-
H桥电机驱动实现对大电流电机的驱动控制
一.简介 之前介绍过H桥电机驱动电路的基本原理，但是以集成的电机驱动芯片为示例。这些集成的芯片使用起来比较简单，但是只能适用于一些小电流电机，对于大电流的电机(比如：RS380和RS540电机），则不能使用这些集成的芯片（否则会导致芯片严重发热并烧毁）。此时便需要自行用半桥/全桥驱动芯片和MOS管搭建合适的H桥电机驱动电路实现对大电流电机的驱动控制。 二.示例原理图和PCB展示 此原理图和PCB采用的是网上分享的电路设计（IR2104半桥驱动+LR7843MOS管），为了便于焊接，对其中的一些封装进行了修改，并重新布线。 该电机驱动板有两个H桥电路，可以同时控制双路电机。可通过相应的控制信号来控制电机的转速和正反转。 1.原理图 2.PCB 3D图 三.辅助电路部分讲解 本驱动模块默认采用7.4V的锂电池组接入右侧的P1端子进行供电。 1.BOOST升压电路 ★BOOST升压电路采用的是MC34063这款芯片。此模块主要是将7.4V的输入电压升到12V后为后面的IR2104S半桥驱动芯片供电（需要12V的原因将在下面介绍）。此芯片的工作原理在此不多做介绍，可自行下载数据手册进行学习（后期会对此专门写一篇博客介绍）。注意事项： (1).此BOOST电路模块是此驱动板中较为容易出问题的部分，因此焊接时需要先对其进行焊接调试，确认没有问题后再进行后续的焊接。 (2).此电路需要尤其注意0.22Ω的精密电流检测电阻，如果电阻质量不合格很容易出现问题，导致电路不能正常工作。 2.降压稳压电路 ★降压稳压电路采用的是MIC5219这款LDO芯片。此电路模块将7.4V的输入电压降压稳压到3.3V给后面的74LVC245芯片供电。类似芯片较多，使用也较为简单。 3.隔离电路部分 在设计电机驱动板时，很多都会有一个用于隔离的电路模块。主要用于将控制器与H桥驱动电路隔离开，防止损坏控制器。 此电机驱动板采用了74lvc245这款三态输出的收发器芯片作为隔离芯片。也可以使用74HC125（三态四线非反相缓冲器）或74HC244（三态八线非反相缓冲器）。具体使用说明可参考相应的数据手册。 四.搭建的H桥驱动电路详解 1.简介在学习此部分之前，需要先掌握基础H桥驱动的工作原理， 自行搭建的H桥驱动电路一般都包括两个部分：半桥/全桥驱动芯片和MOS管。自行搭建的H桥驱动所能通过的电流几乎由MOS管的导通漏极电流所决定。因此，选择适当的MOS管，即可设计出驱动大电流电机的H桥驱动电路。 2.NMOS管IRLR7843 在选择MOS管搭建H桥时，主要需注意以下一些参数： ★1.漏极电流（Id）：该电流即限制了所能接入电机的最大电流（一般要选择大于电机堵转时的电流，否则可能在电机堵转时烧毁MOS管），LR7843的最大漏极电流为160A左右，完全可以满足绝大部分电机的需要。★2.栅源阈值电压/开启电压（Vth）：该电压即MOS管打开所需的最小电压，也将决定后续半桥驱动芯片的选择和设计（即芯片栅极控制脚的输出电压）。LR7843的最大栅源阈值电压为2.3V。★3.漏源导通电阻（Rds）：该电阻是MOS管导通时，漏极和源极之间的损耗内阻，将会决定电机转动时，MOS管上的发热量，因此一般越小越好。LR7843的漏源导通电阻为3.3mΩ。★4.最大漏源电压（Vds）：该电压是MOS管漏源之间所能承受的最大电压，必须大于加在H桥上的电机驱动电压。LR7843的最大漏源电压为30V。满足7.4V的设计需要。 