一种低压大电流H桥直流电机驱动器的设计

纪玉亮++王旭东++龙江++周凯

摘 要：针对输入电压较低且工作电流较大的直流电机驱动控制场合，设计了一种低压大电流H桥直流电机驱动器.驱动器采用VNH3ASP30的H桥电机驱动芯片，依据调压调速理论，通过TL494产生一路占空比可调的PWM脉冲来控制电机的运行速度，并运用TL494内部集成的运放构成电流截止负反馈来限制驱动器的输出电流，考虑到运行状况的需要，设计了双边延单稳态触发器启动延时可调电路.实验表明，该驱动器具有工作电压低，输出电流大（最大可达30A），调速方便，电机启动延时（0-lOs）可调等特点，并且省去了软件设计，降低了控制难度，减少了成本，

关键词：直流电机；VNH3ASP30；H桥驱动；占空比；启动延时

DOI：1O.15938/j.jhust.2015.02.009

中图分类号：TM33

文献标志码：A

文章编号：1007-2683（2015）02-0048-05

0 引 言

随着电机拖动行业中小型机械系统的发展，直流电机控制系统的运用越来越广一泛，H桥直流电机驱动电路由于其可以方便地实现直流电机的四象限运行，因此在直流电机控制中受到广泛的应用但针对电源电压较低输出电流较大的直流电机控制场合一直存在以下问题使大电流直流电机驱动控制系统效果不够理想，由于分立器件组成的H桥电路各元件的特性不同，导致驱动特性具有一定离散性，此外，由于功率管的导通电阻较大，因此功耗很大导致需要大功率的散热片，就使驱动器体积变大.为此，许多公司生产了集成的电机驱动芯片，如美国国家半导体公司（NS）推出的H桥电机驱动芯片LMD18200，其工作电压高达55V，峰值输出电流高达6A.虽然该芯片也具有驱动简单，控制效果好，但由于其输出电流较小，因此不能用于中型直流电机驱动系统中.

针对上述问题，本文选用了专用直流电机驱动集成芯片VNH3ASP30，该芯片就是一款输入电压低于40V，输出电流有效值可达30A左右的电机驱动芯片，该芯片内部集成了欠压、过压、过热、短路保护接地损耗等保护电路.可以实时对电机驱动器运行状态进行监测，确保直流电机驱动器处于安全运行状态，该芯片内部集成输出电流互感器，在接地电阻为规定值时，可以发出与输出电流成一定比例的感应电流，因此利用其电流互感功能设计了电流截止负反馈电路，对电机启动停止可能导致的输出电流过大进行了限流保护，本文利用TI494产生一路占空比可调的PWM脉冲与该H桥电机驱动芯片VNH3ASP30相互配合来驱动直流电机，并实现电机平稳的调速，为了满足电机拖动行业一些中小型机械系统的应用，对芯片VNH3ASP30方向引脚进行配置，设计开关延时电路，通过配置5V的逻辑电平就可使其平稳的工作在四象限.

1 基于PWM的H桥直流电机驱动器的设计

对于直流电机而言，其速度控制方法有三种，电枢串阻调速、电枢调压调速、弱磁调速，电枢串阻调速只能实脱有级调速，导致速度变化不够平滑；弱磁速虽然调速效果较好，但其工作在恒功率区，调速范围有限；只有调压调速既能实现无级调速，又能在负载变化时‘使速度有较好的稳定性，电损耗小，因此在直流调速系统中均以电枢调压调速为主，本设计采用占空比可调的PWM脉冲来实现直流电机的速度调节，其原理是改变其平均电压的大小来实现变压调速.

1.1 H桥驱动芯片VNH3ASP30性能及驱动电路

本设计选用的是H桥直流电机驱动集成芯片VNH3ASP30，该芯片在低压大电流H桥直流电机驱动控制中得到了广泛应用，其具有以下性能特点：①电源电压40V，最大电流30A；②内部集成MOS管导通电阻42mΩ③具有过压、欠压保护电路，即输入电压在5.5V，40V范围外自动关断VNH3ASP30输出；④该芯片还具有过流、过热、短路自动保护功能；⑤芯片内部集成电流互感器，接地电阻为700Ω时，感应电流比例为1：4700⑥可执行PWM波频率高达20kHz，驱动电路设计如图1.

由图1可知，该芯片内部有两路输出和地线，可以同时驱动两组直流电机，本设计为了加大驱动能力将其并联.图中INA和INB为方向控制引脚，向其输入5V逻辑电平，通过芯片内部的逻辑选择模块来驱动上下桥臂的开通和关断，两个引脚同时输入高电平或同时输入低电平则电机处于电磁制动状态，当两个引脚电平不同时可实现正反转运行，其运行速度由图中PWM引脚输入的占空比可调的PWM脉冲决定，采用TL494芯片生成同定频率占空比可调的PWM脉冲来控制电机运行速度，该芯片ENA和ENB引脚具有桥臂使能功能（高电平有效），中这两个引脚用来控制电机启动和停止，同时ENA和ENB两个引脚对芯片VNH3ASP30内部H桥电路有检测功能，当检测到故障（过压、过流、短路等）时，故障引线就会被闭锁，只有输入信弓.从低电平升到高电平时，H桥才能正常工作.CS引脚是芯片内部输出电流互感器的电流输出引脚，该引脚在接入电阻为700Ω时，互感电流与输出电流的比例为1：4700，对于电机控制电流反馈提供了很大方便.

