基于Proteus的高性能电机驱动设计

陈新兵 ，张方樱，龙晓莉

（广州大学 实验中心，广东 广州510006）

基于Proteus的高性能电机驱动设计

陈新兵 ，张方樱，龙晓莉

（广州大学 实验中心，广东 广州510006）

针对电机驱动的设计问题，提出了基于Proteus的快速解决方案。以RS-540电机为例，在分析H桥对驱动性能影响的基础上，采用"预驱动+外置H桥"方式，设计了一种高性能电机驱动，兼容各型微控制器；在其硬件开发中引入了Proteus虚拟开发技术，在设计阶段重现并解决电路问题，自动化程度高，体现了效率优势。测试表明，该设计驱动能力强，发热小，满足智能车竞速需求，为电机驱动开发提供了借鉴。

电机驱动；H桥；Proteus；仿真；印刷电路板

电机驱动是汽车电子的关键技术，其电路设计直接影响着车辆的整体性能。随着大规模集成电路的迅速发展，集成了H桥的直流电机驱动芯片不断涌现[1-3]，如 L298、BTN7971，这类芯片集成度高，占用空间小，简化了电路设计，但存在发热较大、成本偏高以及驱动能力不足的问题。采用外置MOSFET搭建的H桥驱动[4-7]，电流大，散热好，驱动能力强，价格低廉，在大功率驱动设计方面优势明显，但这类电路复杂度高，传统的硬件开发模式[8]，比较依赖经验，开发周期长，不能适应快速产品开发的节奏。

本文结合全国智能车大赛需求，设计了高性能电机驱动系统框架，在其后续硬件开发中引入了Proteus虚拟仿真技术，其开发流程为：原理图设计→电路仿真与优化→PCB设计→3D预览→硬件焊接调试，这种一体化开发模式能够在设计初期解决电路问题。

1 系统设计

全国大学生智能汽车竞赛，是以智能汽车为研究对象的竞速型赛事，赛委会指定车模和微控制器类型，提供7.2 V2000 mAh镍镉充电电池，参赛者自行设计软硬件系统，沿规定路线完成任务，其中B型车模采用单电机后轮驱动，电机型号RS-540，工作电压DC7.2 V，转速20 000 r/min，最大功率118 W，动力强劲[9]。图1是为其设计的H桥驱动系统方案，由微控制器、信号隔离、预驱动器、H桥电路、汽车车模和闭环检测6部分组成。

图1 驱动系统方案

2 硬件设计与仿真

2.1 Proteus简介

图2 H桥

微控制器产生的实时PWM信号，经过信号隔离缓冲，然后传输至预驱动器，后者生成带死区的互补信号，驱动H桥电路，形成方向和占空比可调的电压降，控制汽车电机运转；整车通过检测电路构成闭环回路，控制车模以设定速度平稳行驶。

H桥构成直接影响电机驱动性能，设计要求MOSFET导通电阻小、开关速度快、开启电压小。图2是采用4个N沟道MOSFET搭建的外置H桥，仅Q1和Q4导通时，电流向右流过电机M，电机正向转动；反之，仅Q2、Q3导通时电机反转，电桥设计时要求MOSFET开关延迟小于PWM死区时间，避免状态切换时出现H桥共态导通，导致H桥烧毁；这里MOSFET选型LR7843，其导通内阻3.3 mΩ，开关延时≤34 ns，开启电压4.5 V，最大漏极电流161 A，具有发热小、易开启、响应快、驱动能力强的特点，比传统PN互补H桥设计更有优势[10]，满足B车模全速冲刺和加减速控制的高性能要求。

Proteus是Lab Center Electronics开发的EDA软件，现已升级至8.5版本，成为一个可视化电子系统设计平台，集成原理图设计、虚拟仪器、代码调试、电路协同仿真、电路板设计及3D虚拟展示等功能，实现了从概念到产品的一体化设计，强大的自动化设计和debug实时调试功能，帮助用户快速定位并解决问题，提高了硬件开发效率，常用于单片机及其外围电路仿真设计[11-12]。此外，Proteus提供了丰富的H桥驱动模型库支持，成为电机驱动开发的理想工具。

