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电机驱动系统的设计

【编辑中】

直流有刷电机的驱动#

选择分立元件或集成驱动#

相比使用集成驱动芯片(如 BTN7971B),用分立元件搭建电路成本更低、可定制性更强。一般来说,驱动电机首先从 MCU 输出 PWM 信号,经过光耦隔离、逻辑电路后,再到驱动芯片,最后到全桥 / 半桥 MOS 管。

驱动直流有刷电机驱动的基本原理:使用 PWM 驱动 H 桥电路,实现对电机转向和转速的控制,且 PWM 占空比与电机的转速成正比。

H 桥驱动的设计#

  • 当开关 S1 和 S4 闭合、S2 和 S3 断开时,电机正常旋转,记为正方向。
  • 当开关 S2 和 S3 闭合、S1 和 S4 断开时,电机反向旋转,记为反方向。
  • 当开关 S1 和 S2 闭合,或 S3 和 S4 闭合时,电源被短路,有烧毁电源的风险,严禁出现此类情况。
  • 当开关 S1 和 S3 闭合、S2 和 S4 断开;或 S2 和 S4 闭合、S1 和 S3 断开时,电机不旋转。此时电机处于「刹车」状态,电机惯性转动产生的电势将被短路,形成阻碍运动的反电势,形成「刹车」作用。
  • 当 S1、S2、S3、S4 四个开关都断开时,电机处于滑行状态,将惯性转动较长时间。

在实际电路中,我们可以使用驱动芯片来对 H 桥 4 个 MOS 管进行精确的控制。

MOS 与驱动芯片的选型#

MOS 的选型#

在电机驱动中,我们选用增强型 NMOS 管(选用增强型是因为在低电平时可以实现完全关断,且当电平高于开启电压 UGS(TH)U_{GS(TH)} 时,可以完全导通;选用 NMOS 是因为 PMOS 型号选择少、价格高、导通电阻大,进而导致高发热和低效率)。但是由于 NMOS 不可以直接用于 H 桥高端控制(原因请见【编辑中】),所以需采用高端浮压自举(下文详细讲解)。

NMOS 选型需注意的参数:

  • VDSSV_{DSS}
  • RDS(on)R_{DS(on)}

驱动芯片的选型#

一般我们使用门极驱动芯片为高压 / 低压侧功率 NMOS 管提供驱动栅极的电源(根据数据手册,必须使其高于 MOS 管的 UGS(TH)U_{GS(TH)},漏极 D 和源极 S 之间才能导通)。举个例子,下图是 DRV8701 门极驱动的参数:

配合 IRFH8330 使用,可以带得动这个 MOS 管:

死区时间插入和交叉传导(直通)保护#

死区可以简单理解为一个延时,使正转时导通的上桥完全关断时再打开反转时需要打开的下桥。死区过小会导致危险,死区过大会导致电机响应不好,电源的利用效率低等问题。

使用集成方案:纳入自动握手,以便利用最佳的死区时间,而不受回转率、电压、MOS 特性和温度的影响。握手是一个多步骤的过程,确保利用最佳的死区时间,并且不发生交叉传导。

  1. 接收信号,以从高端 MOS 到低压侧 MOS
  2. 禁用高端 MOS,并监测 VGSV_{GS} 以确定什么时候禁用它
  3. 插入死区时间,启用低压侧 MOS

高端 MOS 自举电源的设计#

我们都知道,NMOS 管开启时需要大于阈值电压 Vth,但是当 MOS 做高端驱动时,G 极电压一定要高于 Vcc 电压(D 极)+Vth,所以需要一种电路将 G 极电路举高,这个电路就是自举电路。

一般驱动高端 MOS 管,可以使用独立电源直接对 H 桥的高端进行供电,以保证增强型 NMOS 的导通与截止,但为了不使电源变得复杂,一般采用自举式电源的栅极驱动技术。

参考与致谢#

文章作者:Power Lin
原文地址:https://wiki-power.com
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