特种机器人的低电压大功率电机驱动系统设计*

刘 雄，林茂松，梁艳阳

（西南科技大学 特殊环境机器人技术四川省重点实验室，四川 绵阳 621010）

现阶段电气系统抗核辐射的主要途径是使用铅屏蔽层将控制系统完全包裹起来,以达到屏蔽效果，通常铅屏蔽层厚度约为7 cm。考虑到使用该方式对其进行抗核辐射加固会导致机器人体积庞大且笨重，所以很有必要设计一款适用于核辐射应急处理机器人的底盘电机驱动系统。

[1]设计了一款输出功率可达9 kW的电机驱动器，但该驱动器使用了28 V/125 V DC-DC变换器，使得驱动器体积非常庞大，不适用于核应急处理机器人的底盘电机驱动。参考文献[2]和参考文献[3]均设计了一种输出电压为24 V、电流为10 A的驱动器，由于其输出功率过小，显然也都不能用于核应急处理机器人的底盘电机驱动。

针对上述问题，本文提出一种使用IR2184驱动且由并联MOS管搭建的H桥大电流电机驱动设计方案。本文针对驱动中的尖峰问题设计RCD吸收回路，并针对MOS并联中的局部过流问题设计均流保护电路，从而保证驱动器能可靠稳定地工作。

1 系统方案设计

本设计需要驱动的特种机器人重约850 kg，所以要求底盘电机的输出功率约为1 200 W，因此底盘电机驱动器的输出功率至少应为1 500 W。机器人只能由自身携带的电池供电，并且要求其机动性强、体积小，所以设计中需使用24 V电池为驱动供电。根据1.5倍峰值电流的标准[1]，本文需设计一个输出电压为 24 V、输出电流最大为100 A的驱动器。

驱动器的整体框图如图1所示，包括STM32最小系统、串口模块、DC-DC隔离电源模块、状态指示模块、电机驱动电路和RCD吸收电路。

图1 驱动器方案模块图

2 硬件电路设计

本设计以STM32为控制核心，产生PWM波控制栅极驱动芯片IR2184，进而驱动由NMOS并联搭建的H桥。同时本设计使用RCD吸收电路吸收电机启停中的尖峰，均流保护电路使得并联MOS管间的电流尽量均衡。

2.1 驱动电路设计

在 H桥中，要使 NMOS管完全导通，要求 VGS＞10 V。对于下桥臂，直接加10 V以上的电压就可使NMOS导通；但对上桥臂，要使NMOS导通，就必须满足VG＞VSS+10 V。因此必须使用浮动栅极驱动，才能使得上桥臂导通。栅极驱动芯片IR2184是悬浮栅极驱动芯片，具有自动死区时间控制，所以本设计使用其作为NMOS的驱动芯片。

图2是IR2184的自举驱动电路，由2片IR2184驱动一个由IRFP3206构成的H桥电路，实现对电机的正反转控制。其中，PWM1、PWM2是 STM32产生的 PWM经光耦隔离之后用来进行电机速度控制的信号；D1～D4为泄放二极管，作用是在没有栅极驱动信号时迅速泄放掉输入电容中的电荷；D5～D8为 12 V的稳压二极管，用作钳位，以确保VGS电压正常，进而保证MOS管驱动正常；D11～D14为续流二极管，用于增加MOS管的续流能力；R9～R12为下拉电阻；C3～C6为电源滤波电容，用于维持IR2184电源的稳定。

C1、C2为自举电容，D9、D10为自举二极管。参数选择如下[4]：

(1)自举电容的电容值选取

在本设计中，自举电容的容量由式(2)决定，根据IRFP3206的数据手册知，Qg=170 nC，IGSS=100 nA。同时在本设计中 VCC=12 V，Vf=1.3 V，VLS=0.7 V，QIS=5 nC，f=1 kHz，于是 C1、C2的最小值为 1.2μF，故本设计中使用3.3μF的钽电容。

其中，Qgs是自举电容应该提供的最小电荷，Qg是高端MOS管的门电荷，f是工作频率，VCC是逻辑电路部分的电源电压，Vf是自举二极管的正向压降，VLs是低端MOS管上的压降，QIS是每个周期的电平转换所需要的电荷。

(2)自举二极管的选取

自举二极管必须能够承受线路中的所有电压，所以本设计中自举二极管的耐压值最小应该为35 V，而该二极管的电流额定值由式(3)决定：

同时，为了减小由自举电容馈入电源的电荷，应选用超快速恢复二极管。在本设计中，Qgs=345 nC，f=1 kHz，计算得自举二极管的额定电流为0.4 A，SS24是耐压为35 V、额定电流为1 A的超快速恢复二极管，能满足本设计需求。

2.2 RCD吸收电路

在驱动的实际测试过程中发现，在电机启停时，驱动器输出端有较大冲击电压，有时甚至高达60 V，这个电压可能将MOS管击穿，所以必须使用RCD吸收电路来滤除尖峰。在如图3所示的电路(省略驱动电路)中，将RCD吸收电路并联在MOS管的漏极和源极之间，以保证驱动器更加稳定可靠地工作。

图3 保护电路设计

RCD吸收回路中的主要器件是电容，为了保证驱动电路中电感尽可能小，本设计使用等效电感比较小的CBB电容，其电容值可由式(4)得到[5]。在本设计中，ID=43 A，VDS=24 V；由 IRFP3206的数据手册知，tr=0.082μs，tf=0.083 ns，VDS=0.13 V，于是 CA约为 0.3μF，在本设计中吸收电容的容值为1μF。

