電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理與電路分析-電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與發(fā)展現(xiàn)狀-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2019-08-29
電機(jī)驅(qū)動(dòng)Motor drive是組裝在膠片式照相機(jī)內(nèi)的微型電機(jī)或彈簧及其附件的總稱，借助微型電機(jī)自動(dòng)地卷取膠片，大多是指35毫米單鏡頭反光相機(jī)所用的。
拍一片格和連拍可以交替，連拍時(shí)一般一秒鐘拍3—5片格。視照相機(jī)的種類，將背部蓋子換為長(zhǎng)膠卷用片盒，即可拍250片格。除供利用軟線的遙控?cái)z影外，亦可借連接到定時(shí)器上的間隔控拍器自動(dòng)地拍攝，或靠控制快門等，應(yīng)用面較廣。倘不需連拍時(shí)，使用自動(dòng)卷片器亦可。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)展現(xiàn)狀如下：
(1)交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)我國(guó)已建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)，形成了小批量生產(chǎn)的開發(fā)、制造、試驗(yàn)及服務(wù)體系;產(chǎn)品性能基本滿足整車需求，大功率異步電機(jī)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各類電動(dòng)客車;通過示范運(yùn)行和小規(guī)模市場(chǎng)化應(yīng)用，產(chǎn)品可靠性得到了初步驗(yàn)證。
(2)開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已形成優(yōu)化設(shè)計(jì)和自主研發(fā)能力，通過合理設(shè)計(jì)電機(jī)結(jié)構(gòu)、改進(jìn)控制技術(shù)，產(chǎn)品性能基本滿足整車需求;部分公司已具備年產(chǎn)2000套的生產(chǎn)能力，能滿足小批量配套需求，目前部分產(chǎn)品已配套整車示范運(yùn)行，效果良好。
(3)無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)國(guó)內(nèi)企業(yè)通過合理設(shè)計(jì)及改進(jìn)控制技術(shù)，有效提高了無刷直流電機(jī)產(chǎn)品性能，基本滿足電動(dòng)汽車需求;已初步具有機(jī)電一體化設(shè)計(jì)能力。
(4)永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已形成了一定的研發(fā)和生產(chǎn)能力，開發(fā)了不同系列產(chǎn)品，可應(yīng)用于各類電動(dòng)汽車;產(chǎn)品部分技術(shù)指標(biāo)接近國(guó)際先進(jìn)水平，但總體水平與國(guó)外仍有一定差距;基本具備永磁同步電機(jī)集成化設(shè)計(jì)能力;多數(shù)公司仍處于小規(guī)模試制生產(chǎn)，少數(shù)公司已投資建立車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)專用生產(chǎn)線。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理如下圖：
上圖中Header 4X2為4排2列插針，F(xiàn)M0~3為FPGA芯片I/O輸出口，加入的插針給予一個(gè)可動(dòng)的機(jī)制，在需要使用時(shí)才用跳線帽進(jìn)行相連，提高I/O口的使用效率。RES5是五端口排阻，內(nèi)部集成了4個(gè)等阻值且一端公共連接的電阻，PIN 1是公共端，PIN2~5為排阻的輸出端，排阻原理圖，如下圖所示：
該排阻公共端接電源，即上拉電阻形式，作用是增強(qiáng)FPGA芯片I/O口（以下簡(jiǎn)稱I/O口）的驅(qū)動(dòng)能力，實(shí)際上就是增加I/O輸出高電平時(shí)輸出電流的大小。當(dāng)I/O輸出高電平時(shí)，+5V電源經(jīng)排阻與IN1~4相連，相當(dāng)于為I/O提供一個(gè)額外的電流輸出源，從而提高驅(qū)動(dòng)能力。當(dāng)I/O輸出低電平時(shí)，可將I/O近似看做接地，而IN1~4因與I/O由導(dǎo)線直接相連，因此直接接受了I/O的低電平輸出信號(hào)。此時(shí)，+5V電源經(jīng)排阻R、I/O內(nèi)部電路（電阻近似為零）后接地，因此該路的電流不能大于I/O的拉電流（Ii）最大值，如下公式：
由公式2-2可以得出排阻的取值范圍。
該上拉電阻除了提高驅(qū)動(dòng)能力外，還有一個(gè)作用，就是進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。經(jīng)查，ULN2003的接口邏輯為：5V-TTL, 5V-CMOS邏輯。而在3.3V供電的情況下，I/O口可以提供3.3V-LVTTL，3.3V-LVCMOS，3.3V-PCI和SSTL-3接口邏輯電平。因此，需要外接5V的上拉電阻將I/O電平規(guī)格變成5V電平邏輯。
