中心論題:
- H橋功率驅(qū)動電路適用于要求雙極性電源供電的電機(jī)驅(qū)動
- 簡介步進(jìn)電機(jī)H橋驅(qū)動電路設(shè)計原理
- 實(shí)際電路設(shè)計中要注意的問題:驅(qū)動電流前后沿的改善和電路的保護(hù)功能
解決方案:
- 提高電壓電源以改進(jìn)步進(jìn)電機(jī)的頻率特性
- 利用集電極開路器件U14改善驅(qū)動電路的前后沿
- 用反并聯(lián)二極管提供續(xù)流通路和遏制反向電流,保證電路的正常工作
- 另加邏輯延時電路避免晶體管直通導(dǎo)致的電源短路
H橋功率驅(qū)動電路可應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)、交流電機(jī)及直流電機(jī)等的驅(qū)動。永磁步進(jìn)電機(jī)或混合式步進(jìn)電機(jī)的勵磁繞組都必須用雙極性電源供電,也就是說繞組有時需正向電流,有時需反向電流,這樣繞組電源需用H橋驅(qū)動。本文以兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器為例來設(shè)計H橋驅(qū)動電路。
電路原理
圖1給出了H橋驅(qū)動電路與步進(jìn)電機(jī)AB相繞組連接的電路框圖。
4個開關(guān)K1和K4,K2和K3分別受控制信號a,b的控制,當(dāng)控制信號使開關(guān)K1,K4合上,K2,K3斷開時,電流在線圈中的流向如圖1(a),當(dāng)控制信號使開關(guān)K2,K3合上,K1,K4斷開時,電流在線圈中的流向如圖1(b)所示。4個二極管VD1,VD2,VD3,VD4為續(xù)流二極管,它們所起的作用是:以圖1(a)為例,當(dāng)K1,K4開關(guān)受控制由閉合轉(zhuǎn)向斷開時,由于此時線圈繞組AB上的電流不能突變,仍需按原電流方向流動(即A→B),此時由VD3,VD2來提供回路。因此,電流在K1,K4關(guān)斷的瞬間由地→VD3→線圈繞組AB→VD2→電源+Vs形成續(xù)流回路。同理,在圖1(b)中,當(dāng)開關(guān)K2,K3關(guān)斷的瞬間,由二極管VD4,VD1提供線圈繞組的續(xù)流,電流回路為地→VD4→線圈繞組BA→VD1→電源+Vs。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器中,實(shí)現(xiàn)上述開關(guān)功能的
元件在實(shí)際電路中常采用功率MOSFET管。
由步進(jìn)電機(jī)H橋驅(qū)動電路原理可知,電流在繞組中流動是兩個完全相反的方向。推動級的信號邏輯應(yīng)使對角線晶體管不能同時導(dǎo)通,以免造成高低壓管的直通。
另外,步進(jìn)電機(jī)的繞組是感性負(fù)載,在通電時,隨著電機(jī)運(yùn)行頻率的升高,而過渡的時間常不變,使得繞組電流還沒來得及達(dá)到穩(wěn)態(tài)值又被切斷,平均電流變小,輸出力矩下降,當(dāng)驅(qū)動頻率高到一定的時候?qū)a(chǎn)生堵轉(zhuǎn)或失步現(xiàn)象。因此,步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動除了電機(jī)的設(shè)計盡量地減少繞組電感量外,還要對驅(qū)動電源采取措施,也就是提高導(dǎo)通相電流的前后沿陡度以提高電機(jī)運(yùn)行的性能。
步進(jìn)電機(jī)的缺陷是高頻出力不足,低頻振蕩,步進(jìn)電機(jī)的性能除電機(jī)自身固有的性能外,驅(qū)動器的驅(qū)動電源也直接影響電機(jī)的特性。要想改善步進(jìn)電機(jī)的頻率特性,就必須提高電源電壓。
電路設(shè)計
圖2給出了驅(qū)動器AB相線圈功率驅(qū)動部分原理圖。
選用的功率MOSFET元件是IRFP460,其,ID=20A,VDss= 500 V,RDS(ON)=0。27Ω。
在圖2中,功率MOSFET管VT1,VT2,VT3,VT4和續(xù)流二極管 VD11,VD19,VD14,VD22相當(dāng)于圖1中的K1,K2,K3,K4和VD1,VD2,VD3,VD4。功率MOSFET管的控制信號是由TTL邏輯電平a,a,b,b來提供的,其中a與a,b與b在邏輯上互反。
a.驅(qū)動電流前后沿的改善