其中，CA为吸收回路中电容的容值，单位为μF；ID为单个MOS管的最大输出电流，单位为A；VDS为驱动电压，单位为 V；tr为最大漏极电压上升时间，单位为 μs；tf为最大漏极电流下降时间，单位为μs。

电阻值的选择应保证电容在每次导通时间内可放电完毕，同时必须限制放电电流，即满足式(5)。在本设计中，ton=1 ms，CA=1 μF，VCC=24 V，ID=43 A， 于是 RA的取值范围为0.14～330Ω，在本设计中取RA=15Ω。

其中，RA为吸收电路中电阻的阻值，单位为Ω；ton为导通时间，单位为 μs；CA为吸收回路中电容的容值，单位为μF；VCC为驱动器的动作电源电压，单位为V；ID为表示最大驱动电流，单位为A。为避免由反向恢复引起震荡而产生的过电压，吸收电路中的二极管DA应该选择正向导通电压低、反向恢复时间短的二极管，在本设计中使用SS24。

2.3 MOS管并联设计

所有并联的MOS管导通时的管压降是相同的，必然是饱和电压小的MOS管先流过较大的电流。由于功率MOS管的通态电阻RDS(on)具有正温度系数，因此，从原理上讲，MOS管具有电流自动均衡分配的特性，是很适合并联的[6]。

图4所示为MOS管并联示意图（忽略2184驱动和RCD吸收电路），在本设计中采用3个MOS管并联的方式驱动电机。为抑制栅极震荡，每个MOS管都使用独立的栅极电阻；为保证各并联MOS尽可能地热耦合，并联的MOS安装在同一片散热片上；为保证MOS管并联驱动效果，MOS管尽量选择性能接近的同一批次MOS管。

图4 MOS管并联驱动示意图

多管并联的理想情况是并联的MOS管同时通断，如果电流分配不均，导致管压降小的MOS流过的电流过大，其必然会被烧毁，其他MOS管也难以幸免。为了保证并联MOS管间尽可能均流，在本设计中采用对每个MOS管单独限流的方式来限制其流过的电流[6]。如图4所示的电路，在每个MOS管组中串联电流检测用的锰铜采样电阻 R10、R20、R30，其电阻值为 2 mΩ，经线性光耦模块后将 AD1、AD3、AD5接到 STM32单片机的 AD引脚上，用作电流反馈。在本设计中，采用3个MOS管并联，最终驱动器的最大驱动电流为 100 A，由式(6)可算得每个MOS管的电流保护点Ip=43 A。

其中，K为1.3，IMAX为驱动器输出的最大电流，N为并联MOS管的数量。

在如图4所示的电路中，如果HO输入一定占空比 PWM信号后，Q1、Q5、Q9都导通，而且流过每个MOS管的电流都在Ip范围内。此时增加PWM的占空比，假设此时流过Q5的电流已超过Ip范围，则会产生过流信号限制PWM的继续增加，由于MOS管的自动均流特性，Q1、Q9的电流会增加，同时 Q5的电流减小，小于Ip电流保护点，则过流信号消失，PWM的占空比就可以继续增加。以后一直重复以上过程，直到达到新的电流平衡为止，最终实现驱动器输出电流为100 A的目的。

3 实验验证

(1)RCD吸收电路验证

如图5所示，在没有RCD吸收电路时，随着PWM占空比的增加，尖峰电压迅速增加；使用RCD吸收电路后，尖峰电压没有明显变化。实验表明，本文设计的RCD吸收电路能基本吸收尖峰电压，并将其控制在30 V以下，这样对MOS管的冲击较小，MOS管能更稳定地工作。

图5 RCD吸收电路性能测试

图6 输出特性曲线

(2)驱动器输出特性验证

为了测试驱动器的实际输出性能，本文选用淄博惠康微电机公司生产的J130ZYT66PX36A3直流力矩电机进行了实际测试。如图6所示，本文设计的驱动器在水泥场地上输出的最大电流已超过100 A，且MOS管温升不明显。

本文使用RCD吸收回路削弱了电机启停过程中产生的尖峰，将尖峰控制在30 V以下；同时使用均流保护电路很好地解决了并联MOS管局部过流的问题，从而达到了驱动电压为24 V时，持续驱动电流达100 A的目的。实验表明，本文提出的使用IR2184驱动由并联MOS管搭建的H桥的设计实现了对项目中核应急处理机器人的稳定可靠控制。

参考文献

[1]黄伟君.双凸极永磁电机恒速系统的研究[D].南京：南京航空航天大学，2006.

[2]余晓填，杨曦，陈安.基于移动机器人直流电机驱动电路的设计与应用[J].微电机，2011，44(11)：37-38．

[3]陈曦，隋龙.低电压大功率直流电机驱动器[J].电机控制与应用，2009，36(12)：10-13.

[4]International Rectifier.应用指南AN-978“高压悬浮门驱动IC”[EB/OL].(2013)[2013].http：//www.irf.com/technical-info/appnotes/an-978c.pdf.

[5]春兰.独立运行光伏发电系统功率控制研究[D].呼和浩特：内蒙古工业大学，2007.

[6]陈毓辉.功率MOS管并联方法的研究[J].自动化技术与应用，2012，31(5)：72-76.