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  • 電機驅動電路設計的兩種方式

     

    ?導語:針對不同的電機,我們應該選擇與之相對應的驅動。

     

     

           簡單地來說,功率大的電機應該選用內阻小、電流容許大的驅動,功率小的電機就可以選用較低功率的驅動。
     

           電機驅動較常規的方法是采用 PWM 控制。
     

           常見的電機驅動有兩種方式:
     

           1.采用集成電機驅動芯片;

           2.采用MOSFET和專用柵極驅動芯片。

           方案一:采用集成電機驅動芯片
     

           通過電機驅動模塊控制驅動電機兩端電壓來對電機進行制動,我們可以采用飛思卡爾半導體公司的集成橋式驅動芯片 MC33886。MC33886 最大驅動電流為 5A,導通電阻為 140 毫歐姆,PWM 頻率小于 10KHz,具有短路保護、欠壓保護、過溫保護等功能。體積小巧,使用簡單,但由于是貼片的封裝,散熱面積比較小,長時間大電流工作時,溫升較高,如果長時間工作必須外加散熱器,而且 MC33886的工作內阻比較大,又有高溫保護回路,使用不方便。
     


           下面,著重介紹我們在平時設計驅動電路時最常用的驅動電路。我們普遍使用的是英飛凌公司的半橋驅動芯片 BTS7960 搭成全橋驅動。其驅動電流約 43A,而其升級產品 BTS7970 驅動電流能夠達到 70 幾安培!而且也有其可替代產品 BTN7970,它的驅動電流最大也能達七十幾安!
     

           其內部結構基本相同如下:
     


           每片芯片的內部有兩個 MOS 管,當 IN 輸入高電平時上邊的 MOS 管導通,常稱為高邊 MOS 管,當 IN 輸入低電平時,下邊的 MOS 管導通,常稱為低邊 MOS管;當 INH 為高電平時使能整個芯片,芯片工作;當 INH 為低電平時,芯片不工作。
     

           其典型運用電路圖如下圖所示:
     


           INH一般使用時,我們直接接高電平,使整個電路始終處于工作狀態。
     

           下面就是怎么樣用該電路使得電機正反轉?假如當PWM1端輸入PWM波,PWM2端置0,電機正轉;那么當 PWM1端為0,PWM2端輸入PWM 波時電機將反轉!使用此方法需要兩路PWM信號來控制一個電機!其實可以只用一路 PWM 接 PWM1 端,另外 PWM2 端可以接在 IO 端口上,用于控制方向!假如 PWM2=0,PWM1 輸入信號時電機正轉;那么當 PWM2=1是,PWM1 輸入信號電機反轉(必須注意:此時PWM信號輸入的是其對應的負占空比)!
     

           以上的電路,對于普通功率的底盤,其驅動電流已經能夠滿足,但是對于更大功率的底盤,可能有點吃力。尤其是當我們加的底盤在不停的加減速時,這就需要電機不停的正反轉,此時的電流很大,還用以上的驅動電路,芯片會很燙!!這個時候就需要我們自己用 MOSFET 和柵極驅動芯片自己設計 H 橋!
     

           方案二:大功率 MOS 管組成電機驅動電路
     

           由于本人對這一部分的研究還不過深入,以下內容主要參考了“337實驗室團隊”對大功率MOS管組成的電機驅動電路的分析與設計。
     

           用這個方法電路非常簡單,控制只需要一路PWM,在管子上消耗的電能也比較少,可以有效地避免多片MC33886 并聯時由于芯片分散性導致的驅動芯片某些片發熱某些不發熱的現象。但是缺點是不能控制電機的電流方向,在小車的剎車的性能的提升上明顯有弱勢,而且電流允許值也比較小。
     

           當我們按照下圖接線時,也就是兩路PWM輸入組成H橋,則可以通過控制PWM1和PWM2的相對大小控制電流的方向,從而控制電機的轉向。
     


           在這里給大家介紹的是 IR 公司的 IR2104,因為 IR 公司號稱功率半導體領袖,當然 2104 也相對比較便宜!IR2104 可以驅動可以驅動高端和低端兩個 N 溝道MOSFET,能提供較大的柵極驅動電流使用兩片 IR2104 型半橋驅動芯片可以組成完整的直流電機 H 橋式驅動電路。但是需要 12V 驅動!
     

           關鍵參數的選擇:
     


           這個驅動設計單從信號邏輯上分析比較容易理解,但要深入的理解和更好的應用,就需要對電路做較深入的分析,對一些外圍元件的參數確定做理論分析計算。
     

           圖中IC是一個高壓驅動芯片,驅動 1 個半橋 MOSFET。Vb,Vs 為高壓端供電;Ho為高壓端驅動輸出;COM為低壓端驅動供電,Lo為低壓端驅動輸出;Vss 為數字電路供電.此半橋電路的上下橋臂是交替導通的,每當下橋臂開通,上橋臂關斷時Vs腳的電位為下橋臂功率管Q2的飽和導通壓降,基本上接近地電位,此時Vcc通過自舉二極管D對自舉電容C2充電使其接近 Vcc 電壓。當Q2關斷時 Vs端的電壓就會升高,由于電容兩端的電壓不能突變,因此Vb端的電平接近于Vs和Vcc端電壓之和,而Vb和Vs之間的電壓還是接近Vcc電壓。當Q2開通時,C2作為一個浮動的電壓源驅動 Q2;而C2在Q2開通其間損失的電荷在下一個周期又會得到補充,這種自舉供電方式就是利用Vs端的電平在高低電平之間不停地擺動來實現的.由于自舉電路無需浮動電源,因此是最便宜的,如圖所示自舉電路給一只電容器充電,電容器上的電壓基于高端輸出晶體管源極電壓上下浮動。圖中的D和C2是IR2104在PWM應用時應嚴格挑選和設計的元器件,根據一定的規則進行計算分析;并在電路實驗時進行調整,使電路工作處于最佳狀態,其中D 是一個重要的自舉器件,應能阻斷直流干線上的高壓,其承受的電流是柵極電荷與開關頻率之積,為了減少電荷損失,應選擇反向漏電流小的快恢復二極管,芯片內高壓部分的供電都來自圖中自舉電容C2上的電荷;為保證高壓部分電路有足夠的能量供給,應適當選取C2的大小。

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