電機驅動(dòng)原理與電路分析-電機驅動(dòng)電路設計與發(fā)展現狀-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2019-08-29
電機驅動(dòng)Motor drive是組裝在膠片式照相機內的微型電機或彈簧及其附件的總稱(chēng)，借助微型電機自動(dòng)地卷取膠片，大多是指35毫米單鏡頭反光相機所用的。
拍一片格和連拍可以交替，連拍時(shí)一般一秒鐘拍3—5片格。視照相機的種類(lèi)，將背部蓋子換為長(cháng)膠卷用片盒，即可拍250片格。除供利用軟線(xiàn)的遙控攝影外，亦可借連接到定時(shí)器上的間隔控拍器自動(dòng)地拍攝，或靠控制快門(mén)等，應用面較廣。倘不需連拍時(shí)，使用自動(dòng)卷片器亦可。
電機驅動(dòng)的發(fā)展現狀如下：
(1)交流異步電機驅動(dòng)系統我國已建立了具有自主知識產(chǎn)權異步電機驅動(dòng)系統的開(kāi)發(fā)平臺，形成了小批量生產(chǎn)的開(kāi)發(fā)、制造、試驗及服務(wù)體系;產(chǎn)品性能基本滿(mǎn)足整車(chē)需求，大功率異步電機系統已廣泛應用于各類(lèi)電動(dòng)客車(chē);通過(guò)示范運行和小規模市場(chǎng)化應用，產(chǎn)品可靠性得到了初步驗證。
(2)開(kāi)關(guān)磁阻電機驅動(dòng)系統已形成優(yōu)化設計和自主研發(fā)能力，通過(guò)合理設計電機結構、改進(jìn)控制技術(shù)，產(chǎn)品性能基本滿(mǎn)足整車(chē)需求;部分公司已具備年產(chǎn)2000套的生產(chǎn)能力，能滿(mǎn)足小批量配套需求，目前部分產(chǎn)品已配套整車(chē)示范運行，效果良好。
(3)無(wú)刷直流電機驅動(dòng)系統國內企業(yè)通過(guò)合理設計及改進(jìn)控制技術(shù)，有效提高了無(wú)刷直流電機產(chǎn)品性能，基本滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)需求;已初步具有機電一體化設計能力。
(4)永磁同步電機驅動(dòng)系統已形成了一定的研發(fā)和生產(chǎn)能力，開(kāi)發(fā)了不同系列產(chǎn)品，可應用于各類(lèi)電動(dòng)汽車(chē);產(chǎn)品部分技術(shù)指標接近國際先進(jìn)水平，但總體水平與國外仍有一定差距;基本具備永磁同步電機集成化設計能力;多數公司仍處于小規模試制生產(chǎn)，少數公司已投資建立車(chē)用驅動(dòng)電機系統專(zhuān)用生產(chǎn)線(xiàn)。
電機驅動(dòng)電路原理如下圖：
上圖中Header 4X2為4排2列插針，FM0~3為FPGA芯片I/O輸出口，加入的插針給予一個(gè)可動(dòng)的機制，在需要使用時(shí)才用跳線(xiàn)帽進(jìn)行相連，提高I/O口的使用效率。RES5是五端口排阻，內部集成了4個(gè)等阻值且一端公共連接的電阻，PIN 1是公共端，PIN2~5為排阻的輸出端，排阻原理圖，如下圖所示：
該排阻公共端接電源，即上拉電阻形式，作用是增強FPGA芯片I/O口（以下簡(jiǎn)稱(chēng)I/O口）的驅動(dòng)能力，實(shí)際上就是增加I/O輸出高電平時(shí)輸出電流的大小。當I/O輸出高電平時(shí)，+5V電源經(jīng)排阻與IN1~4相連，相當于為I/O提供一個(gè)額外的電流輸出源，從而提高驅動(dòng)能力。當I/O輸出低電平時(shí)，可將I/O近似看做接地，而IN1~4因與I/O由導線(xiàn)直接相連，因此直接接受了I/O的低電平輸出信號。此時(shí)，+5V電源經(jīng)排阻R、I/O內部電路（電阻近似為零）后接地，因此該路的電流不能大于I/O的拉電流（Ii）最大值，如下公式：
由公式2-2可以得出排阻的取值范圍。
