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隨著電力電子技術的進步和微處理器技術的應用，大大改變了電機控制、電氣傳動的面貌。形成了一門多學科交叉的“運動控制”技術。運動控制系統能使被控機械運動實現精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉矩或力的控制，以及這些被控機械量的綜合控制。H橋驅動電路能與主處理器、電機等構成一個完整的運動控制系統，可應用于步進電機、交流電機及直流電機等的運動控制。 1 電機運動控制及其驅動電路 在電機的運動控制中，最常見的是電機的雙向轉動和調速，流經電機繞組的電流大小和方向要受控。 圖1，圖2是由4個N溝道MOs管(M1～M4)和一個電機(M)組成的H橋。在圖1中，當M1和M4導通時，電流從電源正極經M1從左至右穿過電機，然后再經M4回到電源負極，電機沿順時針轉動。在圖2中，當M3和M2導通時，電流從右至左流過電機，電機沿逆時針轉動。因此，通過調整MOS管的導通與截止時序可以控制電機的轉向，通過調整流經電機電流的大小可以控制電機的轉速。 在此介紹一款基于HIP4081設計的厚膜H橋電機驅動電路，用于某炮瞄系統。電路內部集成了CMOS控制電路和由MOS管組成的H橋，它能為負載提供5 A的連續電流。該電路能在60 V的供電電源范圍內安全工作，用戶只需提供與TTL電平兼容的PWM信號就可進行4象限模式的幅值和方向同時控制，而且與數字控制器的接口非常簡單。其內部電路可提供適當的死區時間間隔以保護H橋的4個N溝道場效應管，效率可達97％。提供有與TTL兼容的使能管腳來關斷4個場效應管。 2 HIP4081內部結構及技術特點 HIP4081是intersil公司推出的一款專門用于控制H橋的高頻全橋驅動芯片。采用閂鎖抗干擾CMOS制造工藝，具有獨立的低端和高端輸入通道，分別獨立驅動4個N溝道MoS管；輸出峰值電流為2 A；芯片內部具有電荷泵和死區時間設置；懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達95 V，邏輯電源電壓范圍6～15 V，工作頻率高，可達1 MHz；具有能控制所有輸入的禁止端，可方便地與外接元件形成保護電路。圖3給出HIP4081的引腳排列定義，圖4顯示了1／2HIP4081(A邊)的內部功能框圖。主要組成部分有：邏輯輸入、使能、電荷泵、電平平移及死區時間設置等。 3 HIP4081引腳排列 在圖4中，Au，AHl分別是A邊的低邊輸入和高邊輸入；ALO，AHO分別是A邊的低邊輸出和高邊輸出，DIS是使能輸入；在另一半(B邊)的內部功能圖中，BLI、BHl分別是B邊的低邊輸入和高邊輸入；BL0，BH0分別是B邊的低邊輸出和高邊輸出。他們之間的邏輯關系如表1所示。 3 電路實現基本原理 電路原理框如圖5所示。 在圖5中，VCC為內部邏輯電路和MOS管上臂和下臂驅動器的低壓電源；Vs為H橋供電電源，MOS管從這個電源端獲得輸出電流，該腳電壓范圍為Vcc～+80 V；V01，為半橋的輸出腳1，當PwM輸入ALI為高，BLI為低時，該腳輸出為Vs；Vo2為半橋的輸出腳2，當PwM輸入ALI為低，BLl為高時，該腳輸出為Vs；SENSE為2個半橋下臂的共同聯接點，可連接一個到Vs地的檢測電阻以檢測電流，該腳也可以直接連到Vs的地。GND為輸入邏輯和Vcc的地；PWM輸人為用于輸入與TTL兼容的PwM信號，占空比在O％～100％之間；DIS為用于關斷4個MOS管，該腳為1時為關斷，為0時使能。 3．1 電路工作邏輯時序及電機運動狀態分析 在圖5中，當使能端D1S處于高電平“1”時，無論ALI，BLI是“1”還是“O”，ALO，BLO，AH0，BH0都為“0”，電路處于禁止狀態，電機停轉。當使能端DIS處于低電平“O”時，ALl和BLI可通過反相器分別同時接收PWM信號的高電平“1”和低電平“0”。當ALl為1，BLI為0時，此時，ALO為1，AHO為0，BLO為O，BHO為1，H橋中的MOS管M1與M4導通，H橋處于圖1狀態，電機順時針旋轉。當ALI為O，BLI為1時，此時，AL0為0，AHO為1，BLO為1，BHO為O，H橋中的MOS管M3與M2導通，H橋處于圖2狀態，電機逆時針旋轉。當ALI，BLI同時為O時，ALO，BLO都為O，AH0，BHO都為1，電機中沒有電流流過，處于制動狀態。當ALI，BLI同時為1時，AL0，BLO都為1，AHO，BHO都為O，電機中也沒有電流流過，同樣處于制動狀態。其邏輯關系如表2所示。 3．2 死區時間的考慮 在圖5中，保證H橋上2個同側的MOS管(M1和M2，M3和M4)不會同時導通非常重要。如果MOS管M1和M2(或M3和M4)同時導通，那么電流就會從電源Vs正極穿過2個MOS管直接回到負極。此時，電路中除了MOS管外沒有其他任何負載，因此電路上的電流就可能達到最大值(該電流僅受電源性能限制)，甚至燒壞MOS管�；谏鲜鲈颍趯嶋H驅動電路中要使M1與M2或M3與M4在導通時間上有一個延遲，也稱死區時間。 HIP4081留有HDEL和LDEL兩個端口(見圖4)，用戶通過外接電阻，可根據實際電路工作情況，自行定制死區時間。死區時間與HDEL／LDEL電阻的關系如圖6所示。 3．3 效率的考慮 在圖5中，決定驅動電路效率的主要是以下3個因素：H1P4081的靜態功耗；Vcc電源的動態功耗；MOS管的I2R損耗。 由于HIP4081是CMOS器件，第(1)項損耗很小，可忽略不計，第(2)項損耗雖然大一些，但遠小于(3)項(尤其是滿負荷輸出時)。而MOS管的I2R由其導通電阻決定，因此選擇合適的M0s管組成H橋電路，可以減少(3)項損耗。該電路選用N溝道HEXFETPower MOSFET IRFPP250N，其導通電阻為O．075 Ω，降低了導通損耗，提高了效率。 3．4 產品結構的考慮 (1)該產品結構采用厚膜混合集成技術設計，如圖7所示，在具有高導熱率的AlN陶瓷基板上通過厚膜印燒工藝制作厚膜基板，并通過基板金屬化與焊接技術，將ALN基板與金屬外殼進行焊接，大大提高了電路的導熱能力和功率密度。 (2)在圖7中，產品內部全部有源器件采用裸芯片，通過混合集成電路的二次集成工藝技術，將元器件、ALN厚膜陶瓷基板以及金屬外殼組裝在一起。形成具有全密封金屬外殼、外形尺寸為32 mm×32 mm×7 mm的雙列直插式厚膜混合集成產品，大大縮小了體積，減少了產品內部級連和焊點，提高了可靠性。 4 結 語 這里設計的厚膜H橋電機驅動電路經過實際應用表明：該電路不僅安全可靠地實現了電機的雙向轉動和調速,提高了驅動電路和系統的可靠性，而且產品體積小，導熱性能好，效率高，能在惡劣的使用環境下安全工作，適合軍、民兩用。 |
