、電路板設(shè)計(jì)及3D虛擬展示等功能，實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的一體化設(shè)計(jì)，強(qiáng)大的自動(dòng)化設(shè)計(jì)和debug實(shí)時(shí)調(diào)試功能，幫助用戶快速定位并解決問(wèn)題，提高了硬件開(kāi)發(fā)效率，常用于單片機(jī)及其外圍電路仿真設(shè)計(jì)[11-12]。此外，Proteus提供了豐富的H橋驅(qū)動(dòng)模型庫(kù)支持，成為電機(jī)驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)的理想工具。

Proteus總體設(shè)計(jì)流程是，先根據(jù)向?qū)Ы韴D和PCB板的工程文件，再通過(guò)Proteus頂部工具欄按鈕，依次進(jìn)入電路設(shè)計(jì)仿真、PCB設(shè)計(jì)和3D預(yù)覽。下面以RS-540電機(jī)驅(qū)動(dòng)為例，介紹使用Proteus8.5進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)的具體方法。

2.2 原理圖設(shè)計(jì)

原理圖是Proteus交互式仿真和電路板設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。先根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖和芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)，進(jìn)行芯片選型、周邊電路設(shè)計(jì)以及參數(shù)計(jì)算，形成硬件解決方案，這里電機(jī)驅(qū)動(dòng)選用緩沖驅(qū)動(dòng)芯片74LVC245、預(yù)驅(qū)動(dòng)芯片IR2104S、電源芯片MC34063和LR7843型MOSFET。然后進(jìn)入Proteus原理圖窗口，結(jié)合系統(tǒng)提示，分五步完成原理圖繪制：①添加所需元器件；②布局元器件與設(shè)置參數(shù)；③添加終端如電源、地和I/O端口；④連線；⑤添加網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)如+12、outA和outB。繪制完成的驅(qū)動(dòng)電路見(jiàn)圖3。

圖3 硬件電路設(shè)計(jì)

圖3中，微控制器產(chǎn)生的兩路PWM信號(hào)inA和inB，經(jīng)過(guò)緩沖芯片74LVC245，隔離保護(hù)微控制器，并提升信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力，然后信號(hào)傳輸至預(yù)驅(qū)動(dòng)芯片IR2104S，生成互補(bǔ)的PWM信號(hào)，控制H橋的高低邊柵極開(kāi)關(guān)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)，LED實(shí)時(shí)顯示電機(jī)狀態(tài)。

IR2104S是驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。IR2104S正常工作電壓為10～20 V，通過(guò)MC34063升壓電路把電池7．2 V電壓提升至12 V，為IR2104S提供工作電源和H橋低邊固定電源VCC；自舉電容C5和D12構(gòu)成IR2104S的電荷泵，提供H橋高邊浮置電源VB。LR7843柵極閾值電壓為 4．5 V，由于高邊MOSFET導(dǎo)通時(shí)源極電壓VS接近于漏極電壓7．2 V，所以這時(shí)其柵極電壓高于11．7 V，才能開(kāi)啟高邊MOSFET，電荷泵輸出VB理論峰值是12V+7．5VVF=18．6 V，能完全開(kāi)啟高邊MOSFET，滿足設(shè)計(jì)要求，適當(dāng)提高M(jìn)OSFET驅(qū)動(dòng)電壓，能提高導(dǎo)通速度，降低導(dǎo)通電阻，減少H橋熱損耗。

IR2104S正常工作時(shí)，HO=IN，LO=IN，即高邊HO輸出波形與輸入信號(hào)同相，LO與之互補(bǔ)，死區(qū)時(shí)間為520 ns，LR7843型MOSFET完全開(kāi)啟和關(guān)斷時(shí)間分別是67 ns和53 ns，遠(yuǎn)低于死區(qū)時(shí)間，H橋不會(huì)出現(xiàn)共態(tài)導(dǎo)通問(wèn)題；并聯(lián)的續(xù)流二極管1N5819，反向恢復(fù)時(shí)間為10 ns，為感生電動(dòng)勢(shì)提供了快速放電通道，輸入5 k～20 kHz驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，H橋電路能夠安全、可靠、快速地完成開(kāi)關(guān)動(dòng)作，確保電機(jī)性能充分發(fā)揮。

