步進(jìn)電機H橋驅動(dòng)電路設計分析-KIA MOS管

H橋功率驅動(dòng)電路可應用于步進(jìn)電機、交流電機及直流電機等的驅動(dòng)。

永磁步進(jìn)電機或混合式步進(jìn)電機的勵磁繞組都必須用雙極性電源供電，也就是說(shuō)繞組有時(shí)需正向電流，有時(shí)需反向電流，這樣繞組電源需用H橋驅動(dòng)。本文以?xún)上嗷旌鲜讲竭M(jìn)電機驅動(dòng)器為例來(lái)設計H橋驅動(dòng)電路。

電路原理

圖1給出了H橋驅動(dòng)電路與步進(jìn)電機AB相繞組連接的電路框圖。

步進(jìn)電機 H橋驅動(dòng)電路 MOSFET

4個(gè)開(kāi)關(guān)K1和K4，K2和K3分別受控制信號a，b的控制，當控制信號使開(kāi)關(guān)K1，K4合上，K2，K3斷開(kāi)時(shí)，電流在線(xiàn)圈中的流向如圖1(a)，當控制信號使開(kāi)關(guān)K2，K3合上，K1，K4斷開(kāi)時(shí)，電流在線(xiàn)圈中的流向如圖1(b)所示。

4個(gè)二極管VD1，VD2，VD3，VD4為續流二極管，它們所起的作用是：

以圖1(a)為例，當K1，K4開(kāi)關(guān)受控制由閉合轉向斷開(kāi)時(shí)，由于此時(shí)線(xiàn)圈繞組AB上的電流不能突變，仍需按原電流方向流動(dòng)(即A→B)，此時(shí)由VD3，VD2來(lái)提供回路。

因此，電流在K1，K4關(guān)斷的瞬間由地→VD3→線(xiàn)圈繞組AB→VD2→電源+Vs形成續流回路。

同理，在圖1(b)中，當開(kāi)關(guān)K2，K3關(guān)斷的瞬間，由二極管VD4，VD1提供線(xiàn)圈繞組的續流，電流回路為地→VD4→線(xiàn)圈繞組BA→VD1→電源+Vs。

步進(jìn)電機驅動(dòng)器中，實(shí)現上述開(kāi)關(guān)功能的元件在實(shí)際電路中常采用功率MOSFET管。

由步進(jìn)電機H橋驅動(dòng)電路原理可知，電流在繞組中流動(dòng)是兩個(gè)完全相反的方向。推動(dòng)級的信號邏輯應使對角線(xiàn)晶體管不能同時(shí)導通，以免造成高低壓管的直通。

另外，步進(jìn)電機的繞組是感性負載，在通電時(shí)，隨著(zhù)電機運行頻率的升高，而過(guò)渡的時(shí)間常不變，使得繞組電流還沒(méi)來(lái)得及達到穩態(tài)值又被切斷，平均電流變小，輸出力矩下降，當驅動(dòng)頻率高到一定的時(shí)候將產(chǎn)生堵轉或失步現象。

因此，步進(jìn)電機的驅動(dòng)除了電機的設計盡量地減少繞組電感量外，還要對驅動(dòng)電源采取措施，也就是提高導通相電流的前后沿陡度以提高電機運行的性能。

步進(jìn)電機的缺陷是高頻出力不足，低頻振蕩，步進(jìn)電機的性能除電機自身固有的性能外，驅動(dòng)器的驅動(dòng)電源也直接影響電機的特性。要想改善步進(jìn)電機的頻率特性，就必須提高電源電壓。

電路設計

圖2給出了驅動(dòng)器AB相線(xiàn)圈功率驅動(dòng)部分原理圖。

步進(jìn)電機 H橋驅動(dòng)電路 MOSFET

選用的功率MOSFET元件是IRFP460，其，ID=20A，VDss= 500 V，RDS(ON)=0.27Ω。

在圖2中，功率MOSFET管VT1，VT2，VT3，VT4和續流二極管 VD11，VD19，VD14，VD22相當于圖1中的K1，K2，K3，K4和VD1，VD2，VD3，VD4。

功率MOSFET管的控制信號是由TTL邏輯電平a，a，b，b來(lái)提供的，其中a與a，b與b在邏輯上互反。

a.驅動(dòng)電流前后沿的改善

從步進(jìn)電機的運行特性分析中知道，性能較高的驅動(dòng)器都要求提供的電流前后沿要陡，以便改善電機的高頻響應。

本驅動(dòng)器中由于功率MOSFET管柵極電容的存在，對該管的驅動(dòng)電流實(shí)際表現為對柵極電容的充、放電。

極間電容越大，在開(kāi)關(guān)驅動(dòng)中所需的驅動(dòng)電流也越大，為使開(kāi)關(guān)波形具有足夠的上升和下降陡度，驅動(dòng)電流要具有較大的數值。