3.半桥驱动芯片IR2104S 在H桥驱动电路中，一共需要4个MOS管。而这四个MOS管的导通与截止则需要专门的芯片来进行控制，即要介绍的半桥/全桥驱动芯片。 ★所谓半桥驱动芯片，便是一块驱动芯片只能用于控制H桥一侧的2个MOS管（1个高端MOS和1个低端MOS，在前述推荐的博客中有介绍）。因此采用半桥驱动芯片时，需要两块该芯片才能控制一个完整的H桥。 ★相应的，全桥驱动芯片便是可以直接控制4个MOS管的导通与截止，一块该芯片便能完成一个完整H桥的控制。这里使用的IR2104便是一款半桥驱动芯片，因此在原理图中可以看到每个H桥需要使用两块此芯片。 1.典型电路设计（来源于数据手册） 2.引脚功能（来源于数据手册） ★VCC为芯片的电源输入，手册中给出的工作电压为10~20V。（这便是需要boost升压到12V的原因） ★IN和SD作为输入控制，可共同控制电机的转动状态（转向、转速和是否转动）。 ★VB和VS主要用于形成自举电路。（后续将详细讲解） ★HO和LO接到MOS管栅极，分别用于控制高端和低端MOS的导通与截止。 ★COM脚直接接地即可。 3.自举电路 此部分是理解该芯片的难点，需要进行重点讲解。从上面的典型电路图和最初的设计原理图中均可发现：该芯片在Vcc和VB脚之间接了一个二极管，在VB和VS之间接了一个电容。这便构成了一个自举电路。 作用：在高端和低端MOS管中提到过，由于负载（电机）相对于高端和低端的位置不同，而MOS的开启条件为Vgs>Vth，这便会导致想要高端MOS导通，则其栅极对地所需的电压较大。 补充说明：因为低端MOS源极接地，想要导通只需要令其栅极电压大于开启电压Vth。而高端MOS源极接到负载，如果高端MOS导通，那么其源极电压将上升到H桥驱动电压，此时如果栅极对地电压不变，那么Vgs可能小于Vth，又关断。因此想要使高端MOS导通，必须想办法使其Vgs始终大于或一段时间内大于Vth（即栅极电压保持大于电源电压+Vth）。首先看下IR2104S的内部原理框图（来源于数据手册）。此类芯片的内部原理基本类似，右侧两个栅极控制脚（HO和LO）均是通过一对PMOS和NMOS进行互补控制。 自举电路工作流程图： 以下电路图均只画出半桥，另外一半工作原理相同因此省略。 假定Vcc=12V，VM=7.4V，MOS管的开启电压Vth=6V（不用LR7843的2.3V，原因后续说明）。（1）.第一阶段：首先给IN和SD对应的控制信号，使HO和LO通过左侧的内部控制电路（使上下两对互补的PMOS和NMOS对应导通），分别输出低电平和高电平。此时，外部H桥的高端MOS截止，低端MOS导通，电机电流顺着②线流通。同时VCC通过自举二极管（①线）对自举电容充电，使电容两端的压差为Vcc=12V。 （2）.第二阶段：此阶段由芯片内部自动产生，即死区控制阶段（在H桥中介绍过，不能使上下两个MOS同时导通，否则VM直接通到GND，短路烧毁）。HO和LO输出均为低电平，高低端MOS截止，之前加在低端MOS栅极上的电压通过①线放电。 （3）.第三阶段：通过IN和SD使左侧的内部MOS管如图所示导通。由于电容上的电压不能突变，此时自举电容上的电压（12V）便可以加到高端MOS的栅极和源极上，使得高端MOS也可以在一定时间内保持导通。此时高端MOS的源极对地电压≈VM=7.4V，栅极对地电压≈VM+Vcc=19.4V，电容两端电压=12V，因此高端MOS可以正常导通。 （此时，自举二极管两端的压差=VM，因此在选择二极管时，需要保证二极管的反向耐压值大于VM。） 