芯片ULN2003內(nèi)部集成7組達(dá)林頓管，專門用于提高驅(qū)動(dòng)電流，芯片引腳間邏輯如下圖所示：
于I/O電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此需要外接該芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，ULN2003內(nèi)部集成的達(dá)林頓管電路如下圖所示。達(dá)林頓管的形式具有將弱點(diǎn)信號(hào)轉(zhuǎn)化成強(qiáng)電信號(hào)的特點(diǎn)，I/O電平邏輯從PIN IN輸入，通過達(dá)林頓管控制PIN 9(COMMON)端輸入的強(qiáng)電信號(hào)按照I/O信號(hào)規(guī)律變化。值得注意的是：ULN2003輸出邏輯將與輸入邏輯相反，編程時(shí)應(yīng)該注意該特點(diǎn)。
RES6是六端口排阻，內(nèi)部集成了5個(gè)等阻值且一端公共連接的電阻，PIN 1是公共端，PIN2~6為排阻的輸出端，原理圖與接法說明可參考上述圖2-2，排阻取值范圍計(jì)算參見公式2-2，此處不再贅述。值得注意的是：RES6的PIN 1與PIN 2相連，是因?yàn)槎喑隽艘粋€(gè)不使用的電阻，為了避免PIN 2懸空，因此將PIN 2與PIN 1（公共端）相連，即PIN 2對(duì)應(yīng)的電阻被短路，從而既避免的懸空的引腳，又能使該電阻失效。
電機(jī)指示燈電路如下圖所示：
電機(jī)部分指示燈用于指示各路信號(hào)的邏輯電平狀態(tài)，其中R106~109為限流電阻，防止發(fā)光二極管因電流過大燒毀。值得注意的是：該指示燈的發(fā)光二極管接成共陽(yáng)極，由M0~3信號(hào)端口產(chǎn)生低電平點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的二極管，而ULN2003的OUT與IN邏輯電平相反，因此對(duì)于I/O口FM0~3來說，輸出高電平就能點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管，例如：FM0輸出高電平，則對(duì)應(yīng)LD17點(diǎn)亮，編程時(shí)應(yīng)注意此電路將I/O實(shí)際邏輯反相了兩次，對(duì)應(yīng)關(guān)系為I/O口輸出哪路高電平則對(duì)應(yīng)點(diǎn)亮哪路指示燈。
時(shí)鐘電路如下圖所示：
采用50Mhz有源晶振產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，接法采用有源晶振的典型接法：PIN 1懸空，PIN 2接地，PIN 3輸出時(shí)鐘信號(hào)，PIN 4接電源。由于FPGA的I/O供電為3.3V，而時(shí)鐘電路產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)要由I/O口接收，因此時(shí)鐘信號(hào)最大值不能超過3.3V，故時(shí)鐘電路電源采用3.3V供電。
FPGA部分電路原理圖如下圖所示：
Header 18X2為18排2列排陣，兩組排陣分別與PIN口、3.3V電源、數(shù)字地相連，提供了可動(dòng)的機(jī)制，使得PIN口可根據(jù)需要用排線與目標(biāo)相連，打到信號(hào)傳輸?shù)哪康?。?.3V電源以及數(shù)字地針口則可以根據(jù)需要，用排線為目標(biāo)提供邏輯高電平或邏輯低電平。
U21D為FPGA芯片的時(shí)鐘信號(hào)接收部分，通過網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)“CLK0~3”與對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)端口相連。
U21C為FPGA芯片的供電及接地部分，含有“GND”字樣的是“地”端口，與數(shù)字地相連，VCCIO1~4為I/O口供電端口，采用3.3V電源供電，通過網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)“+3.3V”與3.3V電源端口相連。VCCA_PLL1、VCCA_PLL2、VCCINT為內(nèi)部運(yùn)算器和輸入緩沖區(qū)的供電端口，采用1.5V電源供電，通過網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)“+1.5V”與1.5V電源端口相連。
常見的電機(jī)驅(qū)動(dòng)有兩種方式：1、采用集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。 2、采用MOSFET和專用柵極驅(qū)動(dòng)芯片。下面一一詳細(xì)解析。
1、采用集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片