電路中各芯片電源端都加了接地電容，確保了芯片供電的穩(wěn)定性；在電機(jī)兩端并了壓敏電阻，吸收電機(jī)換向時(shí)的峰值電流，確保整車(chē)在電機(jī)頻繁動(dòng)作時(shí)安全穩(wěn)定運(yùn)行。由于74LVC245芯片兼有TTL電平輸入到3．3 V輸出的電平轉(zhuǎn)換功能，兼容TTL 5 V和低功耗3．3 V標(biāo)準(zhǔn)電平輸入，因此該驅(qū)動(dòng)通用性極好，適用于所有微控制器，涵蓋單片機(jī)、DSP和ARM。

2.3 電路仿真

對(duì)上述硬件電路進(jìn)行交互式仿真，需要添加必要的虛擬儀器，并更換成有動(dòng)畫(huà)效果的元器件，如LED和電機(jī)，以便直觀觀測(cè)分析電路仿真結(jié)果，據(jù)仿真結(jié)果和datasheet調(diào)整元件參數(shù)，直至滿足實(shí)際需求。整個(gè)電路的PWM輸入信號(hào)，一般通過(guò)單片機(jī)最小系統(tǒng)，加載Hex文件代碼生成[13-14]，這種協(xié)同仿真方式增加了系統(tǒng)復(fù)雜度，對(duì)PC性能要求高，易導(dǎo)致仿真動(dòng)畫(huà)效果不流暢，因此本文直接采用虛擬信號(hào)發(fā)生器簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，改善仿真實(shí)時(shí)效果，電路見(jiàn)圖4。

圖4 電路仿真與調(diào)試

圖4中，虛擬信號(hào)發(fā)生器Pulse、反相器和開(kāi)關(guān) 構(gòu)建了簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生電路，生成一對(duì)PWM信號(hào)，提供兩種PWM驅(qū)動(dòng)模式[15]：?jiǎn)螛O式（inA接PWM，inB接GND），和雙極式（inA接PWM，inB接PWM）。 利用虛擬示波器4個(gè)通道，連接電路信號(hào)輸入端口inA、inB，和輸出端口outA、outB，觀測(cè)整個(gè)電路的外部特性；利用電壓探針接12 V電源、IR2104S輸出端HO和LO，監(jiān)測(cè)內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)電壓實(shí)時(shí)變化。

設(shè)定 Pulse 參數(shù)為幅值 3．3 V、占空比 0．3、頻率10 kHz，在雙極式驅(qū)動(dòng)模式下啟動(dòng)仿真，電路穩(wěn)定后仿真效果見(jiàn)圖4，電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，反轉(zhuǎn)指示燈亮，電壓探針測(cè)得IR2104S電源穩(wěn)定在11．8 V，芯片工作正常，此時(shí)測(cè)得高邊柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)峰值18．3 V，低邊11．8 V，H橋工作正常，整個(gè)電路輸入輸出波形見(jiàn)圖5。

圖5 輸入-輸出波形

仿真波形顯示，從電路輸入到相應(yīng)半橋輸出，信號(hào)在傳輸過(guò)程中相位不變，幅值從3．3 V放大到7．2 V，仿真結(jié)果符合理論設(shè)計(jì)。其中，inA、inB占空比分別為 0．3、0．7，二者之差為-0．4，絕對(duì)值 0．4 決定電機(jī)轉(zhuǎn)速，負(fù)號(hào)表明電機(jī)反轉(zhuǎn)，改變驅(qū)動(dòng)模式和占空比Duty，最終測(cè)得的輸入輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1，仿真結(jié)果與理論設(shè)計(jì)一致，驗(yàn)證了Proteus設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的可靠性。實(shí)際使用時(shí)，根據(jù)需要選擇PWM驅(qū)動(dòng)模式，雙極式下各MOSFET狀態(tài)均衡，單極式時(shí)系統(tǒng)效率更高。

