一种电流反馈型H桥有刷电机控制器
2021-12-20胡以瀚刘一锴张纯亚
胡以瀚 刘一锴 刘 坤 张纯亚
（1.中国电子科技集团公司电子第24研究所，重庆400060；2.上海无线电设备研究所，上海200000）
0 引言
随着小型化、高集成度的处理器技术在各行业中更为广泛的应用,电机驱动控制、传动等领域迎来了高速发展，形成了一门涉及多学科的驱动控制技术。本文介绍的一种电流反馈型H桥电机控制器可实现精确的位置、速度以及加速度控制，能够与信号处理单元、电机等构成一个趋于完整的运动控制系统，可应用于高精度、高性能的控制系统中。
1 方案设计
1.1 电路原理概述
脉冲宽度调制（又名PWM调制）主要指一种通过对某一特定的脉冲信号的脉冲宽度进行控制，经由控制后的脉冲波形，替代其前级输入的控制信号/波形，其输出脉冲信号的形状、幅值均可根据实际情况需要自动进行调整或者控制的一种技术[1]。采用脉宽调制技术来控制后级H桥电机,效率高、调速范围广,能够很方便地检测到流经电机时的电流量大小及运行方向。
闭环反馈控制,即控制量与被控对象之间,正向的控制作用与修正系统误差的信号并存的一种控制方式。例如，若一个反馈的信号和输入信号的极性方向相反或其变化的方向相对（反向）称为负反馈。但若一个反馈的信号和输出的信号相同或其他变化的方向一致（同向）则称为正反馈[2]。
H桥主要由4个N-MOS管与其驱动的电机构成。如图1所示，图中V1~V4分别代指4个MOS管，M代指直流电机，当H桥上V1、V4导通时，电流从功率输入电源的正极经过V1、M、V4流至功率输入电源的负极，此时功率输出端电机就会沿图示顺时针方向转动。如图2所示，当H桥上的V2、V3导通时，电流从功率输入电源的正极经过V2、M、V3流回到功率输入电源的负极，此时功率输出端电机沿图示逆时针方向转动。电机的转向主要是通过对H桥上相应MOS管的导通/关断进行控制，电机的转速取决于流经电机的电流大小。
图1 运行方向一
图2 运行方向二
1.2 总体设计
本文介绍的H桥有刷电机控制器，输入信号和电流反馈单元输出的反馈信号进入PWM调制单元生成控制信号；控制信号进入H桥驱动单元，与使能信号一起控制后级H功率桥上的MOS管开启/关断；分别驱动H功率桥上的四个MOS管输出一定功率驱动电机运转。整体方案框图如图3所示。
图3 整体方案框图
2 单元电路实现
2.1 PWM发生单元
本单元由反馈电压和内部生成的频率约25 kHz的三角波共同作用，生成具有一定占空比（0~100%）的互补式双路PWM控制信号，该信号会作为后级的驱动控制单元的控制信号输出。PWM信号发生原理如图4所示。
图4 PWM控制信号生成原理
2.2 驱动控制单元
本单元由前级输入信号输出相应的两组共4路控制信号用以驱动后级H桥上MOS管的开通/关断，以实现对直流电机转速、换向的控制。
控制单元的输出信号相比输入信号会存在延时，在该单元的输出不同程度的延时信号控制后级H桥上的MOS管开通/关断的情况下，可能会出现同半桥的高低边两个MOS管同时导通的情况，该情况出现会致使该半桥上两个MOS管因过流烧毁。为避免上述异常导通状态出现，在本单元的线路设计方面，在输出端通过设置在一个合理的死区时间来有效避免异常导通状况的出现。同时，为避免因控制电压过低等原因导致控制失效，确保对H桥上MOS管的开启/关断的有效控制，基于充电泵原理，增加一个自举电路的设计，以保证控制单元对于后级的有效控制。如图5所示，通过电容、二极管搭建了一个自举电路。
图5 驱动控制单元原理
2.3 电流反馈单元
电流反馈单元在本文所述的控制器电路中起到电流采样、反馈控制的作用。
该单元主要通过采样电阻对特定位置的电流进行采样，在采样电阻的两端输出一个反馈电压到后级，该反馈电压经过放大处理后再与PWM发生单元共同产生两个互补的PWM控制信号到后级，从而实现前文所述的控制功能，如图6所示。该单元在不同输入条件下的相应控制方式如下：
图6 电流反馈单元原理
当控制电压|Vcom|≥Io×R×5×3.33、Io代指电机流经指定输出位置的电流；R为具备大额定功率的电阻；Vcom为通过功率电阻的输出电压）时，PWM输入控制信号的占空比达到100%时，电机进入最高转速模式，流经电机的电流值的大小仅由电机等效负载值的大小决定；
当|Vcom|＜Io×R×5×3.33时，PWM控制信号占空比因受H桥单元输出端反馈至驱动控制单元输入端的负反馈信号影响，此时|Vcom|的值增大或减小，输出至后级的电流也会相应增大或减小，此时电机亦会同步加速或减速；
当Vcom=0时，PWM控制信号占空比变为50%，输出电流为0，电机停止转动。
3 结构设计
本文所述的一种H桥有刷电机控制器整体工艺结构设计采用厚膜/薄膜基板混合集成制备技术，如图7所示，版图设计方面在兼顾过大电流需求、基板可焊性、产品后续返工需求等因素，对版图设计制定了分板式的设计方案，其中针对放置大功率器件、有较高过流需求的基板，选用了目前应用较为成熟的一种具备较高热传导系数、良好可焊性的一种AlN陶瓷材质基板，并通过将该种ALN基板背面与本型号控制器订制的10#钢材料的金属外壳焊接在一起,大大提高了本型号控制器的热传导/散热能力。
图7 内部结构示意图
4 结语
本文设计的电机驱动控制器通过电流反馈控制的方法，实现对H桥有刷电机的驱动控制，具备平滑的双向调速功能以及更即时快速的反馈控制方式，可以广泛应用于调速驱动控制领域。相比较分立器件的搭建方式，本电路采用高集成度的控制芯片和周边辅助线路组合的设计方式，大大减小了整只电路的体积，减轻了电路的重量，同时也提高了整体电路系统的可靠性。
