（微电子学与固体电子学专业论文）桥式pwm驱动电路的设计.pdf

摘要 摘要 智能功率集成电路( s p i c ) 实现了功率化的集成电路，使功率与信息控制统 一在一个芯片内，具有广阔的应用前景，它在航空航天、军事、汽车电子、工业 自动控制、消费电子等各个领域中都得到成功地应用。随着技术的进步，可以预 期在不远的将来，智能化的功率集成电路会和其它电路集成在一起，构成p s o c ( p o w e rs y s t e mo nc h i p ) 。 h 桥功率驱动器来源于纵向项目，作为一种典型的智能功率集成电路，它呵 广泛应用于直流和步进马达驱动( s t e p p e rm o t o rd r i v e ) 、位置与速度伺服系统、工 业机器人、各种数控设备、打印机和绘图仪中。论文中的全桥p w m 功率驱动器， 采用b c d 工艺，输入电压范围可达6 0 v ，连续输出电流为2 a ，导通电阻为o 3q ， 具有欠压封锁、过压保护、过温保护、过流保护、电流取样等功能，内置死区时 问产生电路，输入电平与t t l 兼容。 基于电机的工作及其控制原理对电路进行总体设计，确定了全桥p w m 驱动器 的功能模块及模块之间的功能衔接，重点进行了电流取样电路、比较器电路、过 温保护电路和过流保护电路的设计。在完成电路结构设计的基础上，根据器件仿 真得到的模型，利用e d a 工具进行电路仿真及容差分析，验证设计的f 确性，确 保电路能够满足性能指标要求。 在设计电压和电流比较器时，鉴于简单的比较电路易受到噪声等影响而使输 出不稳定，将正反馈的原理应用于比较电路中，既加快了转换速度又使其在负方 向变化时产生一定的迟滞，从而避免了噪声等环境的不稳定性引起的开关振荡。 仿真结果表明，具有滞回功能的比较器相对于简单比较器可以得到更为稳定快速 的输出电压和输出电流。电流取样电路采用电流模式实现，是h 桥驱动器中的一 个有特色的电路，与传统的电压模式相比，更有利于提高系统的稳定性。 在完成版图设计与验证的基础上进行了流片，测试结果表明基本达到了设计 要求。 关键词：全桥驱动，脉冲宽度调制，比较器，滞回，电流取样 a 6 s 0 口c f a b s t r a c t s m a r tp o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t ( s p i c ) e n h a n c e st h ep o w e rg a i no fi n t e g r a t e d c i r c u i t sb yh 0 1 d i n gt h ep o w e ra n di n f b 肿a t i o no nas i n g l ec h i p i te m b r a c e saw i d e s p e c t m mo fi n d u s t r i a lc o n t r i b u t i o n si nt h ea r e ao fa c r o n a u t i c sa n da s 圩o n a u t i c s ，m i l i t a r y a u t o 王n o t i v ee l 打o n j c s ，a u t o m a t i o nt e c h n o l o g i e s ，a n dc o n s u m e re l e c t r o n i c s w i t h 亡h e a d v a n c e so ft h et e c h n o l o g y ，s p i cw i l lf o r mt h ep o w e rs y s t e mo nc h i p ( p s o c ) t o g e t h e r w i t ho t h e rt y p e so fi n t e g r a t e dc i r c u i t si naf o r e s e e a b l ef m u r e t h e 血l l 雠d g ep u l s ew i d t hm o d u l a t o r ( p w m ) d r i v e ri s at y p i c a ls m a r tp o w c r i n t e 掣a t e dc i r c u i td e s i g i la d o p 廿n gb c dt e c l l f l 0 1 0 9 y i ta c c e p t sa ni n p u tv o l t a g er a n g e u pt o6 0 va n dg i v e sas e r i a lc u r r e n to u l p u to f2 aw i t l la no nr e s i s t o ro fo 3 q i tf b 砒u r e s i nl a t c h - u pa tl o w - v o l t a g e ，p r o t e c t i o na g a i n s to v e n r o h a g e ，o v e r h e a ta n do v e r c u r r e n t ，a s w e l la sc u r r e n ts e n s i n g 1 1 l ed r i v c rc a nb em a s s i v e l yb m u g h ti n t od i r c c ta n ds t e p p e r m o t o rd r i v es y s t e m s ，p o s i t i o na i l ds p e e ds e c r i n gs y s t e m s ，i n d u s t r i a lm b o t s ，n u m e r i c a l c o n t r o le q u i p m e n t s ，p r i n t e r s 肌dg r a p h j cp l o t t e r s t h eg e