如果直接用集電極開(kāi)路的器件如SN7407驅動(dòng)功率MOSFET管，則電路在MOSFET管帶感性負載時(shí)，上升時(shí)間過(guò)長(cháng)，會(huì )造成動(dòng)態(tài)損耗增大。

為改進(jìn)功率MOSFET管的快速開(kāi)通時(shí)間，同時(shí)也減少在前級門(mén)電路上的功耗，采用圖2虛線(xiàn)框內的左下臂驅動(dòng)電路。

集電極開(kāi)路器件U14是將TTL電平轉換成CMOS電平的緩沖/驅動(dòng)器，當U14輸出低電平時(shí)，功率MOSFET管VT2的柵極電容通過(guò)1N4148被短路至地，這時(shí)U14吸收電流的能力受U14內部導通管所允許通過(guò)的電流限制。

而當U14輸出為高電平時(shí)，VT2管的柵極通過(guò)晶體管V3獲得電壓和電流，充電能力提高，因而開(kāi)通速度加快。

b.保護功能

圖2虛線(xiàn)框中，1N4744是柵源間的過(guò)壓保護齊納二極管，其穩壓值為15 V。由于，功率MOSFET管柵源間的阻抗很高，故工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的漏源間電壓的突變會(huì )通過(guò)極間電容耦合到柵極而產(chǎn)生相當幅度的VCS脈沖電壓。

這一電壓會(huì )引起柵源擊穿造成管子的永久損壞，如果是正方向的VCS脈沖電壓，雖然達不到損壞器件的程度，但會(huì )導致器件的誤導通。

為此，要適當降低柵極驅動(dòng)電路的阻抗，在柵源之間并接阻尼電阻或接一個(gè)穩壓值小于20 V而又接近20V的齊納二極管1N4744，防止柵源開(kāi)路工作。

功率MOSFET管有內接的快恢復二極管。當不接VD11，VD12，VD13，VD14時(shí)，假定此時(shí)電機AB相繞組由VT1管(和VT4管)驅動(dòng)，即VT2管(和VB)截止，VT1管(和VT4管)導通，電流經(jīng)VT1管流過(guò)繞組。

當下一個(gè)控制信號使VT1管關(guān)斷時(shí)，負載繞組的續流電流經(jīng)VT2的內接快恢復二極管從地獲取。此時(shí)，VT2管的漏源電壓即是該快恢復二極管的通態(tài)壓降，為一很小的負值。

當VT1再次導通時(shí)，該快恢復二極管關(guān)斷，VT2的漏源電壓迅速上升，直至接近于正電源的電壓+VS，這意味著(zhù)VT2漏源間要承受很高且邊沿很陡的上升電壓，該上升電壓反向加在VT2管內的快恢復二極管兩端，會(huì )使快恢復二極管出現恢復效應，即有一個(gè)很大的電流流過(guò)加有反向電壓的快恢復二極管。

為了抑制VT2管內的快恢復二極管出現這種反向恢復效應，在圖2電路中接入了VD11，VD12，VD13，VD14。

其中，反并聯(lián)快恢復二極管VD11，VD14的作用是為電機AB相繞組提供續流通路，VD12，VD13是為了使功率MOSFET管VT1，VT2內部的快恢復二極管不流過(guò)反向電流，以保證VT1，VT2在動(dòng)態(tài)工作時(shí)能起正常的開(kāi)關(guān)作用。VD19，VD20，VD21，VD22的作用亦是同樣的道理。

對圖2電路的分析可知，信號a=1，b=1的情況是不允許存在的，否則將因同時(shí)導通從而使電源直接連到地造成功率管的損壞;

另外，根據步進(jìn)電機運行脈沖分配的要求，VT1，VT2，VT3，VT4經(jīng)常處于交替工作狀態(tài)，由于晶體管的關(guān)斷過(guò)程中有一段存儲時(shí)間和電流下降時(shí)間，總稱(chēng)關(guān)斷時(shí)間，在這段時(shí)間內，晶體管并沒(méi)完全關(guān)斷。

若在此期間，另一個(gè)晶體管導通，則造成上、下兩管直通而使電源短路，燒壞晶體管或其他元器件。

為了避免這種情況，可采取另加邏輯延時(shí)電路，以使H橋電路上、下兩管交替導通時(shí)可產(chǎn)生一個(gè)“死區時(shí)間”，先關(guān)后開(kāi)，防止上、下兩管直通現象。

本驅動(dòng)器電源驅動(dòng)部分線(xiàn)路簡(jiǎn)單，通過(guò)對電流前后沿的合理設計，降低了開(kāi)關(guān)損耗，改善了電機的高頻特性，并具有多種保護功能，實(shí)際使用中效果良好。

步進(jìn)電機 H橋驅動(dòng)電路 MOSFET