电机驱动的比较

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1、直流电机调速系统驱动的设计与比较摘 要：针对大学生智能车竞赛中直流电机的驱动设计了 6 种方案 , 经过实验比较分析了各种方案的优缺点 ,最后确立了一套驱动能力 强、体积小、性能稳定的驱动方法，可广泛应用于40 V 以下的大功 率直流电机驱动的场合。关键词：直流电机;调速系统;MC33886; VNH3SP30; BTS7960B; DT340I;IRF3205目前大电流直流电机多采用达林顿管或MOS管搭制H桥PWM脉宽 调制，因此体积较大；另一方面，由于分立器件的特性不同，使得驱 动器的特性具有一定的离散性；此外，由于功率管的开关电阻比较大， 因此功耗也很大，需要功率的散热片，这无疑进一步加

2、大了驱动器的 体积。随着技术的迅猛发展，基于大功率MOS管的H桥驱动芯片逐渐 显现出其不可替代的优势。但目前能提供较大电流输出的集成芯片不 是很多。例如飞思卡尔半导体公司推出的全桥驱动芯片 MC33886 和 33887、意法半导体公司推出的全桥驱动芯片VNH3SP30、英飞凌公司 推出的高电流PN半桥驱动芯片BTS7960ST微电子公司推出的TD340 驱动器芯片是一种用于直流电机的控制器件 ,可用于驱动 N 沟道 MOSFET 管。本文在第三、四届大学生智能车大赛中分别尝试了上面提到的5 块电机驱动芯片设计的驱动电路，通过现场调试发现它们的优缺点， 确定了驱动能力强、性能稳定的驱动方案，并

3、得到了很好的应用。1 直流电机驱动原理目前直流电机的驱动方式主要有2 种形式:线性驱动方式和开关 驱动方式。其中线性驱动方式可以看成一个数控电压源。该驱动方式 的优点是驱动电机的力矩纹波很小，可应用于对电机转速要求非常高 的场合;缺点是该方式通常比较复杂，成本较高，尤其是要提高驱动 的功率时，相应的电路成本将提升很多1。本文针对 H 桥驱动电路 在智能车竞赛中的应用加以分析。目前的H桥驱动主要有3种方式。图1(a)中H桥的4个桥臂都 使用N沟道增强型MOS管；图1(b)中H桥的4个桥臂都使用P沟道增 强型MOS管；图1(c)中上H桥臂分别使用P沟道增强型MOS管和N沟 道增强MOS管。由于P沟

4、道MOS管的品种少、价格较高，导通电阻和 开关速度等都不如N沟道MOS管，因此最理想的情况应该是在H桥的 4个桥臂都使用N沟道MOS管。但是在如图1(a)中可以看到，为了使 电机正转，Q1和Q4应该导通，因此S4电压应该高于Q4的源极电压， S1 电压应该高于 Q1 的源极电压，由于此时 Q1 的源极电压近似等于 Vcc,因此就要求S1必须大于(Vcc+Vgs)。在很多电路中除非作一个升 压电路否则是比较困难得到的，因此图1(a)这种连接方式比较少见。 同理，图1(b)中为了使电机正转，S4电压就必须低于0V- VGS，在使 用时也不方便。因此最常用的是图1(c)的电路，该电路结合了上述2 种

5、电路各自的优点，使用方便。本文针对3 种形式电路进行设计，并 进行实验比较分析。ffl I H挤弘创屯昭的J神辭式2 驱动芯片的选择与比较在设计 H 桥驱动电路时，关键要解决 4 个问题:（1） MOS 管均高 速驱动；（2）防止共态导通；（3）消除反向电动势；（4）PWM信号频率选择 与光藕隔离。以下是4种方案设计比较：2.1 方案1: 采用 1片33886 驱动MC33886为H桥式电源开关IC,该IC结合内部控制的逻辑、电 荷泵、栅极驱动器、以及RDS（ON）=120 mQ MOSFET输出电路，可工 作在5 V40 V电压范围内。能够控制连续感性直流负载电流高达 5.0 A,可以接受高