注意：因为此时电容在持续放电，压差会逐渐减小。最后，电容正极对地电压（即高端MOS栅极对地电压）会降到Vcc，那么高端MOS的栅源电压便≈Vcc-VM=12V-7.6V=4.4V < Vth=6V，高端MOS仍然会关断。 补充总结： ★因此想要使高端MOS连续导通，必须令自举电容不断充放电，即循环工作在上述的三个阶段（高低端MOS处于轮流导通的状态，控制信号输入PWM即可），才能保证高端MOS导通。自举二极管主要是用来当电容放电时，防止回流到VCC，损坏电路。 ★但是，在对上面的驱动板进行实际测试时会发现，不需要令其高低端MOS轮流导通也可以正常工作，这是因为即使自举电容放电结束，即高端MOS的栅源电压下降到4.4V仍然大于LR7843的Vth=2.3V。 那么在上述驱动板中，自举电路就没有作用了吗?当然不是，由于MOS管的特性，自举电路在增加栅源电压的同时，还可令MOS管的导通电阻减小，从而减少发热损耗，因此仍然建议采用轮流导通的方式，用自举电容产生的大压差使MOS管导通工作。 4.控制逻辑 时序控制图： 简单看来，就是SD控制输出的开关（高电平有效），IN控制栅极输出脚的高低电平（即H桥MOS管的开关）。 在最上面的驱动板中，SD接到VCC，即处于输出常开状态。只需要对IN脚输入对应控制信号即可进行电机的驱动。上面为半桥的驱动方式，驱动一个H桥要同时对两个IR2104进行控制。 以上面设计的电机驱动板为例，驱动真值表： 改变PWM的占空比，即可改变电机的转速。 五.相关补充 ★1.自举二极管一般选用肖特基二极管（比如上述驱动板中的1N5819）。 在自举电容选择时，其耐压值需大于Vcc并留有一定余量（如上述驱动板中为16V的钽电容）。而自举电容的容值选择需要一定的计算。具体可自行查找,此驱动板中选用1uF的钽电容，经测试运行稳定。一般来说，PWM的输入频率越大（即电容充放电频率），电容所需容值越小。★2.H桥MOS管栅极串联的电阻主要用于限流和抑制振荡。为了加快MOS管的关断还可以在栅源之间并联一个10K电阻或在栅极串联电阻上反向并联一个二极管。这部分内容网上可找到较多介绍。
昨天 40浏览 -
-
-
-
如何避免电感饱和？
我们都知道电感在通过相应的电流时，内部的磁场强度会随着电流的增加而增加，但是如果电感进入了“饱和状态”，那继续增大电流，磁场强度也不会增加，且此时电感的感量会变小，使电感失去了原有的特性，这就是电感饱和状态。如下图所示： （图片来源于网络） 那电感饱和到底带来哪些危害？ （1）带来额外的噪音，特别是在开关电源应用部分，电感饱和时电感会出现啸叫的情况。 （2）电感本体升温，电感饱和时，导致内部的磁阻加大，热损耗直线上升。 图片来源于网络 （3）导致输出不稳定或者失去原有的性能，比如在开关电源应用，电感饱和会直接导致输出电压不稳，纹波增大。 （4）引起EMI问题，影响电路的稳定性和可靠性。 （5）失去滤波的效果，可能会导致信号失真。 在设计的时候该如何去避免电感饱和？ （1）选择饱和电流更高或者说更适合电路要求的电感，尽量避免电路负载的峰值电流超过电感的饱和电流。 （2）根据芯片手册推荐的公式进行计算，得出合适的电感参数，比如TPS5430 （3）优化电路的开关频率，减少电感中的电流和磁通量的波动。 （4）选择高磁导率的磁芯，增加磁芯的磁通密度，提高饱和电流。 （5）如在设计时，无法确定电感是否饱和，可以测量通过电感的波形，电感未饱和时电流波形是斜率一致的三角波形，进入饱和后波形为斜率不一样的尖角波形。 （6）优化PCB布局，不合理的PCB布局也是导致电感进入饱和的因素之一，在PCB布局走线时，因避免电感靠近高热器件，对于发热量高的功率电感，应做好电感的散热措施。
