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利用H橋驅(qū)動較大功率直流電機(jī)的解決方案

發(fā)布時間:2014-09-05 責(zé)任編輯:stone

【導(dǎo)讀】電路采用NMOS場效應(yīng)管作為功率輸出器件,設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了較大功率的直流電機(jī)H橋驅(qū)動電路,并對額定電壓為24伏,額定電流為3.8A的25D60-24A直流電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制,電路的抗干擾能力強(qiáng),在工業(yè)控制領(lǐng)域具有較強(qiáng)的適用性。

該電路采用NMOS場效應(yīng)管作為功率輸出器件,設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了較大功率的直流電機(jī)H橋驅(qū)動電路,并對額定電壓為24伏,額定電流為3.8A的25D60-24A直流電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制,電路的抗干擾能力強(qiáng),在工業(yè)控制領(lǐng)域具有較強(qiáng)的適用性。許多半導(dǎo)體公司推出了直流電機(jī)專用驅(qū)動芯片,但這些芯片多數(shù)只適合小功率直流電機(jī),對于大功率直流電機(jī)的驅(qū)動,其集成芯片價格昂貴。

在直流電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計中,主要考慮一下幾點(diǎn):

1.功能:

電機(jī)是單向還是雙向轉(zhuǎn)動?需不需要調(diào)速?對于單向的電機(jī)驅(qū)動,只要用一個大功率三極管或場效應(yīng)管或繼電器直接帶動電機(jī)即可,當(dāng)電機(jī)需要雙向轉(zhuǎn)動時,可以使用由4個功率元件組成的H橋電路或者使用一個雙刀雙擲的繼電器。如果不需要調(diào)速,只要使用繼電器即可;但如果需要調(diào)速,可以使用三極管,場效應(yīng)管等開關(guān)元件實(shí)現(xiàn)PWM(脈沖寬度調(diào)制)調(diào)速。

2.性能:

對于PWM調(diào)速的電機(jī)驅(qū)動電路,主要有以下性能指標(biāo):

1)輸出電流和電壓范圍,它決定著電路能驅(qū)動多大功率的電機(jī)。

2)效率,高的效率不僅意味著節(jié)省電源,也會減少驅(qū)動電路的發(fā)熱。要提高電路的效率,可以從保證功率器件的開關(guān)工作狀態(tài)和防止共態(tài)導(dǎo)通(H橋或推挽電路可能出現(xiàn)的一個問題,即兩個功率器件同時導(dǎo)通使電源短路)入手。

3)對控制輸入端的影響。功率電路對其輸入端應(yīng)有良好的信號隔離,防止有高電壓大電流進(jìn)入主控電路,這可以用高的輸入阻抗或光電耦合器實(shí)現(xiàn)隔離。

4)對電源的影響。共態(tài)導(dǎo)通可以引起電源電壓的瞬間下降造成高頻電源污染;大的電流可能導(dǎo)致地線電位浮動。

5)可靠性。電機(jī)驅(qū)動電路應(yīng)該盡可能做到,無論加上何種控制信號,何種無源負(fù)載,電路都是安全的。H橋驅(qū)動電路:H橋式電機(jī)驅(qū)動電路包括4個三極管和一個電機(jī),因其外形酷似字母‘H’,所以稱作H橋驅(qū)動電路。

H橋驅(qū)動電路

圖1:H橋驅(qū)動電路
 
要使電機(jī)M運(yùn)轉(zhuǎn),必須使對角線上的一對三極管導(dǎo)通。例如當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時,電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機(jī),然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時,電流將從右至左流過電機(jī),驅(qū)動電機(jī)逆時針方向轉(zhuǎn)動。

H橋驅(qū)動電路

圖2:H橋驅(qū)動原理示意圖
 
完整的晶體管H橋驅(qū)動電路,PWM1,PWM2,為電機(jī)方向控制輸入端,PWM1=1,PWM2=0時正轉(zhuǎn),PWM=0,PWM2=1時電機(jī)反轉(zhuǎn)。

PWM1,PWM2同時也是電機(jī)調(diào)速的脈寬輸入端。

集體館完整電路

圖3:完整晶體管H橋驅(qū)動電路
 
晶體管是最為廉價的控制方法,但在晶體管上有明顯的壓降,會產(chǎn)生功率的損耗,效率不高,適宜應(yīng)用在低電壓,小功率的場合。

下圖是場效應(yīng)管組成的H橋驅(qū)動電路,場效應(yīng)管是效率最高的控制方式,但價格較高,通常應(yīng)用在大功率電機(jī)驅(qū)動場合。