Proteus总体设计流程是，先根据向导建立包含原理图和PCB板的工程文件，再通过Proteus顶部工具栏按钮，依次进入电路设计仿真、PCB设计和3D预览。下面以RS-540电机驱动为例，介绍使用Proteus8.5进行硬件电路设计的具体方法。

2.2 原理图设计

原理图是Proteus交互式仿真和电路板设计的基础。先根据系统设计图和芯片数据手册，进行芯片选型、周边电路设计以及参数计算，形成硬件解决方案，这里电机驱动选用缓冲驱动芯片74LVC245、预驱动芯片IR2104S、电源芯片MC34063和LR7843型MOSFET。然后进入Proteus原理图窗口，结合系统提示，分五步完成原理图绘制：①添加所需元器件；②布局元器件与设置参数；③添加终端如电源、地和I/O端口；④连线；⑤添加网络标号如+12、outA和outB。绘制完成的驱动电路见图3。

图3 硬件电路设计

图3中，微控制器产生的两路PWM信号inA和inB，经过缓冲芯片74LVC245，隔离保护微控制器，并提升信号驱动能力，然后信号传输至预驱动芯片IR2104S，生成互补的PWM信号，控制H桥的高低边栅极开关，从而驱动电机，LED实时显示电机状态。

IR2104S是驱动电路设计的关键。IR2104S正常工作电压为10～20 V，通过MC34063升压电路把电池7．2 V电压提升至12 V，为IR2104S提供工作电源和H桥低边固定电源VCC；自举电容C5和D12构成IR2104S的电荷泵，提供H桥高边浮置电源VB。LR7843栅极阈值电压为 4．5 V，由于高边MOSFET导通时源极电压VS接近于漏极电压7．2 V，所以这时其栅极电压高于11．7 V，才能开启高边MOSFET，电荷泵输出VB理论峰值是12V+7．5VVF=18．6 V，能完全开启高边MOSFET，满足设计要求，适当提高MOSFET驱动电压，能提高导通速度，降低导通电阻，减少H桥热损耗。

IR2104S正常工作时，HO=IN，LO=IN，即高边HO输出波形与输入信号同相，LO与之互补，死区时间为520 ns，LR7843型MOSFET完全开启和关断时间分别是67 ns和53 ns，远低于死区时间，H桥不会出现共态导通问题；并联的续流二极管1N5819，反向恢复时间为10 ns，为感生电动势提供了快速放电通道，输入5 k～20 kHz驱动信号时，H桥电路能够安全、可靠、快速地完成开关动作，确保电机性能充分发挥。

电路中各芯片电源端都加了接地电容，确保了芯片供电的稳定性；在电机两端并了压敏电阻，吸收电机换向时的峰值电流，确保整车在电机频繁动作时安全稳定运行。由于74LVC245芯片兼有TTL电平输入到3．3 V输出的电平转换功能，兼容TTL 5 V和低功耗3．3 V标准电平输入，因此该驱动通用性极好，适用于所有微控制器，涵盖单片机、DSP和ARM。

2.3 电路仿真

对上述硬件电路进行交互式仿真，需要添加必要的虚拟仪器，并更换成有动画效果的元器件，如LED和电机，以便直观观测分析电路仿真结果，据仿真结果和datasheet调整元件参数，直至满足实际需求。整个电路的PWM输入信号，一般通过单片机最小系统，加载Hex文件代码生成[13-14]，这种协同仿真方式增加了系统复杂度，对PC性能要求高，易导致仿真动画效果不流畅，因此本文直接采用虚拟信号发生器简化设计，改善仿真实时效果，电路见图4。

图4 电路仿真与调试

图4中，虚拟信号发生器Pulse、反相器和开关 构建了简易信号发生电路，生成一对PWM信号，提供两种PWM驱动模式[15]：单极式（inA接PWM，inB接GND），和双极式（inA接PWM，inB接PWM）。 利用虚拟示波器4个通道，连接电路信号输入端口inA、inB，和输出端口outA、outB，观测整个电路的外部特性；利用电压探针接12 V电源、IR2104S输出端HO和LO，监测内部栅极驱动电压实时变化。