通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)兩端電壓來對(duì)電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)，我們可以采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的集成橋式驅(qū)動(dòng)芯片 MC33886。MC33886 最大驅(qū)動(dòng)電流為 5A，導(dǎo)通電阻為 140 毫歐姆，PWM 頻率小于 10KHz，具有短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過溫保護(hù)等功能。體積小巧，使用簡(jiǎn)單，但由于是貼片的封裝，散熱面積比較小，長(zhǎng)時(shí)間大電流工作時(shí)，溫升較高，如果長(zhǎng)時(shí)間工作必須外加散熱器，而且 MC33886的工作內(nèi)阻比較大，又有高溫保護(hù)回路，使用不方便。
下面，著重介紹我們?cè)谄綍r(shí)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)最常用的驅(qū)動(dòng)電路。我們普遍使用的是英飛凌公司的半橋驅(qū)動(dòng)芯片 BTS7960 搭成全橋驅(qū)動(dòng)。其驅(qū)動(dòng)電流約 43A，而其升級(jí)產(chǎn)品 BTS7970 驅(qū)動(dòng)電流能夠達(dá)到 70 幾安培！而且也有其可替代產(chǎn)品 BTN7970，它的驅(qū)動(dòng)電流最大也能達(dá)七十幾安！
其內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相同如下：
每片芯片的內(nèi)部有兩個(gè) MOS 管，當(dāng) IN 輸入高電平時(shí)上邊的 MOS 管導(dǎo)通，常稱為高邊 MOS 管，當(dāng) IN 輸入低電平時(shí)，下邊的 MOS 管導(dǎo)通，常稱為低邊 MOS管；當(dāng) INH 為高電平時(shí)使能整個(gè)芯片，芯片工作；當(dāng) INH 為低電平時(shí)，芯片不工作。
其典型運(yùn)用電路圖如下圖所示：
INH一般使用時(shí),我們直接接高電平，使整個(gè)電路始終處于工作狀態(tài)。
下面就是怎么樣用該電路使得電機(jī)正反轉(zhuǎn)？假如當(dāng)PWM1端輸入PWM波，PWM2端置0,電機(jī)正轉(zhuǎn)；那么當(dāng) PWM1端為0,PWM2端輸入PWM 波時(shí)電機(jī)將反轉(zhuǎn)！使用此方法需要兩路PWM信號(hào)來控制一個(gè)電機(jī)！其實(shí)可以只用一路 PWM 接 PWM1 端，另外 PWM2 端可以接在 IO 端口上，用于控制方向！假如 PWM2=0，PWM1 輸入信號(hào)時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)；那么當(dāng) PWM2=1是，PWM1 輸入信號(hào)電機(jī)反轉(zhuǎn)（必須注意：此時(shí)PWM信號(hào)輸入的是其對(duì)應(yīng)的負(fù)占空比）！
以上的電路，對(duì)于普通功率的底盤，其驅(qū)動(dòng)電流已經(jīng)能夠滿足，但是對(duì)于更大功率的底盤，可能有點(diǎn)吃力。尤其是當(dāng)我們加的底盤在不停的加減速時(shí)，這就需要電機(jī)不停的正反轉(zhuǎn)，此時(shí)的電流很大，還用以上的驅(qū)動(dòng)電路，芯片會(huì)很燙?。∵@個(gè)時(shí)候就需要我們自己用 MOSFET 和柵極驅(qū)動(dòng)芯片自己設(shè)計(jì)H橋！
2、采用MOSFET和專用柵極驅(qū)動(dòng)芯片
大功率 MOS 管組成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，用這個(gè)方法電路非常簡(jiǎn)單，控制只需要一路PWM，在管子上消耗的電能也比較少，可以有效地避免多片MC33886 并聯(lián)時(shí)由于芯片分散性導(dǎo)致的驅(qū)動(dòng)芯片某些片發(fā)熱某些不發(fā)熱的現(xiàn)象。但是缺點(diǎn)是不能控制電機(jī)的電流方向，在小車的剎車的性能的提升上明顯有弱勢(shì)，而且電流允許值也比較小。
當(dāng)我們按照下圖接線時(shí)，也就是兩路PWM輸入組成H橋，則可以通過控制PWM1和PWM2的相對(duì)大小控制電流的方向，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。
這里給大家介紹的是 IR 公司的 IR2104，因?yàn)?IR 公司號(hào)稱功率半導(dǎo)體領(lǐng)袖，當(dāng)然 2104 也相對(duì)比較便宜！IR2104 可以驅(qū)動(dòng)可以驅(qū)動(dòng)高端和低端兩個(gè) N 溝道MOSFET，能提供較大的柵極驅(qū)動(dòng)電流使用兩片 IR2104 型半橋驅(qū)動(dòng)芯片可以組成完整的直流電機(jī) H 橋式驅(qū)動(dòng)電路。但是需要 12V 驅(qū)動(dòng)！
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