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基于VNH3SP30的大电流直流电机驱动器的设计侯清锋1,2,罗海波1,王洪福1(1.中国科学院沈阳自动化研究所,沈阳1100162.中国科学院研究生院,北京100039)摘要:设计了一种基于VNH3SP30组件的大电流直流电机驱动器,介绍了专用于电机控制的H桥组件VNH3SP30,并将该驱动器电路应用于某重点型号伺服控制系统中,实验表明,该电路具有驱动能力大、体积小、保护功能全,性能稳定等特点,可广泛应用于40V以下的大功率直流电机驱动的场合。关键词:VNH3SP30;驱动电路;电机驱动;伺服控制系统中图分类号:TP211文献标识码:AThedesignoflargecurrentDCmotordriversbasedonVNH3SP30HOUQing-feng1,2,LUOhai-bo1,WANGHong-fu1(1.ShenyangInstituteofAutomation,ChineseAcademyofSciences,Shenyang,110016,China2.GraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China)Abstract:Inthispaper,designakindoflargecurrentDCmotordriverbasedonVNH3SP30,introducesH-bridgediscretenessVNH3SP30appropriateformotorcontrol.Andmakesuseofthisdrivecircuitapplyinoneofcontrolsystemofservoforonekeymodel.Itisprovedbyexperimentthat,thiscircuithaslargedriveability、smallvolume、generalprotectioncircuitandtheperformanceisstable.Therefore,itcanwidelybeusedinhighpowerDCmotordriversforvoltagelower40V.keywords:VNH3SP30;Drivecircuit;Motordrivers;Controlsystemofservo1引言目前大电流直流电机多采用达林顿管或MOS管搭制H桥实现PWM脉宽调制[1],因此体积较大。另一方面,由于分立器件各个元件的特性不同,使得驱动器的特性具有一定得离散性;此外,由于功率管的开关电阻比较大,因此功耗也很大,这就需要加大功率的散热片,这无疑进一步加大了驱动器的体积。随着半导体技术的迅猛发展,基于大功率MOS管的H桥驱动芯片逐渐显现出其不可替代的优势[2]。但目前能提供较大电流输出的集成驱动芯片不是很多。意法半导体公司(ST)推出的全桥驱动芯片VNH3SP30是专用的电机驱动器[3],用作大功率的直流电机控制器,它由一个双单片上桥臂驱动器(HSD)和两个下桥臂开关组成,芯片峰值输出电流达30A,工作电压高达40V。芯片内部集成了全面的保护电路,如欠压、过压、接地损耗、正电源损耗等。本文在某重点型号的伺服控制系统中开发了一种基于VNH3SP30组件的大电流直流电机驱动器,并得到了很好的应用。2运动控制H桥组件VNH3SP30性能VNH3SP30是意法半导体公司(ST)生产、专用于电机驱动的大电流功率集成芯片,其原理框图如图1所示,芯片核心是一个双单片上桥臂驱动器(HSD)和两个下桥臂开关,HSD开关的设计采用ST的ViPower技术,允许在一个芯片内集成一个功率场效应MOS管和智能信号/保护电路。下桥臂开关是采用ST专有的EHD(STripFET)工艺制造的纵向场效应MOS管。