6、达10 kHz的2路PWM信号来控制电机的转向和速 度。具有短路保护、欠电压保护、过温保护等特点。其原理如图2所 示。MC338 曲V+h0.01|lC(mlruUrr2 3 V-I-FS OU TI般。叱DI POF ELdCTRONEftQUt. |OUT2 焉PijXlJ |)|AGND 152mXK33K：iMi 二 iP C：onr rollerPWVI PWN2 T-T Keg阳3牡用2片M ?38S6汗联那功原理图该接法降低了 MOS管的导通内阻，增大了驱动电流，可以起到增 强驱动能力、减小芯片发热的作用，但是起始频率受限，电机噪声大 且发热严重。2.3 方案 3: 釆用2 片

7、VNH3SP30(1)运动控制H桥组件VNH3SP30性能2VNH3SP30 是意法半导体公司生产的专用于电机驱动的大电流功 率集成芯片，其原理框图如图4 所示，芯片核心是一个双单片上桥臂 驱动器(HSD)和2个下桥臂开关,HSD开关的设计采用ST的ViPowe技 术，允许在一个芯片内集成一个功率场效应MOS管和智能信号/保护 电路。下桥臂开关是采用ST专有的EHD(STripFET)工艺制造的纵向 场效应 MOS 管。 3 个模块叠装在一个表面组装 MultiPowerSO- 30 引 脚框架电绝缘封装内，具体性能指标如下：最大电流30 A、电源 电压高达40 V;功率MOS管导通电阻0.0

8、34 Q;5 V兼容的逻 辑电平控制信号输入;内含欠压、过压保护电路;芯片过热报警输 出和自动关断。4 CcnlroilerVN1RSP3OVg iINaDIAClfi/ENtiIVM iOUIA OUTterGN Da GNDhVNH3SP3OI DAG/I.Na IXAtii 圧 KhA()UI OUTaGNDli GN DaPWM PWM2 PWM3-5V图4 ：r： | 2 | 财汛駆创原理图(2)驱动器电路设计与运行原理 PWM信号调节方式PWM(脉宽调制)信号是VNH3SP30最重要的控制信号，其最大工作 频率为 10 kHz.PWM 信号通过控制 H 桥上的功率管的导通时间，从而

9、 实现对输出负载平均电流的调节。PWM信号的一个低电平状态将会关 闭 2 个下桥臂开关，而当 PWM 输入端由低电平变为高电平时，下桥臂 LSA和LSB导通与否取决于输入信号INA和INB,只有输入信号从低 电平变为高电平时，下桥臂LSA和LSB才能重新导通。 方向控制信号和桥臂使能信号INA 和 INB 为 电机转向控制信号， 控制电机的转向和刹 车;ENA/DIAGA和ENB/DIAGB为桥臂使能信号，当这2个信号都为低 电平时， H 桥将不能导通。当驱动芯片过热、过压、欠压及过流时， ENA/DIAGA 和 ENB/DIAGB 为故障诊断反馈信号，这2 个信号返回一个 低电平，同时 H

10、桥输出被封锁。该方法较 MC33886 的一个显著优点就是芯片不会发热，且保护功 能强大，但是存在开关频率限10 kHz，电机噪声大且电机容易发热， 但芯片较贵，很多场合性价比不高。2.4 方案 4: 采用2 片 BTS7960如图5所示，采用2个半桥智能功率驱动芯片BTS7960B组合成 一个全桥驱动器，驱动直流电机转动。BTS7960B是应用于电机驱动 的大电流半桥集成芯片，它带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N 沟道的低边MOSFET和一个驱动IC。P沟道高边开关省去了电荷泵的 需求，因而减少了电磁干扰(EMI)。集成的驱动IC具有逻辑电平输入、 电流诊断、斜率调节、死区时间产生和超