昨天 18浏览 -
-
反相器设计
q反相器是所有数字设计的核心 一旦清楚了反相器的工作原理和性质，设计其它逻辑门和复杂逻辑（加法器、乘法器和微处理器等）就大大简化了。典型的CMOS反相器电路 二级CMOS反相器 CMOS反相器传输延时 减小延时的方法 1）减小CL：精细的版图设计有助于减小扩散电容和互连线电容，优秀的设计实践要求漏扩散区的面积越小越好； 2）增加晶体管的W/L：这是设计者手中最有力和最有效的性能优化工具。带来的影响：增加晶体管的尺寸也增加扩散电容3）提高电源电压 带来的影响： a）能量损耗 b）增加电源电压超过一定程度后改善就会非常有限，因而应当避免 c）从可靠性方面考虑，氧化层击穿和热载流子效应等问题迫使在深亚微米工艺中对电源电压要规定严格的上限 注：文中公式推导详细过程可参阅数字集成电路设计相关内容
昨天 27浏览 -
-
-
新央企成立，董事长是他
据国务院国资委网站消息，12月19日，中国数联物流信息有限公司成立大会在上海举行。上海市委书记陈吉宁，国务院国资委党委书记、主任张玉卓出席会议并共同为公司揭牌。张玉卓，上海市委副书记、市长龚正分别讲话。国务院国资委党委委员、副主任苟坪主持会议。招商局集团党委书记、董事长缪建民，中国数联物流党委书记、董事长张健在成立大会上就组建好、发展好、运营好新公司作了发言。上述信息显示，张健已任中国数联物流党委书记、董事长。公开简历显示，张健出生于1964年10月，南京大学计量经济学专业硕士，高级经济师。调整前，张健任招商局金融控股有限公司副总经理（兼风险管理负责人），同时担任招商局通商融资租赁有限公司董事长，招商银行股份有限公司董事，招商创新投资管理有限责任公司董事，招商局金融科技有限公司董事长等职。据国务院国资委网站介绍，中国数联物流是由国务院国资委直接管理、股权多元化中央企业，引入招商局集团有限公司、中国保利集团有限公司、中国物流集团有限公司、中国民航信息集团有限公司、上海国盛（集团）有限公司、上海数据集团有限公司作为战略投资者，将以数据技术服务物流供应链行业为主责主业，以公路、铁路、水路、航空、口岸等领域数据资源共享和开发利用为核心，整合物流与信息流、资金流，构建国家级物流大数据平台。国务院国资委党委书记、主任张玉卓在公司成立大会上表示，中国数联物流要围绕“国之大者”，切实保障国家物流数据安全和供应链稳定。要服务实体经济，聚焦物流降本、提质增效，深化数据资源开发利用，持续推动全社会物流成本实质性下降。
昨天 12浏览
-
精密半导体参数测试解决方案 直播时间：01月08日 10:00
- 传英伟达成立ASIC部门，双面下注保持不败？
- 超越硅极限的双极半导体器件，关断/接通比超10亿
- 用于电路分析和设计的Spice仿真指南–第14部分：评估用户定义的电气量
- 韩国出口额创纪录，半导体成经济增长引擎
- 中国调整制造电池组件和锂、镓等相关技术出口限制
- LG Display欲在IT OLED生产线上生产iPhone OLED，但需苹果点头
- 清华大学最新就业数据：91.7%清华人留在中国，破除人才外流误传
- 小米造车花费100亿？雷军澄清：不实，总投资已近300亿
- 关注我们
-
扫码关注面包板社区