TI494是固定频率的脉冲宽度可调的PWM脉冲发生芯片，其内部结构图如图2，TL494内部由一个振荡器、两个比较器、两个误差放大器、一个D触发器、一个或门、双与门、双或非门、一个+5v基准电压、两个NPN输出晶体管组成，图2中TI494芯片5、6引脚为RC震荡输入端，震荡频率由5、6脚输入的电容和电阻决定，其频率电容C=O.1μF，电阻R=1kΩ，产生频率约为lOk的锯齿波，该锯齿波同时加给死区时问控制比较器和PWM比较器，在误差放大器输出无效时（低电平），引脚4输入的电压与锯齿波相比较，其比较输出送人PWM比较器，经过四路信号相或后，一方面给D触发器提供时钟信号，另一方面提供给输出控制或非门，该芯片13脚的作用是控制输出模式的，该引脚为高电平时，触发器电路起作用，左侧输出脉冲经D触发器分频后分别送入两个与门来控制两个NPN三极管工作在推挽工作方式，此时两路输出相位差为π，此时PWM脉冲为振荡器频率的一半，其输出最大占空比为50%，若13引脚为低电平时，触发器不起作用，两路输出相同，其频率与振荡频率一样，最大占空比为100%.

本设计就是用TJ494产生占空比可调的PWM脉冲来控制电机的运行速度，其PWM脉冲发生电路如图3.如图可知13引脚接地，由此可知通过P1按入滑动变阻器，控制4脚电压在O-3.3V变化产生l-0的占空比可调的PWM波形，从而达到调速的目的.

为了让调速时避免驱动信号受到干扰，将TI494产生的PWM信号与VNH3SP30的输入控制信号隔离开来，本文选用高速光耦6N173，并将其输出接入CD4070异或门电路，CD4070的供电电源由TL494的内置SV基准电压14引脚提供，将CD4070输出接人VNH3SP30的PWM引脚，该光耦隔离电路不仅反应速度快、具有较短的延时，还能起到很好的隔离作用使该直流电机H桥驱动器运行状态更加稳定.

1.2 H桥直流电机驱动器截流反馈电路的设计

在直流电机启动或堵转时，由于惯性，转速不可能瞬间建立起来，反电势电压几乎为零，若没有限流措施就会导致电机电流会瞬间变大，这样会产生很大的噪声，同时会对电机换向不利，也可能是电子器件损坏，为了防止电机在运行中出现类似问题，本文设计了电流截止负反馈电路，该电路只在电机电流超过一定值时开始调节电流，本截流反馈电路运用图3中TI494内置误差放大器1进行搭建，其原理图如图4.

图4中CS与VNH3ASP30的CS引脚相连，通过二极管D1滤去反向电流，R20为700Ω的采样电阻，在采样电阻为700Ω时，输出电流与感应电流比为4700，由于本设计的限值为25A，所以当电流为25A时CS端电压

二极管导通压降0.7V，所以稳压管稳压取值为3V，本截流反馈输出电压其中，PI调节器的比例放大系数Kp=R6/R5，积分时问常数τ=RsCs；U1、U2分别为运放的输入电压.当电流超过25A时，稳压管击穿，电阻R2，两端电压大于零，输出电压公式PI调节器的输出与TLA94内部三角波进行比较后产生占空比变小的PWM脉冲信号来降低电流.为了防止截流反馈输出累积量过大，还设置了钳位电路以保证其正常工作.

1.3 H桥直流电机驱动器开关延时电路的设计

由于只针对不需要精确速度、位置的电机拖动行业的中小型机械（如车床走刀），以成本低、简单实用为主，其开关延时电路为控制电机正反转切换时产生可调的延时时间，既有利于电机缓冲后再运行，还可以运用在需要一定延时的加工机械上，其开关延时电路图如图5.开关延时电路中P3接人限位开关或者单刀双掷开关来控制电机的正反转，四异或门集成芯片CD4070中一异或门与电容C2、滑动变阻器DWl组成双边沿单稳态触发器.

图5中滑动变阻器的阻值与电容C2的值决定允放电时问.充放电时间计算公式为

本设计中CD4070电源电压Vcc=5V，其阈值电压VTH≈2.5V，所以可知充放电时间几乎相等，图5中INA和INR脚与VNH3SP30中的方向引脚INA、INB相连接，当开关P3的2脚与1脚接触后，CD4070的5脚变为低电平，6脚高电平，CD4070的4脚Y2输出为高电平，由于CD4070的l脚瞬问变为低电平，而2脚与电容连接，电平不能瞬问变低，所以此时1脚Y.输出为高电平，Y1、Y2均与CD4070的l、2脚相连且为高电平，则Y脚输出为低电平，Y脚与VNH3SP30的ENAFNB；相连，所以虽然INAINB低电平单电机不转，当电容C2放电完毕，1、2脚电平均为低电平，Y，输出低电平，此时Y1与Y2经异或门输出Y为高电平，电机正转，反转切换过程也是如此，其延时时间长短可由滑动变阻器DWI阻值来调节.此开关延时电路使该驱动器控制更加简便、适用.

2 实验波形

通过TL494产生PWM脉冲输入到VNH3SP30，两次闭合开关使电机正反转，测到开关延时波形如图6，在输入PWM脉冲占空比分别为50%和75%时对该低压大电流H桥直流驱动器的输出电压以及电枢电流进行了检测，如图7、8.由图7、8对比可以看出占空比越大电流脉动越小，即转矩脉动越小，

3 结 语

本文提出了一款新型的低压大电流H桥直流电机驱动器的设计方法，该驱动器输入电源电压低，输出电流较大，工作频率高，设计了截流反馈电路，并通过外围接入限位开关与开关延时电路来让电机平稳的在四象限运行，本设计的低压大电流直流电机驱动器适合应用于工作电压较低，但电流输出较大的中小型机电机拖动系统中.