一種電流反饋型H橋有刷電機(jī)控制器

胡以瀚 劉一鍇 劉 坤 張純亞

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司電子第24研究所，重慶400060；2.上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海200000）

0 引言

隨著小型化、高集成度的處理器技術(shù)在各行業(yè)中更為廣泛的應(yīng)用,電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制、傳動(dòng)等領(lǐng)域迎來(lái)了高速發(fā)展，形成了一門(mén)涉及多學(xué)科的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。本文介紹的一種電流反饋型H橋電機(jī)控制器可實(shí)現(xiàn)精確的位置、速度以及加速度控制，能夠與信號(hào)處理單元、電機(jī)等構(gòu)成一個(gè)趨于完整的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，可應(yīng)用于高精度、高性能的控制系統(tǒng)中。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 電路原理概述

脈沖寬度調(diào)制（又名PWM調(diào)制）主要指一種通過(guò)對(duì)某一特定的脈沖信號(hào)的脈沖寬度進(jìn)行控制，經(jīng)由控制后的脈沖波形，替代其前級(jí)輸入的控制信號(hào)/波形，其輸出脈沖信號(hào)的形狀、幅值均可根據(jù)實(shí)際情況需要自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整或者控制的一種技術(shù)[1]。采用脈寬調(diào)制技術(shù)來(lái)控制后級(jí)H橋電機(jī),效率高、調(diào)速范圍廣,能夠很方便地檢測(cè)到流經(jīng)電機(jī)時(shí)的電流量大小及運(yùn)行方向。

閉環(huán)反饋控制,即控制量與被控對(duì)象之間,正向的控制作用與修正系統(tǒng)誤差的信號(hào)并存的一種控制方式。例如，若一個(gè)反饋的信號(hào)和輸入信號(hào)的極性方向相反或其變化的方向相對(duì)（反向）稱為負(fù)反饋。但若一個(gè)反饋的信號(hào)和輸出的信號(hào)相同或其他變化的方向一致（同向）則稱為正反饋[2]。

H橋主要由4個(gè)N-MOS管與其驅(qū)動(dòng)的電機(jī)構(gòu)成。如圖1所示，圖中V1~V4分別代指4個(gè)MOS管，M代指直流電機(jī)，當(dāng)H橋上V1、V4導(dǎo)通時(shí)，電流從功率輸入電源的正極經(jīng)過(guò)V1、M、V4流至功率輸入電源的負(fù)極，此時(shí)功率輸出端電機(jī)就會(huì)沿圖示順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。如圖2所示，當(dāng)H橋上的V2、V3導(dǎo)通時(shí)，電流從功率輸入電源的正極經(jīng)過(guò)V2、M、V3流回到功率輸入電源的負(fù)極，此時(shí)功率輸出端電機(jī)沿圖示逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)的轉(zhuǎn)向主要是通過(guò)對(duì)H橋上相應(yīng)MOS管的導(dǎo)通/關(guān)斷進(jìn)行控制，電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于流經(jīng)電機(jī)的電流大小。

圖1 運(yùn)行方向一

圖2 運(yùn)行方向二

1.2 總體設(shè)計(jì)

本文介紹的H橋有刷電機(jī)控制器，輸入信號(hào)和電流反饋單元輸出的反饋信號(hào)進(jìn)入PWM調(diào)制單元生成控制信號(hào)；控制信號(hào)進(jìn)入H橋驅(qū)動(dòng)單元，與使能信號(hào)一起控制后級(jí)H功率橋上的MOS管開(kāi)啟/關(guān)斷；分別驅(qū)動(dòng)H功率橋上的四個(gè)MOS管輸出一定功率驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。整體方案框圖如圖3所示。

圖3 整體方案框圖

2 單元電路實(shí)現(xiàn)

2.1 PWM發(fā)生單元

本單元由反饋電壓和內(nèi)部生成的頻率約25 kHz的三角波共同作用，生成具有一定占空比（0~100%）的互補(bǔ)式雙路PWM控制信號(hào)，該信號(hào)會(huì)作為后級(jí)的驅(qū)動(dòng)控制單元的控制信號(hào)輸出。PWM信號(hào)發(fā)生原理如圖4所示。

圖4 PWM控制信號(hào)生成原理

2.2 驅(qū)動(dòng)控制單元

本單元由前級(jí)輸入信號(hào)輸出相應(yīng)的兩組共4路控制信號(hào)用以驅(qū)動(dòng)后級(jí)H橋上MOS管的開(kāi)通/關(guān)斷，以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速、換向的控制。

