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。 

常用电磁式电压的工作原理

微信搜一搜电工电气学习常用的电磁式电压的工作原理与普通变压器相同，结构原理和与系统的连接也相似，但二次电压低

高压开关设备的断路器交接

高压开关设备运行情况 高压开关设备主要有四个电压等级500kV、220kV、35kV以及10kV，发电厂中还有6kV的电压等级。其中500kV、220kV断路器基本上都是SF6断路器（包括GIS）；110kV断路器大部分为SF6断路器（包括GIS）、少部分为少油断路器；35kV断路器大部分为SF6断路器（包括GIS）、少部分为少油断路器；10kV、6kV断路器主要为真空断路器 。 绝缘电阻测量 本项作业所需仪器 试验准备：测试前需要确认辅助回路和控制回路确已切开电源。 试验要求 1）一次部分：根据相关规程要求，采用相应档位测量断路器的分闸断口、合闸整体及绝缘拉杆的绝缘电阻，测量时正确连接导线，注意操作顺序以防烧坏绝缘电阻测试仪。测量出来的绝缘电阻应和出厂值作比较，应无明显变化。 无厂参考值时，绝缘电阻可以参照下表： 测量方法：测量断口间绝缘电阻方法是开关处于检修状态，在分闸位置，开关地刀打开，绝缘摇表的L端接被测断口一端，E端接另一端，档位选择2500V进行测量。 测量绝缘拉杆的绝缘电阻方法是开关处于检修状态，在分闸位置，开关地刀打开，绝缘摇表的L端接开关断口的动触头侧，E端接地，档位选择2500V进行测量。 2）对于断路器的二次回路试验，采用1000V或者500V的兆欧表测量二次回路对地绝缘电阻的绝缘电阻。将兆欧表的L端接入被测绝缘的考核端，将E端子接地，测量出来的绝缘电阻应不小于2兆欧。测量时断开二次回路的接地线，短接所有二次回路，无法短接的可以采用单独测量，或点接触测量。 3）对断路器的分合闸线圈，应测量其单独的绝缘电阻，断开二次接线，采用1000V或者500V的兆欧表测量，将兆欧表的L端接入线圈，将E端子接地，测量出来的绝缘电阻应不小于10兆欧。 每相导电回路的电阻测量 本项试验所需仪器仪表 试验要求 1）试验原理接线图如下： 由于导电回路接触电阻很小，都是微欧数量级，所以电压表内阻远远大于此值，故导电回路阻值 2）试验现场接线图如下： 该项试验将电流升至100A，测量断路器在合闸状态下的两端电压，利用压降原理可以计算出导电回路电阻R=U/I ，具体的试验方法由试验仪器所决定，一般来说，按照仪器的接线方法接好线，就可以进行测量 机械特性试验 断路器的机械特性试验主要包括了时间特性试验和速度特性试验，主要根据厂家和客户的具体需要进行相关项目试验。目前进行这类试验的仪器较为多，其原理基本一致，主要通过电流参量测量断路器的时间、同期、弹跳等各项参数，通过行程齿轮的行程输入量可以测量其速度特性，具体的试验方法根据设备的结构特性来决定。 试验要求 1）试验原理图 2）试验要求： 除制造厂另有规定外，断路器的分、合闸同期性应满足下列要求： 相间合闸不同期不大于5ms 相间分闸不同期不大于3ms 同相各断口间合闸不同期不大于3ms 同相各断口间分闸不同期不大于2ms ３）断路器的速度特性试验测量原理与速度特性基本一致，一般来说通过行程齿轮的传动将断路器的动作行程传送到测量仪器，通过Ｖ＝Ｓ／ｔ计算公式很容易得到时间特性。 交流耐压试验 本项试验所需仪器 交流耐压试验是断路器交接试验中最重要的一项绝缘试验，该项试验应该在其他绝缘试验完成并确认合格后方可进行。 35kV及以下断路器耐压试验 由于该电压等级断路器试验电压较低，容量较小因此可使用变压器直接升压进行试验 110kV及以上断路器耐压试验 由于该电压等级断路器试验电压较高，且容量较大，如用变压器直接升压试验的话试验变压器容量不足且搬运较困难。因此改用可以组合使用的串连谐振耐压成套装置进行试验。要求试验电压必须是工频。 串连谐振知识点：调谐，谐振产生的条件：串连回路中的感抗与容抗之和为0是理想谐振状态（即ωL＝1/ωC）。 例：在一个将50Hz电源、电阻R、电容器C及电抗器Z串联(chuànlián)而成的回路中，已知电源电压为50V，电阻为3Ω，电容器的电容量为1000pF，问，当电抗器的电感为多少时，该回路构成谐振回路，电容两端电势为多少。 要构成谐振(xiézhèn)回路，则需让ωL＝1/（ωC），即 断路器的对地绝缘水平应符合GB311．1《高压输变电设备的绝缘配合》的规定(10kV和35kV产品的1min工频干试电压应分别为42kV和95kV)。对相间绝缘水平也应提出相应要求。对断口间的耐压水平应考虑反相最高电压的作用。 综上所述，断路器的工频耐压应包括对地、相间和断口间各个部位，并应分别在合、分闸状态下进行。具体试验时，加压部位及接线方式应按后表依次进行。如果高压开关设备的绝缘主要是由固体有机材料制成，则需进行5min工频耐压试验。 断路器工频交流耐压试验标准为 1 在SF6气压为额定值时进行。试验电压按照出厂试验电压的80%； 2 110kV以下电压等级应进行合闸对地和断口间耐压试验； 3 罐式断路器应进行合闸对地和断口间耐压试验； 4 500kV定开距瓷柱式断路器只进行断口耐压试验。 试验电压的幅值及频率应该与和断路器相连的电气设备的要求相一致，必要时断开连接进行试验 试验项目及规范要求 1.SF6断路器和GIS的试验项目 2.油断路器的试验项目 3.空气断路器、真空断路器和隔离开关  