设定 Pulse 参数为幅值 3．3 V、占空比 0．3、频率10 kHz，在双极式驱动模式下启动仿真，电路稳定后仿真效果见图4，电机反向转动，反转指示灯亮，电压探针测得IR2104S电源稳定在11．8 V，芯片工作正常，此时测得高边栅极驱动信号峰值18．3 V，低边11．8 V，H桥工作正常，整个电路输入输出波形见图5。

图5 输入-输出波形

仿真波形显示，从电路输入到相应半桥输出，信号在传输过程中相位不变，幅值从3．3 V放大到7．2 V，仿真结果符合理论设计。其中，inA、inB占空比分别为 0．3、0．7，二者之差为-0．4，绝对值 0．4 决定电机转速，负号表明电机反转，改变驱动模式和占空比Duty，最终测得的输入输出对应关系见表1，仿真结果与理论设计一致，验证了Proteus设计驱动电路的可靠性。实际使用时，根据需要选择PWM驱动模式，双极式下各MOSFET状态均衡，单极式时系统效率更高。

表1 驱动仿真测试

2.4 PCB设计

仿真成功后，为电路中元器件指定封装，虚拟仪器设备连上实际接头，切换至PCB窗口，进入电路板设计阶段，该驱动采用双面板设计，元器件布局时参考电路原理图，依次放置连接器、核心芯片、集成电路和分立元件，设计时应注意电机对电路工作的影响[16]。由于电机电流大，供电端须使用钮子开关和大容量滤波电容，电机供电回路PCB走线须足够宽，提升电池供电的稳定性和可靠性。同时，由于电机频繁动作干扰大，驱动常设计为独立模块，地线单点接至电池负极，与其他模块地线以磁珠隔离；各去耦电容应紧邻其芯片VCC引脚布局，提升电路的抗干扰能力。

Proteus设计印制电路板，具体流程为：自动加载网络表→电路板规划与规则设置→自动布局与手工调整→自动布线与手工调整→完整性检查→3D虚拟展示→优化工作，Proteus提供了裸板和成品两种预览方式，所见即所得，确保产品设计机电匹配，图6是电路设计的效果图，左起依次为PCB布线图、3D裸板预览、3D成品预览和覆铜优化后的实物。可见，Proteus在电路板设计方面，虚拟仿真效果好，比同类软件自动化程度高，提高了驱动开发效率。

图6 电路板设计

3 结 论

该驱动以“预驱动+外置H桥”为设计基础，解决了性能与发热问题，引入Proteus虚拟仿真技术，提高了电机驱动的开发效率，该驱动已应用于全国大学生智能汽车竞赛，在加减速性能、全速冲刺和发热控制方面表现良好，满足了汽车竞速需求，具有成本低、通用性好的优势，对高性能电机驱动设计有重要的参考价值，这种快速开发模式对其他硬件开发也有一定的借鉴意义。

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Design of powerful motor drive based on proteus

CHEN Xin-bing，ZHANG Fang-ying，LONG Xiao-li
（Lab Center，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China）

For the problem for motor driver design，a rapid solution is proposed based on proteus.Take RS-540 motors for example，the key effects of H-bridge on drive performance are analyzed，and a universal and powerful motor drive is designed by predrive&external H-bridge，which is compatible with all kinds of microcontrollers；proteus virtual simulation technology is brought into its hardware development，and how to design the circuits and offer solutions early is introduced in details，which demonstrates advantages of proteus in rapid hardware development.Test results verity that its driving performance agrees well with theoretical design，which meets smart car's requirements for racing.

motor drive； H-bridge； proteus； simulation；PCB

TN710

A

1674－6236（2017）17-0073-05

2016-10-14稿件编号：201610068

国家自然科学基金项目（51541701）

陈新兵（1978—），男，河南遂平人，硕士，实验师。研究方向：电力电子技术应用。