一種低壓大電流H橋直流電機驅動器的設計

紀玉亮++王旭東++龍江++周凱

摘 要：針對輸入電壓較低且工作電流較大的直流電機驅動控制場合，設計了一種低壓大電流H橋直流電機驅動器.驅動器采用VNH3ASP30的H橋電機驅動芯片，依據調壓調速理論，通過TL494產生一路占空比可調的PWM脈沖來控制電機的運行速度，并運用TL494內部集成的運放構成電流截止負反饋來限制驅動器的輸出電流，考慮到運行狀況的需要，設計了雙邊延單穩態觸發器啟動延時可調電路.實驗表明，該驅動器具有工作電壓低，輸出電流大（最大可達30A），調速方便，電機啟動延時（0-lOs）可調等特點，并且省去了軟件設計，降低了控制難度，減少了成本，

關鍵詞：直流電機；VNH3ASP30；H橋驅動；占空比；啟動延時

DOI：1O.15938/j.jhust.2015.02.009

中圖分類號：TM33

文獻標志碼：A

文章編號：1007-2683（2015）02-0048-05

0 引 言

隨著電機拖動行業中小型機械系統的發展，直流電機控制系統的運用越來越廣一泛，H橋直流電機驅動電路由于其可以方便地實現直流電機的四象限運行，因此在直流電機控制中受到廣泛的應用但針對電源電壓較低輸出電流較大的直流電機控制場合一直存在以下問題使大電流直流電機驅動控制系統效果不夠理想，由于分立器件組成的H橋電路各元件的特性不同，導致驅動特性具有一定離散性，此外，由于功率管的導通電阻較大，因此功耗很大導致需要大功率的散熱片，就使驅動器體積變大.為此，許多公司生產了集成的電機驅動芯片，如美國國家半導體公司（NS）推出的H橋電機驅動芯片LMD18200，其工作電壓高達55V，峰值輸出電流高達6A.雖然該芯片也具有驅動簡單，控制效果好，但由于其輸出電流較小，因此不能用于中型直流電機驅動系統中.

針對上述問題，本文選用了專用直流電機驅動集成芯片VNH3ASP30，該芯片就是一款輸入電壓低于40V，輸出電流有效值可達30A左右的電機驅動芯片，該芯片內部集成了欠壓、過壓、過熱、短路保護接地損耗等保護電路.可以實時對電機驅動器運行狀態進行監測，確保直流電機驅動器處于安全運行狀態，該芯片內部集成輸出電流互感器，在接地電阻為規定值時，可以發出與輸出電流成一定比例的感應電流，因此利用其電流互感功能設計了電流截止負反饋電路，對電機啟動停止可能導致的輸出電流過大進行了限流保護，本文利用TI494產生一路占空比可調的PWM脈沖與該H橋電機驅動芯片VNH3ASP30相互配合來驅動直流電機，并實現電機平穩的調速，為了滿足電機拖動行業一些中小型機械系統的應用，對芯片VNH3ASP30方向引腳進行配置，設計開關延時電路，通過配置5V的邏輯電平就可使其平穩的工作在四象限.

1 基于PWM的H橋直流電機驅動器的設計

對于直流電機而言，其速度控制方法有三種，電樞串阻調速、電樞調壓調速、弱磁調速，電樞串阻調速只能實脫有級調速，導致速度變化不夠平滑；弱磁速雖然調速效果較好，但其工作在恒功率區，調速范圍有限；只有調壓調速既能實現無級調速，又能在負載變化時‘使速度有較好的穩定性，電損耗小，因此在直流調速系統中均以電樞調壓調速為主，本設計采用占空比可調的PWM脈沖來實現直流電機的速度調節，其原理是改變其平均電壓的大小來實現變壓調速.