n e r a ld e s i g no ft 1 ec i r c u i t si sb a s e do nt l l em e o r i e so fo p e r a t i o na i l dc o m r o l o fe l e c t r i c a lm a c h i n e s t h ef u n c t i o n a lm o d u l e sa 1 1 dt h ef u n c t i o n a l i t yc o m b i n a t i o no f m e ma r ed e f i n e df o rt h em l l b r i d g ep w m “v e le m p h a s i so ft 1 1 ep r o c e s sl i e si nt t l e d e s i g no fc u r r e n ts e n s i n gc i r c u i t s ，c o m p a r a t o rc i r c u i t s ，p r o t e c t i o nc i r c u i t sa g a i n s t o v e r 、，0 1 t a g e ，a n dp m t e c t i o nc i r c u i t sa g a i n s to v e r c u r r e m a c c o r d i n gt om eg e n e r a l s n l l c t u r eo f t h ec i r c u i t sa n de m u l a t i o no f d e v i c e s s i m u l a t i o n so f t h ec i r c u i t sa ：n dd e v i c e s t o l e r a n c ea r ec a r r i e do u tw i t he l e c 仃o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ( e d a ) t o o l st ov e r i f yt h e c i r c u i t sd e s i g n 柚de i l s u r et l l a tm ec i r c u i t sm e c t 廿l ep e r f o r r n a 芏l c er e q u i r e m e n t s n o h n a lv o l t a g ea n dc u r r e n tc o n l p a r a t o rc i r c u i t sf 如eu n s 诅b l eo u t p u t sd u et ot h e f a c tt h a tc o m p a r a t o rc i r c u i t sa r es e n s i t i v et on o i s e b y 印p l y i n gp o s i t i v ef e e d b a c kl o o p i n t ot h ec o m p a r a t o rc i r c u “st h et r a i l s i t i o ni s a c c e l e r a t e d ，m e a l l w h i i eah y s t e r e s i si s g e n e r a t e da c c o n l p a 工l y i n gt h es t a t ec h a l l g e st on e g a t i v ed i r e c t i o nw h i c hs i g l l i f i c a n t i y r e d u c e st h es w i t c ho s c i l l a t i o ni m p o s e db yn o i s ea n ds u c he x t e m a lf a c t o r s t h e s i m u l a t i o n sg i v ee v i d e n c et t l a tc o m p a r a t o r 谢mh y s t e r e s i se x c e e d ss i m p l ec o m p a r a t o r s b yp r o d u c i n gm o r cs t a b l ea i l df a s t e ro u t p u tv o h a g ea n dc u r r e n t t h ec u r r e n ts e n s i n g t l a b s t r a c t c i r c u i t sw h i c hc a nb ec a t e g o r i z e di n t oh - b r i d g ed r i v e r sa r ec h a r a c t e r i z e db yc u r r e n t m o d e l c o m p 嘶n gt oc o n v e n t i o n a lv o l t a g cm o d e l ，c u r r e n tm o d e lh e l p st oi m p m v et h e s t a b i l i t yo f t h es y s t e mt oal a 喀ee x t e n t t a p e o u ti si m p l e m e n t e du p o nt 1 1 ea c c o m p l i s m e n ta n dv e r i f i c a t i o no ft h ec i r c u i t s d e s i g n t e s t i n gr e s u h sm a t c ht h es y s t e mr e q u i r e m e n t ss p e c i f i c a t i o n k e y w o r d s ：剐1 b d d g ed r i v e r ，p w m ，c o m p a r a t o r h y s t e r c s i s ，c u r r e n ts e n s i n g i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：圃叠塾日期：加# 年6 月j 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：厘叠塾 第章引言 第一章引言 2 0 世纪后期电子技术( 包括大规模集成电路技术、电力电子技术和计算机技 术) 的飞速发展以及现代电机控制理论的完善，仿真工业的曰渐成熟，极大推动 了作为机电能量转换的基本单元电动机控制技术的发展，这种发展对各行备、l p 的 影响是巨大的。