該上拉電阻除了提高驅動(dòng)能力外，還有一個(gè)作用，就是進(jìn)行電平轉換。經(jīng)查，ULN2003的接口邏輯為：5V-TTL, 5V-CMOS邏輯。而在3.3V供電的情況下，I/O口可以提供3.3V-LVTTL，3.3V-LVCMOS，3.3V-PCI和SSTL-3接口邏輯電平。因此，需要外接5V的上拉電阻將I/O電平規格變成5V電平邏輯。
芯片ULN2003內部集成7組達林頓管，專(zhuān)門(mén)用于提高驅動(dòng)電流，芯片引腳間邏輯如下圖所示：
于I/O電流遠遠不足以驅動(dòng)電機，因此需要外接該芯片驅動(dòng)電機，ULN2003內部集成的達林頓管電路如下圖所示。達林頓管的形式具有將弱點(diǎn)信號轉化成強電信號的特點(diǎn)，I/O電平邏輯從PIN IN輸入，通過(guò)達林頓管控制PIN 9(COMMON)端輸入的強電信號按照I/O信號規律變化。值得注意的是：ULN2003輸出邏輯將與輸入邏輯相反，編程時(shí)應該注意該特點(diǎn)。
RES6是六端口排阻，內部集成了5個(gè)等阻值且一端公共連接的電阻，PIN 1是公共端，PIN2~6為排阻的輸出端，原理圖與接法說(shuō)明可參考上述圖2-2，排阻取值范圍計算參見(jiàn)公式2-2，此處不再贅述。值得注意的是：RES6的PIN 1與PIN 2相連，是因為多出了一個(gè)不使用的電阻，為了避免PIN 2懸空，因此將PIN 2與PIN 1（公共端）相連，即PIN 2對應的電阻被短路，從而既避免的懸空的引腳，又能使該電阻失效。
電機指示燈電路如下圖所示：
電機部分指示燈用于指示各路信號的邏輯電平狀態(tài)，其中R106~109為限流電阻，防止發(fā)光二極管因電流過(guò)大燒毀。值得注意的是：該指示燈的發(fā)光二極管接成共陽(yáng)極，由M0~3信號端口產(chǎn)生低電平點(diǎn)亮對應的二極管，而ULN2003的OUT與IN邏輯電平相反，因此對于I/O口FM0~3來(lái)說(shuō)，輸出高電平就能點(diǎn)亮對應的發(fā)光二極管，例如：FM0輸出高電平，則對應LD17點(diǎn)亮，編程時(shí)應注意此電路將I/O實(shí)際邏輯反相了兩次，對應關(guān)系為I/O口輸出哪路高電平則對應點(diǎn)亮哪路指示燈。
時(shí)鐘電路如下圖所示：
采用50Mhz有源晶振產(chǎn)生時(shí)鐘信號，接法采用有源晶振的典型接法：PIN 1懸空，PIN 2接地，PIN 3輸出時(shí)鐘信號，PIN 4接電源。由于FPGA的I/O供電為3.3V，而時(shí)鐘電路產(chǎn)生的時(shí)鐘信號要由I/O口接收，因此時(shí)鐘信號最大值不能超過(guò)3.3V，故時(shí)鐘電路電源采用3.3V供電。
FPGA部分電路原理圖如下圖所示：
Header 18X2為18排2列排陣，兩組排陣分別與PIN口、3.3V電源、數字地相連，提供了可動(dòng)的機制，使得PIN口可根據需要用排線(xiàn)與目標相連，打到信號傳輸的目的。而3.3V電源以及數字地針口則可以根據需要，用排線(xiàn)為目標提供邏輯高電平或邏輯低電平。
U21D為FPGA芯片的時(shí)鐘信號接收部分，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )標號“CLK0~3”與對應的時(shí)鐘信號端口相連。
U21C為FPGA芯片的供電及接地部分，含有“GND”字樣的是“地”端口，與數字地相連，VCCIO1~4為I/O口供電端口，采用3.3V電源供電，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )標號“+3.3V”與3.3V電源端口相連。VCCA_PLL1、VCCA_PLL2、VCCINT為內部運算器和輸入緩沖區的供電端口，采用1.5V電源供電，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )標號“+1.5V”與1.5V電源端口相連。
常見(jiàn)的電機驅動(dòng)有兩種方式：1、采用集成電機驅動(dòng)芯片。 2、采用MOSFET和專(zhuān)用柵極驅動(dòng)芯片。下面一一詳細解析。
1、采用集成電機驅動(dòng)芯片