控制單元的輸出信號(hào)相比輸入信號(hào)會(huì)存在延時(shí)，在該單元的輸出不同程度的延時(shí)信號(hào)控制后級(jí)H橋上的MOS管開(kāi)通/關(guān)斷的情況下，可能會(huì)出現(xiàn)同半橋的高低邊兩個(gè)MOS管同時(shí)導(dǎo)通的情況，該情況出現(xiàn)會(huì)致使該半橋上兩個(gè)MOS管因過(guò)流燒毀。為避免上述異常導(dǎo)通狀態(tài)出現(xiàn)，在本單元的線路設(shè)計(jì)方面，在輸出端通過(guò)設(shè)置在一個(gè)合理的死區(qū)時(shí)間來(lái)有效避免異常導(dǎo)通狀況的出現(xiàn)。同時(shí)，為避免因控制電壓過(guò)低等原因?qū)е驴刂剖В_保對(duì)H橋上MOS管的開(kāi)啟/關(guān)斷的有效控制，基于充電泵原理，增加一個(gè)自舉電路的設(shè)計(jì)，以保證控制單元對(duì)于后級(jí)的有效控制。如圖5所示，通過(guò)電容、二極管搭建了一個(gè)自舉電路。

圖5 驅(qū)動(dòng)控制單元原理

2.3 電流反饋單元

電流反饋單元在本文所述的控制器電路中起到電流采樣、反饋控制的作用。

該單元主要通過(guò)采樣電阻對(duì)特定位置的電流進(jìn)行采樣，在采樣電阻的兩端輸出一個(gè)反饋電壓到后級(jí)，該反饋電壓經(jīng)過(guò)放大處理后再與PWM發(fā)生單元共同產(chǎn)生兩個(gè)互補(bǔ)的PWM控制信號(hào)到后級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)前文所述的控制功能，如圖6所示。該單元在不同輸入條件下的相應(yīng)控制方式如下：

圖6 電流反饋單元原理

當(dāng)控制電壓|Vcom|≥Io×R×5×3.33、Io代指電機(jī)流經(jīng)指定輸出位置的電流；R為具備大額定功率的電阻；Vcom為通過(guò)功率電阻的輸出電壓）時(shí)，PWM輸入控制信號(hào)的占空比達(dá)到100%時(shí)，電機(jī)進(jìn)入最高轉(zhuǎn)速模式，流經(jīng)電機(jī)的電流值的大小僅由電機(jī)等效負(fù)載值的大小決定；

當(dāng)|Vcom|＜Io×R×5×3.33時(shí)，PWM控制信號(hào)占空比因受H橋單元輸出端反饋至驅(qū)動(dòng)控制單元輸入端的負(fù)反饋信號(hào)影響，此時(shí)|Vcom|的值增大或減小，輸出至后級(jí)的電流也會(huì)相應(yīng)增大或減小，此時(shí)電機(jī)亦會(huì)同步加速或減速；

當(dāng)Vcom=0時(shí)，PWM控制信號(hào)占空比變?yōu)?0%，輸出電流為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所述的一種H橋有刷電機(jī)控制器整體工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用厚膜/薄膜基板混合集成制備技術(shù)，如圖7所示，版圖設(shè)計(jì)方面在兼顧過(guò)大電流需求、基板可焊性、產(chǎn)品后續(xù)返工需求等因素，對(duì)版圖設(shè)計(jì)制定了分板式的設(shè)計(jì)方案，其中針對(duì)放置大功率器件、有較高過(guò)流需求的基板，選用了目前應(yīng)用較為成熟的一種具備較高熱傳導(dǎo)系數(shù)、良好可焊性的一種AlN陶瓷材質(zhì)基板，并通過(guò)將該種ALN基板背面與本型號(hào)控制器訂制的10#鋼材料的金屬外殼焊接在一起,大大提高了本型號(hào)控制器的熱傳導(dǎo)/散熱能力。

圖7 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器通過(guò)電流反饋控制的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)H橋有刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，具備平滑的雙向調(diào)速功能以及更即時(shí)快速的反饋控制方式，可以廣泛應(yīng)用于調(diào)速驅(qū)動(dòng)控制領(lǐng)域。相比較分立器件的搭建方式，本電路采用高集成度的控制芯片和周邊輔助線路組合的設(shè)計(jì)方式，大大減小了整只電路的體積，減輕了電路的重量，同時(shí)也提高了整體電路系統(tǒng)的可靠性。