11、温、过压、欠压、过流及短 路保护功能。BTS7960B的通态电阻典型值为16 mQ,驱动电流可达 43 A，调节SR引脚外接电阻的大小可以调节MOS管导通和关断时间， 具有防电磁干扰功能。IS引脚是电流检测输出引脚。INH引脚为使能 引脚，IN引脚用于确定哪个MOSFET导通。当IN=1且INH=1时，高 边MOSFET导通，输出高电平；当IN=0且INH=1时，低边MOSFET导 通，输出低电平。通过对下桥臂开关管进行频率为 25 kHz 的脉宽调 制(PWM)信号控制BTS7960B的开关动作，实现对电机的正反向PWM驱 动、反接制动、能耗制动等控制状态。OFhlnaaexGNDRDM疋;

12、v I IWMI 卩WM?Tr) RsS3.3 kQ杠i| iOlli L_| Ippuq(MHI .GNL：1NII 心153.3 mJl CortrcILer| p.3lc2图盘来用丄片R1F960骊动原理图这块芯片开头频率可以达到25 kHz，可以很好地解决前面提到 的 MC33886 和 VNH3SP30 使电机噪声大和发热的问题，同时驱动能力 有了明显的提高，响应速度快。但是，电机变速时会使电源电压下降 10%左右，控制器等其他电路容易产生掉电危险，从而使整个电路系 统瘫痪。2.5 方案 5：采用 TD340 和 IRF3205以TD340驱动器芯片为核心的直流电机PWM调速控制系统

13、可以很 好地驱动由低导通电阻IRF3205组成的H桥，大大简化硬件电路。该 系统不仅可以模拟控制，而且具有计算机接口，同时具有良好的保护 功能。图6所示为可逆的 PWM 变换器主电路的 H 型结构形式。图中， 4 个M0SFET管的基极驱动电压分为2组，其中Q2L和Q1H为一组，当 Q2L接收PWM信号导通时，Q1H常开，而Q2H和Q1L截止。这时，电 机两端得到电压而旋转，而且占空比越大，转速越高。由于直流电机 是1个感性负载，当M0S关断时，电机中的电流不能立即降到零，所 以必须给这个电流提供一条释放通路，否则将产生高压破坏器件。处 理这种情况的通常方法是在MOSFET竹旁边并联1个二极管

14、，使电流 流过二极管，最后通过欧姆耗散的方式在二极管中消失。对于大电流， 耗散是重要的排放方法。这里必须使用高速二极管。电机反转时原理 相同。磁IE11Tk Q.H I?!ink sll TVBATTB 6 蔽耦片TD340耿动和IMF贮05搭H侨电睛膜冋l，lI曲】|1 Cmfrkr |0pF I*5VSped WMII JirevCKHi -HfcMZbiCl lid该方案基本上集合了前面 4 种方法的所有优点，初始频率高达 25 kHz，且有微控制器的标准5 V电压输出，釆用的开关管IRF3205 的导通内阻仅有8 mQ,不需要高速光隔对MCU的PWM隔离电路，从 面使整个电路简单化。3

15、 实验结果与分析经过对电路的选择和调试实验，本文重点论述的 5种电路对比结 果如表 1 、表 2 所示。芯片Ki2表牡动芯片的芬数比鞍内址尺电;朮H频率几皿电山范帝八2,n!-.I* w54O53-18 JW湘、BTS7960-0.3-40-0.345II伽i和IHF32O5表2驱动芯片的性能叱较、警芯芯片岌热程度产工的降电机唏声H1O&MC33S86彳盖P火*大2 片 MC338S-般ECHN 盛 E较大VN3SP3I：-较好狡小较大 较大l：IS796fl较好-较小* -较小较小TD3)i和 IRF3205好小小小综上分析，每一种驱动方法都有优缺点，但是从综合因素考虑选择 TD34 和 IRF305 组成 H 桥对电机进行控制是最好的方法。参考文献1 曾国强，葛良全.机器人比赛中直流电机驱动电路的设计J.微计算机信息， 2008,24(5-2):236-238.2 侯清锋, 罗海波, 王洪福. 基于 VNH3SP30 的大电流直流电机驱动器的设计J.微计算机信息，2007，23 (10-1):92-94.3 伊永峰，杨勇，张立勋.TD340芯片在直流调速系统中的应用J.国外电子元器件，2004(9):48-50.