基于VNH2SP30全桥驱动器的直流电机控制系统设计

刘青峰，王清亮，刘 立（四川压电与声光技术研究所，重庆，400060）



基于VNH2SP30全桥驱动器的直流电机控制系统设计

刘青峰，王清亮，刘 立
（四川压电与声光技术研究所，重庆，400060）

摘要：采用VNH2SP30全桥驱动器设计了高集成度的PWM控制的电机控制系统，设计了电机电流检测电路，并对检测电路进行了Spice仿真分析，对电机控制系统进行了试验，结果表明所设计的控制系统性能稳定，具有调速和方向控制、电流反馈控制的功能。

关键词：VNH2SP30；全桥驱动器；电机控制

0 引言

有刷直流电机采用永磁体建立磁场，不需要励磁电流，电机中省去了励磁回路，具有启动转矩大、制动及时、控制电路相对简单等特点，在伺服系统中永磁直流电机得到广泛应用。本文设计了以VNH2SP30全桥驱动器为功率变换器件的直流电机控制系统，实现对直流电机转速和转矩的PWM控制，采用电机电流检测电路判断电机是否堵转，给出了所设计的硬件电路，并进行了控制实验，实验结果表明所设计的控制系统具有良好的性能与实用。

1 系统组成与功能

有刷直流电机控制系统组成框图如图1，微控制器采用C8051F023混合信号单片机，具有10位SAR ADC用于电机电流数据采集，单片机生成PWM和电机方向控制指令。电机驱动器采用ST公司高集成度的VNH2SP30全桥驱动器，具有欠压、过压、过热保护功能，具有电机电流比例感应输出功能方便电流检测，具有自身故障诊断功能，在单片机的控制下实现直流电机的加减速、正反转、停转。电流检测电路将驱动器敏感到的电流放大到合适的电平输入给ADC，单片机采集到ADC数据后对电机进行闭环控制。

图1 电机控制系统组成

2 系统硬件电路设计

2.1 电机驱动电路设计

采用VNH2SP30全桥驱动器设计的电机驱动电路如图2。单片机输出的指令信号控制电机驱动器驱动直流电机。电源电压VCC为12V。INA与INB通过控制驱动器内部H桥功率MOSFET导通或截止来实现电机正转与反转。PWM控制信号频率可达20KHz，通过改变占空比来控制电机的转矩与转速。ENA和ENB为驱动器的故障诊断输出信号，驱动器正常工作时输出高电平，驱动器异常时：过热、输出端与电源端或地短路时输出低电平，当出现异常时，单片机通过监测ENA和ENB可以进行故障分析和定位。Q1为N沟道MOSFET，其栅极通过电阻R1连接至电源端，当加正向电压时Q1导通，驱动器上电工作；在电源加反时Q1截止，起到保护驱动器的作用。OUTA 和OUTB 为驱动输出端， 连接有刷直流电机的两个驱动端， 输出电流驱动电机工作。

图2 VNH2SP30-E电机驱动电路

2.2 电流检测电路设计

通常电机电流检测采用大功率电阻或霍尔传感器串联在电机回路中对电流进行检测。VNH2SP30全桥电机驱动器的SC为与输出电流成比例的感应电流输出，电机电流与感应电流比例系数K约为11000。电流检测电路如图3所示，R1为采样电阻。由于系统采用单电源+3.3V供电，选用的运算放大器为轨到轨输出放大器，将第一级运算放大器的同相输入端加上1.65V的偏置电压，第一级放大倍数为-1倍，C2和R2组成低通滤波网络滤除高频噪声。第二级采用输出电阻低的电压跟随器电路用于驱动ADC。ADC采用单片机自身的10位SAR ADC用于电流数据采集。所用的电机额定电压为12V，当电机正常运行时驱动电流为1.2A，CS脚输出比例电流约为0.12mA；当电机堵转时，电机驱动电流为5.8A，CS脚输出比例电流约为0.58mA，通过A/D采样监测到电机电流， 可以判断电机是否处于堵转。

图3 电机电流监测电路

ADC采样到的电压值Vo与电机电流Io关系如下：

3 硬件仿真

为确定电流检测电路参数是否合适，对电流检测电路用PSpice进行了仿真。仿真条件为：电机正常运行时CS脚输出比例电流为0.12mA，电机堵转时CS脚输出比例电流为0.58mA。仿真结果如下图5，电机正转时的波形为图中下部的曲线，电机反转时的波形为图中上部的曲线，中间直线为1/2电源电压值1.65V。从仿真结果可以看出，电流检测电路输出的电压值在电源与地范围内，没有失真。

4 试验结果

对所设计的电机控制系统进行加电测试，控制系统具有以下功能：

（1） PWM控制：微控制器输出PWM控制信号，设定频率为10KHz，通过调节占空比为0～100%，来控制电机的转速和转矩。

（2） 电机正反转控制：INA=1，INB=0时电机正转；INA=0，INB=1时电机反转。

（3） 电机电流检测：电机电流经过检测电路转化为电压值输入给ADC采样，电机正转、堵转、反转、堵转工作过程的电流经检测电路放大后的电压信号如图5，可以通过判断电压值的大小即电机电流的大小来判断电机是否处于堵转工作状态。

在使用VNH2SP30驱动器时，需要注意以下方面：

（1） 驱动器的散热问题。尽管驱动器有极低的导通电阻，如果散热处理不当，在电流较大时驱动芯片也会发烫，建议参考数据手册在电路板的顶层和底层加铜片进行散热。

（2） 在电机启动时，尽量使PWM的占空比较小，以免驱动芯片过流。

（3） 在电机启动、堵转、停止时会有较大的电流传导干扰，有时甚至会造成单片机复位，可以通过合理的接地技术来减小干扰，也可以在单片机与驱动器、电机之间用光电隔离的方案来消除传导性干扰。

（4） 驱动器的电源与地之间需要加一个大的去耦电容，10A的负载电流要求加500uF的电容，来为电机启动和停止时储存能量。

图5 电机正转、堵转、反转、堵转工作过程的电压信号

5 结论

基于VNH2SP30全桥驱动器的直流电机驱动系统，集成度高，具有欠压、过压、过热、短路等保护功能，PWM调速方便、电机正反转控制灵活，具有电机电流反馈控制功能，有良好的应用价值。

参考文献

［1］ （日）晶体管技术编辑部编，马杰译.小型直流电机控制电路设计［M］.北京︰科学出版社，2012.

［2］ 李艳文.基于VNH2SP30-E的电动车窗设计［J］.汽车工程，2008，第30卷第4期：360-363.

［3］林家泉.一种小型直流电机控制系统硬件设计方案［J］.自动化与仪表，2014，第11期：73-76.

［4］ 侯清锋.基于VNH3SP30的大电流直流电机驱动器的设计［J］.微计算机信息，2007，第23卷第10-1期：92-94.

图4 电机正转、反转电流检测仿真结果

Design of DC motor control systems based on VNH2SP30 H-bridge motor driver

Liu qingfeng，Wang qingliang，Liu li
（Sichuan Institute of Piezoelectric & Acousto-optic Technology，Chongqing，400060，China）

Abstract：By using full bridge power driver VNH2SP30，it was designed a high integration motor control system controlled by PWM.The motor current detection circuit was also designed.The Spice was used to simulate and analyze the detection circuit.The motor control system was tested，and the experiment results showed that the system was stable，and had the function of speed and direction control，current feedback control.

Keywords：VNH2SP30； full bridge driver； motor control