直流電機(jī)電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

王振亞

摘 要 本設(shè)計(jì)選用飛思卡爾的32位微控制器MK60DN512（簡(jiǎn)稱K60）為核心控制模塊，用IR2104和NMOS搭建H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，使用LTC6102直接監(jiān)視和測(cè)量電機(jī)電流。該電路可以準(zhǔn)確測(cè)量電路電流并將電流轉(zhuǎn)換成電壓，可實(shí)現(xiàn)電壓的放大，調(diào)節(jié)和測(cè)量。經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，適合小功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的電流檢測(cè)。

【關(guān)鍵詞】MK60DN512 H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 LTC6102 電流檢測(cè)

隨著對(duì)直流電機(jī)控制精度的提高，直流電機(jī)的電流檢測(cè)成為雙閉環(huán)控制和檢測(cè)電機(jī)工作狀態(tài)的重要因素。目前，比較流行的電流檢測(cè)方法有功率管檢測(cè)、并聯(lián)電流鏡檢測(cè)和串聯(lián)電阻檢測(cè)這三種。功率管檢測(cè)受溫度影響較大，并聯(lián)電流鏡檢測(cè)電路復(fù)雜，響應(yīng)時(shí)間較慢，串聯(lián)電阻檢測(cè)的精度高，電路簡(jiǎn)單。本設(shè)計(jì)采用超精準(zhǔn)的LTC6102電流檢測(cè)放大器可把誤差降低到毫安級(jí)，同時(shí)降低了檢測(cè)電阻，減少了功耗。

1 設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)采用飛思卡爾的微控制器產(chǎn)生20Khz的PWM的脈沖來(lái)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)，調(diào)節(jié)PWM脈沖的占空比可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。回路中串聯(lián)一個(gè)采樣電阻，回路中電流和采樣電阻兩端的電壓成正比，用LTC6102把采樣電阻兩端的電壓比較放大，再使用K60的模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）模塊把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。直流電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速或負(fù)載的情況下電流不同，直流電機(jī)采樣電流可與轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制，提高電機(jī)的控制精度，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)扭矩和功率等信息。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 控制單元

本電路采用飛思卡爾k60系列的32位單片機(jī)MK60DN512作為核心控制器，K60外設(shè)豐富，主頻可達(dá)100Mhz，使用k60的FTM模塊產(chǎn)生20KHZ的PWM脈沖，為提高精度使用K60的16位的ADC模塊采集采樣電阻放大的電壓。采集的電壓再經(jīng)過(guò)計(jì)算得到電流。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路使用N溝道MOSFET和專用柵極驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)，N溝道MOSFET選用IR公司TO-252 封裝的IRLR7843，IRLR7843具有極低的導(dǎo)通電阻RDS=3.3mΩ，耐壓值可達(dá)30V，電流可達(dá)161A， 使用四個(gè)IRLR7843可構(gòu)成H橋驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。專用柵極驅(qū)動(dòng)芯片選用IR公司的IR2104，IR2104柵極驅(qū)動(dòng)電路可以提高M(jìn)OSFET的開(kāi)關(guān)速度，并且具有防同臂導(dǎo)通、硬件死區(qū)、欠電壓保護(hù)等功能，可以提高電路工作的可靠性。

Vat為電池電壓，可選范圍6V～24V，自舉電容C2、C3的最小值根據(jù)場(chǎng)效應(yīng)管、柵極驅(qū)動(dòng)芯片、選用的自舉電容等參數(shù)計(jì)算得到，為減小自舉電壓損失，自舉電容的等效串聯(lián)電阻應(yīng)盡量小并且不小于0.47?F。為了減少電荷損失，自舉二極管D1、D2應(yīng)選用反向漏電流小的快恢復(fù)二極管。

當(dāng)PWM1為高電平且PWM2為低電平時(shí)，Q1、Q4導(dǎo)通，Q2、Q3截止，電機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)PWM1為低電平且PWM2為高電平時(shí)，Q2、Q3導(dǎo)通，Q1、Q4截止，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

2.3 電流監(jiān)測(cè)電路

-INS為反相檢測(cè)輸入，-INF為反相反饋接線，+IN為同相檢測(cè)輸入，V+為電源正極輸入，V-為電源負(fù)極輸入，VRGE為內(nèi)部穩(wěn)壓電源引腳，需與V+連接0.1μF的電容，OUT為開(kāi)漏電流輸出引腳，通過(guò)一個(gè)外部可把電流轉(zhuǎn)換成與采樣電阻電壓成一定比例的電壓，再用K60的ADC采集，從而計(jì)算出通過(guò)采樣電阻的電流。

3 結(jié)語(yǔ)

本文所述的直流電機(jī)電流采樣電路使用LTC6102電流檢測(cè)放大器和K60的ADC模塊實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的電流檢測(cè)，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采樣精度高，使用方便，解決了電機(jī)H橋驅(qū)動(dòng)電路的電流檢測(cè)，適合低壓直流電機(jī)電流采樣。

參考文獻(xiàn)

[1]Freescale.K60P144M100SF2V2[R]datasheet，2012.

[2]Infineon.HV Floating MOS-Gate Driver ICs[R]Application Note，2007.

[3]Linear.LTC6102 Precision Zero Drift Current Sense Amplifier[R]datasheet，2007.

作者單位

上海電機(jī)學(xué)院 上海市 201306