三个模块叠装在一个表面组装MultiPowerSO-30引脚框架电绝缘封装内,具体性能指标如下:(1)昀大电流30A、电源电压高达40V;(2)功率MOS管导通电阻0.034Ω;(3)5V兼容的逻辑电平控制信号输入;(4)内含欠压、过压保护电路;(5)芯片过热报警输出和自动关断;*基金项目:中国科学院科技创新基金资助项目(F030407)2.1采用MultiPowerSO-30封装VNH3SP30采用MultiPowerSO-30封装,具有以下优点:(1)高侧和低侧的导热棒焊接在芯片上,在芯片与外部导热棒之间建立一个热阻很低的导热通道,电流处理和传热能力极强;(2)裸露焊点改进了热性能,所以可以不用大型散热器,大大节省了印刷电路板空间;2.2内部保护电路VNH3SP30内部有非常全面的保护电路,主要有以下保护功能:(1)过压、欠压保护:输入电压超出[5.5V,36V]的范围,内部电路就会关断VNH3SP30输出;(2)过热保护:内部结温达到150℃,热保护电路就会自动关断内部器件;当内部结温降到大约15℃时,器件就会重新正常工作;(3)过流保护:当输出电流超过30A时,内部电路就会关断VNH3SP30输出;(4)短路保护:当检测到ENA/DIAGA或ENB/DIAGB为低电平信号时,可知VNH3SP30工作在非正常状态。可能的故障模式包括:①电源输出短路接地(高侧开关内置过温传感器,以检测温度过度升高部分,并将故障诊断标志信号ENA/ENB置为一个低逻辑电平状态);②过热(内部温度过高时,内部热保护电路按上述条件工作)。ENA/ENB信号的监测功能描述了H桥的工作状态,在任何情况下,当检测到故障时,故障引线就会被闭锁,只有输入信号从低电平升到高电平时,H桥才能正常工作。3驱动器电路设计3.1PWM信号调节方式PWM(脉宽调制)信号是VNH3SP30昀重要的控制信号,其昀大工作频率为10KHz。PWM信号通过控制H桥上的功率管的导通时间,从而实现对输出负载平均电压的调节。PWM信号的一个低电平状态将会关闭两个下桥臂开关,而当PWM输入端由低电平变为高电平时,下桥臂LSA和LSB导通与否取决于输入信号INA和INB,只有输入信号从低电平变为高电平时,下桥臂LSA和LSB才能重新导通。3.2方向控制信号和桥臂使能信号INA和INB为电机转向控制信号,控制电机的转向和刹车;ENA/DIAGA和ENB/DIAGB为桥臂使能信号,当这两个信号都为低电平时,H桥将不能导通。当驱动芯片过热,过压、欠压及过流时,ENA/DIAGA和ENB/DIAGB为故障诊断反馈信号,这两个信号返回一个低电平,同时H桥输出被封锁。3.3驱动器保护电路设计VCCOUTADRIVERLOGICCURENTLIMATIONACURENTLIMATIONBCLAMPACLAMPBOV+UVOVERTEMPERATUREAOVERTEMPERATUREBDRIVERDRIVERDRIVEROUTBGNDAGNDBPWMINAINBENA/DIAGAENB/DIAGBHSBHSALSBLSA图1VNH3SP30原理框图Fig.1FunctionalBlockDiagramofVNH3SP30一个性能优越的电机驱动器,无论加上何种控制信号,何种无源负载,电路都应该是安全的。因此,保护电路的设计非常重要。本文在某一伺服控制系统中,设计如下保护电路:a)电源反向保护:当给驱动器施加一个高于1.5V反向电压时,续流二极管就会被施加一个正向偏压,如果流过电桥的大电流不加以限制,可能会击穿内置二极管,显然,会毁坏电源开关。故此可以使用以下几种保护措施:(1)在芯片电源串一个保险丝并反接一个二极管;(2)给电源主线串联一个肖特基二极管;(3)在器件与接地信号之间放置一个小通态电阻的N沟道场效应MOS晶体管。当在电路中加入N沟道场效应管时,它能够在电源反向时保护电机,但也限定了驱动器的操作电压昀大只能达到20V。因此,本文采用第二种保护方式。b)控制器保护:当ENA/DIAGA和ENB/DIAGB输出一个低电平信号给控制器,可知驱动器出现故障,控制器会立刻封锁PWM输出,同时,VNH3SP30也会封锁输出,从而使驱动器得到双重保护。