1.1 H橋驅動芯片VNH3ASP30性能及驅動電路

本設計選用的是H橋直流電機驅動集成芯片VNH3ASP30，該芯片在低壓大電流H橋直流電機驅動控制中得到了廣泛應用，其具有以下性能特點：①電源電壓40V，最大電流30A；②內部集成MOS管導通電阻42mΩ③具有過壓、欠壓保護電路，即輸入電壓在5.5V，40V范圍外自動關斷VNH3ASP30輸出；④該芯片還具有過流、過熱、短路自動保護功能；⑤芯片內部集成電流互感器，接地電阻為700Ω時，感應電流比例為1：4700⑥可執行PWM波頻率高達20kHz，驅動電路設計如圖1.

由圖1可知，該芯片內部有兩路輸出和地線，可以同時驅動兩組直流電機，本設計為了加大驅動能力將其并聯.圖中INA和INB為方向控制引腳，向其輸入5V邏輯電平，通過芯片內部的邏輯選擇模塊來驅動上下橋臂的開通和關斷，兩個引腳同時輸入高電平或同時輸入低電平則電機處于電磁制動狀態，當兩個引腳電平不同時可實現正反轉運行，其運行速度由圖中PWM引腳輸入的占空比可調的PWM脈沖決定，采用TL494芯片生成同定頻率占空比可調的PWM脈沖來控制電機運行速度，該芯片ENA和ENB引腳具有橋臂使能功能（高電平有效），中這兩個引腳用來控制電機啟動和停止，同時ENA和ENB兩個引腳對芯片VNH3ASP30內部H橋電路有檢測功能，當檢測到故障（過壓、過流、短路等）時，故障引線就會被閉鎖，只有輸入信弓.從低電平升到高電平時，H橋才能正常工作.CS引腳是芯片內部輸出電流互感器的電流輸出引腳，該引腳在接入電阻為700Ω時，互感電流與輸出電流的比例為1：4700，對于電機控制電流反饋提供了很大方便.

TI494是固定頻率的脈沖寬度可調的PWM脈沖發生芯片，其內部結構圖如圖2，TL494內部由一個振蕩器、兩個比較器、兩個誤差放大器、一個D觸發器、一個或門、雙與門、雙或非門、一個+5v基準電壓、兩個NPN輸出晶體管組成，圖2中TI494芯片5、6引腳為RC震蕩輸入端，震蕩頻率由5、6腳輸入的電容和電阻決定，其頻率電容C=O.1μF，電阻R=1kΩ，產生頻率約為lOk的鋸齒波，該鋸齒波同時加給死區時問控制比較器和PWM比較器，在誤差放大器輸出無效時（低電平），引腳4輸入的電壓與鋸齒波相比較，其比較輸出送人PWM比較器，經過四路信號相或后，一方面給D觸發器提供時鐘信號，另一方面提供給輸出控制或非門，該芯片13腳的作用是控制輸出模式的，該引腳為高電平時，觸發器電路起作用，左側輸出脈沖經D觸發器分頻后分別送入兩個與門來控制兩個NPN三極管工作在推挽工作方式，此時兩路輸出相位差為π，此時PWM脈沖為振蕩器頻率的一半，其輸出最大占空比為50%，若13引腳為低電平時，觸發器不起作用，兩路輸出相同，其頻率與振蕩頻率一樣，最大占空比為100%.

本設計就是用TJ494產生占空比可調的PWM脈沖來控制電機的運行速度，其PWM脈沖發生電路如圖3.如圖可知13引腳接地，由此可知通過P1按入滑動變阻器，控制4腳電壓在O-3.3V變化產生l-0的占空比可調的PWM波形，從而達到調速的目的.

為了讓調速時避免驅動信號受到干擾，將TI494產生的PWM信號與VNH3SP30的輸入控制信號隔離開來，本文選用高速光耦6N173，并將其輸出接入CD4070異或門電路，CD4070的供電電源由TL494的內置SV基準電壓14引腳提供，將CD4070輸出接人VNH3SP30的PWM引腳，該光耦隔離電路不僅反應速度快、具有較短的延時，還能起到很好的隔離作用使該直流電機H橋驅動器運行狀態更加穩定.