場效應(yīng)管組成的H橋驅(qū)動電路

圖4:場效應(yīng)管組成的H橋驅(qū)動電路
 
上面都是有分立元件構(gòu)成的電路,實(shí)際使用中制作麻煩,故障率高。通常采用集成的H橋驅(qū)動芯片,集成度高,使用方便,可靠性高。L9110,L298N,LMD18200,TA7257P、SN754410,MC33886等。
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3.實(shí)際驅(qū)動電路:

L9110驅(qū)動電路

L9110是為控制和驅(qū)動電機(jī)設(shè)計的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件,將分立電路集成在單片IC之中,使外圍器件成本降低,整機(jī)可靠性提高。該芯片有兩個TTL/CMOS兼容電平的輸入,可直接與單片機(jī)接口,具有良好的抗干擾性;兩個輸出端能直接驅(qū)動電機(jī)的正反向運(yùn)動,它具有較大的電流驅(qū)動能力,每通道能通過750~800mA的持續(xù)電流,峰值電流能力可達(dá)1.5~2.0A;同時它具有較低的輸出飽和壓降;內(nèi)置的鉗位二極管能釋放感性負(fù)載的反向沖擊電流,使它在驅(qū)動繼電器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或開關(guān)功率管的使用上安全可靠。L9110被廣泛應(yīng)用于玩具汽車電機(jī)驅(qū)動、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動和開關(guān)功率管等電路上。

寬電壓工作范圍2.5V~12v。

場效應(yīng)管組成的H橋驅(qū)動電路
 
圖5:L9110驅(qū)動電路

L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是:工作電壓高,3~46V,輸出電流大,瞬間峰值電流可達(dá)3A,持續(xù)工作電流為2A;額定功率25W.內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器,可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載;采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制,與單片機(jī)管腳直接連接;具有兩個使能控制端,在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作,有一個邏輯電源輸入端,使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作;可以外接檢測電阻,將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動電機(jī),該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī),也可以驅(qū)動兩臺直流電機(jī)。

VS位電機(jī)驅(qū)動電源,VSS為邏輯控制電源。

下圖中PA0~PA3為單片機(jī)的I/O腳,控制兩個DC電機(jī)M1,M2正反轉(zhuǎn)。

4相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路
 
圖6:L298N驅(qū)動電路
4相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

4相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

圖7:4相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路
 
LMD18200驅(qū)動電路

LMD18200是美國國家半導(dǎo)體公司(NS)推出的專用于運(yùn)動控制的H橋組件。同一芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件,峰值輸出電流高達(dá)6A,連續(xù)輸出電流達(dá)3A,工作電壓高達(dá)55V,還具有溫度報警和過熱與短路保護(hù)功能。

內(nèi)部集成了四個DMOS管,組成一個標(biāo)準(zhǔn)的H型驅(qū)動橋。通過充電泵電路為上橋臂的2個開關(guān)管提供柵極控制電壓,充電泵電路由一個300kHz左右的工作頻率??稍谝_1、11外接電容形成第二個充電泵電路,外接電容越大,向開關(guān)管柵極輸入電容充電速度越快,電壓上升的時間越短,工作頻率可以更高。引腳2、10接直流電機(jī),正轉(zhuǎn)時電流的方向應(yīng)該從引腳步到引腳10;反轉(zhuǎn)時電流的方向應(yīng)該從引腳10到引腳2.電流檢測輸出引腳8可以接一個對地電阻,通過電阻來輸出過流情況。

內(nèi)部保護(hù)電路設(shè)置的過電流閾值為10A,當(dāng)超過該值時會自動封鎖輸出,并周期性的自動恢復(fù)輸出。如果過電流持續(xù)時間較長,過熱保護(hù)將關(guān)閉整個輸出。過熱信號還可通過引腳9輸出,當(dāng)結(jié)溫達(dá)到145度時引腳9有輸出信號。PB0,PB1為單片機(jī)的I/O口,PB0控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn),PB1輸入脈寬控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

LMD18200驅(qū)動電路

圖8:LMD18200驅(qū)動電路

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