表1 驅(qū)動(dòng)仿真測(cè)試

2.4 PCB設(shè)計(jì)

仿真成功后，為電路中元器件指定封裝，虛擬儀器設(shè)備連上實(shí)際接頭，切換至PCB窗口，進(jìn)入電路板設(shè)計(jì)階段，該驅(qū)動(dòng)采用雙面板設(shè)計(jì)，元器件布局時(shí)參考電路原理圖，依次放置連接器、核心芯片、集成電路和分立元件，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意電機(jī)對(duì)電路工作的影響[16]。由于電機(jī)電流大，供電端須使用鈕子開(kāi)關(guān)和大容量濾波電容，電機(jī)供電回路PCB走線須足夠?qū)?，提升電池供電的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，由于電機(jī)頻繁動(dòng)作干擾大，驅(qū)動(dòng)常設(shè)計(jì)為獨(dú)立模塊，地線單點(diǎn)接至電池負(fù)極，與其他模塊地線以磁珠隔離；各去耦電容應(yīng)緊鄰其芯片VCC引腳布局，提升電路的抗干擾能力。

Proteus設(shè)計(jì)印制電路板，具體流程為：自動(dòng)加載網(wǎng)絡(luò)表→電路板規(guī)劃與規(guī)則設(shè)置→自動(dòng)布局與手工調(diào)整→自動(dòng)布線與手工調(diào)整→完整性檢查→3D虛擬展示→優(yōu)化工作，Proteus提供了裸板和成品兩種預(yù)覽方式，所見(jiàn)即所得，確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)機(jī)電匹配，圖6是電路設(shè)計(jì)的效果圖，左起依次為PCB布線圖、3D裸板預(yù)覽、3D成品預(yù)覽和覆銅優(yōu)化后的實(shí)物。可見(jiàn)，Proteus在電路板設(shè)計(jì)方面，虛擬仿真效果好，比同類(lèi)軟件自動(dòng)化程度高，提高了驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)效率。

圖6 電路板設(shè)計(jì)

3 結(jié) 論

該驅(qū)動(dòng)以“預(yù)驅(qū)動(dòng)+外置H橋”為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，解決了性能與發(fā)熱問(wèn)題，引入Proteus虛擬仿真技術(shù)，提高了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)效率，該驅(qū)動(dòng)已應(yīng)用于全國(guó)大學(xué)生智能汽車(chē)競(jìng)賽，在加減速性能、全速?zèng)_刺和發(fā)熱控制方面表現(xiàn)良好，滿足了汽車(chē)競(jìng)速需求，具有成本低、通用性好的優(yōu)勢(shì)，對(duì)高性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)有重要的參考價(jià)值，這種快速開(kāi)發(fā)模式對(duì)其他硬件開(kāi)發(fā)也有一定的借鑒意義。

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Design of powerful motor drive based on proteus

CHEN Xin-bing，ZHANG Fang-ying，LONG Xiao-li
（Lab Center，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China）

For the problem for motor driver design，a rapid solution is proposed based on proteus.Take RS-540 motors for example，the key effects of H-bridge on drive performance are analyzed，and a universal and powerful motor drive is designed by predrive&external H-bridge，which is compatible with all kinds of microcontrollers；proteus virtual simulation technology is brought into its hardware development，and how to design the circuits and offer solutions early is introduced in details，which demonstrates advantages of proteus in rapid hardware development.Test results verity that its driving performance agrees well with theoretical design，which meets smart car's requirements for racing.

motor drive； H-bridge； proteus； simulation；PCB

TN710

A

1674－6236（2017）17-0073-05

2016-10-14稿件編號(hào)：201610068

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51541701）

陳新兵（1978—），男，河南遂平人，碩士，實(shí)驗(yàn)師。研究方向：電力電子技術(shù)應(yīng)用。