通過(guò)電機驅動(dòng)模塊控制驅動(dòng)電機兩端電壓來(lái)對電機進(jìn)行制動(dòng)，我們可以采用飛思卡爾半導體公司的集成橋式驅動(dòng)芯片 MC33886。MC33886 最大驅動(dòng)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(guò)溫保護等功能。體積小巧，使用簡(jiǎn)單，但由于是貼片的封裝，散熱面積比較小，長(cháng)時(shí)間大電流工作時(shí)，溫升較高，如果長(cháng)時(shí)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(zhù)重介紹我們在平時(shí)設計驅動(dòng)電路時(shí)最常用的驅動(dòng)電路。我們普遍使用的是英飛凌公司的半橋驅動(dòng)芯片 BTS7960 搭成全橋驅動(dòng)。其驅動(dòng)電流約 43A，而其升級產(chǎn)品 BTS7970 驅動(dòng)電流能夠達到 70 幾安培！而且也有其可替代產(chǎn)品 BTN7970，它的驅動(dòng)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(gè) MOS 管，當 IN 輸入高電平時(shí)上邊的 MOS 管導通，常稱(chēng)為高邊 MOS 管，當 IN 輸入低電平時(shí)，下邊的 MOS 管導通，常稱(chēng)為低邊 MOS管；當 INH 為高電平時(shí)使能整個(gè)芯片，芯片工作；當 INH 為低電平時(shí)，芯片不工作。
其典型運用電路圖如下圖所示：
INH一般使用時(shí),我們直接接高電平，使整個(gè)電路始終處于工作狀態(tài)。
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(shí)電機將反轉！使用此方法需要兩路PWM信號來(lái)控制一個(gè)電機！其實(shí)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(shí)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(shí)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(pán)，其驅動(dòng)電流已經(jīng)能夠滿(mǎn)足，但是對于更大功率的底盤(pán)，可能有點(diǎn)吃力。尤其是當我們加的底盤(pán)在不停的加減速時(shí)，這就需要電機不停的正反轉，此時(shí)的電流很大，還用以上的驅動(dòng)電路，芯片會(huì )很燙??！這個(gè)時(shí)候就需要我們自己用 MOSFET 和柵極驅動(dòng)芯片自己設計H橋！
2、采用MOSFET和專(zhuān)用柵極驅動(dòng)芯片
大功率 MOS 管組成電機驅動(dòng)電路，用這個(gè)方法電路非常簡(jiǎn)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(lián)時(shí)由于芯片分散性導致的驅動(dòng)芯片某些片發(fā)熱某些不發(fā)熱的現象。但是缺點(diǎn)是不能控制電機的電流方向，在小車(chē)的剎車(chē)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(xiàn)時(shí)，也就是兩路PWM輸入組成H橋，則可以通過(guò)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。
這里給大家介紹的是 IR 公司的 IR2104，因為 IR 公司號稱(chēng)功率半導體領(lǐng)袖，當然 2104 也相對比較便宜！IR2104 可以驅動(dòng)可以驅動(dòng)高端和低端兩個(gè) N 溝道MOSFET，能提供較大的柵極驅動(dòng)電流使用兩片 IR2104 型半橋驅動(dòng)芯片可以組成完整的直流電機 H 橋式驅動(dòng)電路。但是需要 12V 驅動(dòng)！
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