1.2 H橋直流電機驅動器截流反饋電路的設計

在直流電機啟動或堵轉時，由于慣性，轉速不可能瞬間建立起來，反電勢電壓幾乎為零，若沒有限流措施就會導致電機電流會瞬間變大，這樣會產生很大的噪聲，同時會對電機換向不利，也可能是電子器件損壞，為了防止電機在運行中出現類似問題，本文設計了電流截止負反饋電路，該電路只在電機電流超過一定值時開始調節電流，本截流反饋電路運用圖3中TI494內置誤差放大器1進行搭建，其原理圖如圖4.

圖4中CS與VNH3ASP30的CS引腳相連，通過二極管D1濾去反向電流，R20為700Ω的采樣電阻，在采樣電阻為700Ω時，輸出電流與感應電流比為4700，由于本設計的限值為25A，所以當電流為25A時CS端電壓

二極管導通壓降0.7V，所以穩壓管穩壓取值為3V，本截流反饋輸出電壓其中，PI調節器的比例放大系數Kp=R6/R5，積分時問常數τ=RsCs；U1、U2分別為運放的輸入電壓.當電流超過25A時，穩壓管擊穿，電阻R2，兩端電壓大于零，輸出電壓公式PI調節器的輸出與TLA94內部三角波進行比較后產生占空比變小的PWM脈沖信號來降低電流.為了防止截流反饋輸出累積量過大，還設置了鉗位電路以保證其正常工作.

1.3 H橋直流電機驅動器開關延時電路的設計

由于只針對不需要精確速度、位置的電機拖動行業的中小型機械（如車床走刀），以成本低、簡單實用為主，其開關延時電路為控制電機正反轉切換時產生可調的延時時間，既有利于電機緩沖后再運行，還可以運用在需要一定延時的加工機械上，其開關延時電路圖如圖5.開關延時電路中P3接人限位開關或者單刀雙擲開關來控制電機的正反轉，四異或門集成芯片CD4070中一異或門與電容C2、滑動變阻器DWl組成雙邊沿單穩態觸發器.

圖5中滑動變阻器的阻值與電容C2的值決定允放電時問.充放電時間計算公式為

本設計中CD4070電源電壓Vcc=5V，其閾值電壓VTH≈2.5V，所以可知充放電時間幾乎相等，圖5中INA和INR腳與VNH3SP30中的方向引腳INA、INB相連接，當開關P3的2腳與1腳接觸后，CD4070的5腳變為低電平，6腳高電平，CD4070的4腳Y2輸出為高電平，由于CD4070的l腳瞬問變為低電平，而2腳與電容連接，電平不能瞬問變低，所以此時1腳Y.輸出為高電平，Y1、Y2均與CD4070的l、2腳相連且為高電平，則Y腳輸出為低電平，Y腳與VNH3SP30的ENAFNB；相連，所以雖然INAINB低電平單電機不轉，當電容C2放電完畢，1、2腳電平均為低電平，Y，輸出低電平，此時Y1與Y2經異或門輸出Y為高電平，電機正轉，反轉切換過程也是如此，其延時時間長短可由滑動變阻器DWI阻值來調節.此開關延時電路使該驅動器控制更加簡便、適用.

2 實驗波形

通過TL494產生PWM脈沖輸入到VNH3SP30，兩次閉合開關使電機正反轉，測到開關延時波形如圖6，在輸入PWM脈沖占空比分別為50%和75%時對該低壓大電流H橋直流驅動器的輸出電壓以及電樞電流進行了檢測，如圖7、8.由圖7、8對比可以看出占空比越大電流脈動越小，即轉矩脈動越小，

3 結 語

本文提出了一款新型的低壓大電流H橋直流電機驅動器的設計方法，該驅動器輸入電源電壓低，輸出電流較大，工作頻率高，設計了截流反饋電路，并通過外圍接入限位開關與開關延時電路來讓電機平穩的在四象限運行，本設計的低壓大電流直流電機驅動器適合應用于工作電壓較低，但電流輸出較大的中小型機電機拖動系統中.