從步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性分析中知道 ,性能較高的驅(qū)動器都要求提供的電流前后沿要陡,以便改善電機(jī)的高頻響應(yīng)。本驅(qū)動器中由于功率MOSFET管柵極電容的存在,對該管的驅(qū)動電流實(shí)際表現(xiàn)為對柵極電容的充、放電。極間電容越大,在開關(guān)驅(qū)動中所需的驅(qū)動電流也越大,為使開關(guān)波形具有足夠的上升和下降陡度,驅(qū)動電流要具有較大的數(shù)值。如果直接用集電極開路的器件如SN7407驅(qū)動功率MOSFET管,則電路在MOSFET管帶感性負(fù)載時,上升時間過長,會造成動態(tài)損耗增大。為改進(jìn)功率MOSFET管的快速開通時間,同時也減少在前級門電路上的功耗,采用圖2虛線框內(nèi)的左下臂驅(qū)動電路。
集電極開路器件U14是將TTL電平轉(zhuǎn)換成CMOS電平的緩沖/驅(qū)動器,當(dāng)U14輸出低電平時,功率MOSFET管VT2的柵極電容通過1N4148被短路至地,這時U14吸收電流的能力受U14內(nèi)部導(dǎo)通管所允許通過的電流限制。而當(dāng)U14輸出為高電平時,VT2管的柵極通過晶體管V3獲得電壓和電流,充電能力提高,因而開通速度加快。
b.保護(hù)功能
圖2虛線框中,1N4744是柵源間的過壓保護(hù)齊納二極管,其穩(wěn)壓值為15 V。由于,功率MOSFET管柵源間的阻抗很高,故工作于開關(guān)狀態(tài)下的漏源間電壓的突變會通過極間電容耦合到柵極而產(chǎn)生相當(dāng)幅度的VCS脈沖電壓。這一電壓會引起柵源擊穿造成管子的永久損壞,如果是正方向的VCS脈沖電壓,雖然達(dá)不到損壞器件的程度,但會導(dǎo)致器件的誤導(dǎo)通。為此,要適當(dāng)降低柵極驅(qū)動電路的阻抗,在柵源之間并接阻尼電阻或接一個穩(wěn)壓值小于20 V而又接近20V的齊納二極管1N4744,防止柵源開路工作。
功率MOSFET管有內(nèi)接的快恢復(fù)二極管。當(dāng)不接VD11,VD12,VD13,VD14時,假定此時電機(jī)AB相繞組由VT1管(和VT4管)驅(qū)動,即VT2管(和VB)截止,VT1管(和VT4管)導(dǎo)通,電流經(jīng)VT1管流過繞組。當(dāng)下一個控制信號使VT1管關(guān)斷時,負(fù)載繞組的續(xù)流電流經(jīng)VT2的內(nèi)接快恢復(fù)二極管從地獲取。此時,VT2管的漏源電壓即是該快恢復(fù)二極管的通態(tài)壓降,為一很小的負(fù)值。當(dāng)VT1再次導(dǎo)通時,該快恢復(fù)二極管關(guān)斷,VT2的漏源電壓迅速上升,直至接近于正電源的電壓+VS,這意味著VT2漏源間要承受很高且邊沿很陡的上升電壓,該上升電壓反向加在VT2管內(nèi)的快恢復(fù)二極管兩端,會使快恢復(fù)二極管出現(xiàn)恢復(fù)效應(yīng),即有一個很大的電流流過加有反向電壓的快恢復(fù)二極管。為了抑制VT2管內(nèi)的快恢復(fù)二極管出現(xiàn)這種反向恢復(fù)效應(yīng),在圖2電路中接人了VD11,VD12,VD13,VD14。其中,反并聯(lián)快恢復(fù)二極管VD11,VD14的作用是為電機(jī)AB相繞組提供續(xù)流通路,VD12,VD13是為了使功率MOSFET管VT1,VT2內(nèi)部的快恢復(fù)二極管不流過反向電流,以保證VT1,VT2在動態(tài)工作時能起正常的開關(guān)作用。VD19,VD20,VD21,VD22的作用亦是同樣的道理。
對圖2電路的分析可知,信號a=1,b=1的情況是不允許存在的,否則將因同時導(dǎo)通從而使電源直接連到地造成功率管的損壞;另外,根據(jù)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行脈沖分配的要求,VT1,VT2,VT3,VT4經(jīng)常處于交替工作狀態(tài),由于晶體管的關(guān)斷過程中有一段存儲時間和電流下降時間,總稱關(guān)斷時間,在這段時間內(nèi),晶體管并沒完全關(guān)斷。若在此期間,另一個晶體管導(dǎo)通,則造成上、下兩管直通而使電源短路,燒壞晶體管或其他元器件。為了避免這種情況,可采取另加邏輯延時電路,以使H橋電路上、下兩管交替導(dǎo)通時可產(chǎn)生一個“死區(qū)時間”,先關(guān)后開,防止上、下兩管直通現(xiàn)象。
結(jié)論
本驅(qū)動器電源驅(qū)動部分線路簡單,通過對電流前后沿的合理設(shè)計,降低了開關(guān)損耗,改善了電機(jī)的高頻特性,并具有多種保護(hù)功能,實(shí)際使用中效果良好。