镍氢动力电池和锂离子动力电池的概述

电源监控应用中的典型信号链

传统上，同步采样逐次逼近寄存器(SAR) ADC被视为是对主要由能源客户提出的提供保护继电器应用的需求的响应。在输配电网络中，保护继电器监测电网，以尽快对任何故障情况（过压或过流）作出反应，避免造成严重损坏。 为了监测传输的电源，需要同步测量电流和电压。电流是通过变压器(CT)来测量的，在通过变压器后，电流减小，提供隔离，并通过负载电阻转换为电压。电压是通过电阻网络来测量的，这是一个分压器，它将电压从kV范围降至V范围。ADI公司提供同步采样ADC来监测电压和电流，以简化双器件、四器件或八器件的功率计算。图1所示的信号链原理图通常用于测量单相，多相电力系统的功率需要使用通道数量更高的数据采集系统(DAS)，即8个通道对应3个相位和1个中性相位。 图1. 电源监控应用中的典型信号链。为简洁起见，仅显示一个相位。 

拆解了一台PC电源，研究一下电源控制 IC 内部

该芯片用于开关电源和其他电源管理应用，因其高效、可靠和易于使用的特性，迅速成为业界标准。

一种LDO方案处理较高的输入电压

本期我们介绍一种使用LDO简单电源电路解决方案。

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。  

拆解：特斯拉电动汽车的电机驱动控制系统

特斯拉电动汽车三大件（电池、电机、控制）在网上的拆解资料已不少了，电池、电机拆解技术文章与视频相对较多的在此不再详述，还是重点介绍一下电机驱动控制系统。 一、 特斯拉 Model X 与蔚来 ES8 整框架比较 1、Tesla Model X 四驱方案 2、国产四驱方案 二、特斯拉 Model X 电驱动系统 上一代的 Tesla 采用的是后驱大圆桶式的控制器，各大网上阐述的资料较多， 相对体积也较大和复杂，如下图所示： 现在重点讲的是新的一代电驱系统总成，前后驱基本一致只的悬挂上有区 别，新一代电驱系统，它集成了电机、减速器、电控于一体，体积非常紧凑，电 机部分如西瓜般大小，电机功率可达 300KW。电控制部分如下图： 下面就一层层来分解，大体分为三层：第一层为主控制部分，简称控制主板，MCU 采用TI公司的 TMS320F2611P8KO 芯片，为了达到高速运行时快速强大 的运算和处理能力，还使用了一颗 ACTE 的 LA3P125VQG100 芯片配合使用， 确保系统的稳定可靠性，更详细的主板硬件下次单独拆解并出原理图。主板正反面图如下： 第二层为驱动电路部分，简称驱动板。驱动板上电路包括电源转换及驱动电 路，电源部分采用 TDK 变压器，输入电压为 DC/DC 电压 12V；输出三路+15V 和-8V 电压，供三相驱动 IBGT 芯片使用。驱动电路部分，驱动 IGBT 模块采用 INFIEON 的 1ED020I12F/A2 芯片， 驱动电流可达+2A/-2A，一共使用 6 颗芯片。采用推挽输出。 第三层为 IGBT 模块，它采用的是 INFIEON 的单 IGBT，AUIRGPS4067D1， 单个电流可达 160A，一共采用 36 颗芯片，采用水冷装置，左右 6 个孔为水冷 的进出口设计。 再下面部分就是薄膜电容部分，其实也可以算在第三层，因为它的倒扣着与 IGBT 板焊接在一起的，薄膜电容为 TDK 的 220U/650V 的订制电容。 总的来说，特斯拉控制器方案，从设计到装配都非常的紧凑，无论是硬件技 术还是生产工艺，都不乏体现了一个 Elon Musk 战略担当与工匠精神。