3.4驱动器电路设计本文在某一伺服控制系统中,选用TI公司的专用电机控制DSP芯片TMS320LF2407A作为核心控制单元[4]。它是16位的定点DSP,频率昀高达到40MHz,可提供16路任意频率、占空比随意可调的PWM输出信号,使得电机的调速范围大,使用方便。由DSP输出PWM信号、方向信号、H桥使能信号。电机采用直流力矩电机,峰值堵转电压27V,峰值堵转电流7.6A。由于电机的控制信号直接由DSP产生,而直流电机的驱动电路直接引入27V的电压,如果驱动电路出现了故障,电流可能会串入DSP,对DSP造成损害[5],所以要对所有的控制信号以及反馈信号进行隔离,使电机驱动电路同电机控制电路完全隔离。这样,即使电路出现问题,也不会对整个系统造成很大的损害。因此本设计选用了超高速光电耦合器HCPL2630。HCPL2630是双通道超快速型光电耦合器,响应时间仅为45ns,开关频率可达10MHz,远远大于PWM的10KHz昀大载波频率,在传输速度上能完全满足要求。基于VNH3SP30组件的大电流直流电机驱动器及在某伺服控制系统中的应用原理图如图2所示。4实验结果给该直流电机驱动器输入如图3所示的PWM(脉宽调制)信号,载波频率为8KHz,占空比为15%,并选择控制信号,使得电机正转,然后由示波器可以测到如图4所示的驱动器输出波形,选择不同的占空比,电机的转速也不同实验结果表明,该电机驱动器具有如下特性:图2电路原理图Fig.2Diagramofthecircuit(1)输出电流大,驱动能力强、体积小。本实验中,其输出连续电流8A,昀大输出连续工作电流可达30A;(2)电流调节范围宽,占空比调节灵活,占空比可在0%~100%之间任意调节;(3)电机运行平稳,调速性能好。在使用VNH3SP30功率集成电路时,以下方面需要特别注意:(1)驱动器的散热非常重要。如果散热处理不当,在电流较低的情况下,驱动芯片也会发烫。因此,建议在电路板的顶层和顶层加铜片散热,并在此铜片上添加过孔以增加散热面积。(2)在电机启动时,尽量使PWM的占空比较小,以免驱动芯片过流。因为在电机启动时,其瞬间峰值电流较大,一旦其峰值电流超过30A,驱动器会发生过流保护。(3)驱动器还会产生电容性耦合PWM噪声,在使用时要对电机电缆进行屏蔽和正确的接地,以降低与电容性耦合PWM噪声相关的问题。(4)由于受内部开关管开通和关闭时间、开通延时和关闭延时的限制,驱动器的PWM载波频率昀大只能达到10KHz。5结束语实验证明,基于VNH3SP30组件的大电流直流电机驱动器在某伺服控制系统中得到了很好的应用,驱动器由于采用了大电流的VNH3SP30功率集成电路,电路外围结构简单、体积小、驱动能力大,保护功能全,同时,可靠性大为提高。这类驱动器可广泛应用于大功率汽车领域,如车窗升降机、座椅定位器或大电流的直流电机驱动器装置。本文作者创新点:提出并设计了一种驱动能力大、体积小、性能稳定的大电流直流电机驱动器,并将此驱动器应用于某重点型号的伺服控制系统中。参考文献:图3驱动器输入波形Fig.3InputWaveformofMotorDrivers图4驱动器输出波形Fig.4OutputWaveformofMotorDrivers[1]秦继荣,沈安俊.现代直流伺服控制技术及其系统设计[M].北京:机械工业出版社,1999:282-308[2]梁铸等,基于CAN总线步进电机控制驱动卡的设计[J],微计算机信息,2004;5-2:5-6[3]St公司.VNH3SP30Datasheet[Z].意大利,http://,2004.1-26[4]刘和平等,TMS320LF240xDSPc语言开发应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005:15-46.[5]王磊等,基于LMD18200组件的直流电机驱动器的设计[J],自动化与仪表,20046(1):26-27.项目经济效益:项目经济
本文标题:电机驱动芯片VNH3SP30
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