当代电机工程师不仅要在电机方面，还必须在控制方面进行创新， 以满足市场对电动机应用提出的千变万化的需求。 1 1 课题背景与研究意义 本课题研究的全桥功率驱动器来源于纵向项目，可广泛应用于工业自动化、 医疗和办公设各等需要步进电机和有刷直流电机作为执行机构的伺服控制系统 中。目前市场上有很多种电机驱动的集成电路，效率高、电路简单、使用也比较 广泛，但是其驱动方法大多与全桥式驱动一样。p w m 控制方法配合桥式驱动电路， 是目前直流电机调速最普遍的方法。 马达驱动器为许多产业的核心技术之一，全球消费类驱动市场需要各种各样 的电动机及控制它们的功率器件。据世界卫生组织的资料显示，世界各国耗用在 马达驱动器方面的电量比例占总发电量的6 0 、7 0 ，马达驱动功率小至数瓦、 大至百万瓦，涵盖咨询、家电、军事、工业等场合，足可见马达驱动技术的重要 性。步进马达的驱动一直是一个热门的话题，如何使用好步进马达，使其发挥出 最大的能力，是所有利用步进马达开发新产品的技术者们利电子产品维修人员共 同关心的问题。先进国家已积极发展发达驱动器的i c 化技术，特别适用于电脑 周边设备、家电产品等”l ，马达驱动器i c 化也是未来发展趋势。 电力电子技术是电机控制技术发展的晟重要的物质基础，电力电子技术的迅 猛发展，促使了电机控制技术水平有了突破性的提高。电力电子技术、功率半导 体器件的发展对电机控制技术的发展影响极大，它们是密切相关、互相促进的。 从2 0 世纪6 0 年代第一代电力电子器什晶闸管( s c r ) 发明至今，已经历了第二代 有自关断能力的电力电子器件g t r 、g i d 、m o s f e t ，第三代复合场拧器件i g b t 、 s i t 、m c l 等，和如今【e 蓬勃发展的第四代产品功率集成电路( p i c ) 4 。但每一 代的电力电子元件也未停顿，多年来其结构、工艺不断改进，性能有了飞速提高， 代的电力电子元件也未停顿，多年来其结构、工艺不断改进，性能有了飞速提高， 电子科技大学硕士学位论文 在不同应用领域它们在相互竞争，新的应用不断出现。 执行电动机与电气电子控制技术发展紧密联系【5 l 。早期，军事工业需要精密、 可靠的电气电子控制装备，开始采用伺服控制系统。在伺服控制系统中，伺服电 动机是该系统的执行电动机，也是其主要组成部分。随着军事电子装备的发展， 以及民用电气控制的需要，伺服控制、数字控制、运动控制就不断的兴起，执行 电动机作为新类型的电动机或控制元件迅速的成长和发展。当前，科技迅猛发展、 国民经济高速增长以及数字控制、运动控制、伺服控制等技术在国民经济及国防 建设中所起作用越显重要的时候，执行电动机技术迅速地发展，出现不少新型执 行电动机以及电气电子控制方法与产品，上述电动机和电气电子产品广泛应用于 国民经济、国防建设等各个领域中。 为了适应电子机械高性能、小型化、低成本和高可靠性的要求，从8 0 年代开 始，各国半导体厂商不断开发出各种功率集成电路，并已在许多领域得到越来越 广泛的应用【6 】。功率集成电路是电力电子技术和微电子集成技术的结合。他将半导 体功率器件与驱动、逻辑、控制、检测、自诊断、保护电路集成在同一个芯片上 或一个混合模块里，从而使功率器件注入了智能，故又称为智能功率集成电路 ( s m a np o w e rl c 或i n t e l l i g e n tp o w e ri c ) 。现在，各大半导体厂家都生产这种集 成的步进马达驱动用混合电路。这些混合电路驱动步进马达所需的大部分电路做 进i c 的内部7 ，使用一片混合电路加少许外围器件，占用很少p c b 板面积，就能 完成步进马达的驱动电路的设计【8 j 。这种设计方式快捷、简单，得到大部分步进马 达驱动电路设计者的欢迎一j 。 与分立功率器件组成的驱动控制电路相比，智能功率集成电路有如下优点： ( 1 ) 以较小的体积和重量，包含更多的功能；对电机控制来说，有可能将整个控 制驱动器装入电机内部，形成一个真砸的电子电机【1 “。( 2 ) 由于控制电路和功率 电路同在一个芯片上或一个封装内，电流检测和温度检测与监控更易实现。( 3 ) 同样，特别是在采用高频调制控制时，由于单片结构，外连接线大大减少，减少 了信号传输时延，消除了分布电容和分布电感的影响，也降低了电磁干扰。( 4 ) 使制造商可以经济地附加较多的功能，如过电流、过电压、欠电压、过热的保护 功能，内部定时、基准信号、电平移动等功能；如果这些功能用分立元器件完成， 系统成本增加要大的多。( 5 ) 芯片内部设置自诊断电路，报警、标志电路，有利 于可靠性的提高；大量分立单元器件由集成电路代替，元器件数量大幅度减少， 明显提高控制系统的可靠性。( 6 ) 采用集成制作工艺，可大批量生产，有利于降 低成本。( 7 ) 采用优化了的控制电路、基极( 栅极) 驱动电路集成，使用户免去 2 第一章引言 电路设计及参数调整工作，对普及新型控制技术，加快新产品开发，带来明显的 效益。 本课题设计的低压大电流全桥p w m 功率驱动器是一种典型的智能功率集成 电路( s p i c ) 。它不仅集成了d m o s 功率器件与b i c m o s 控制电路，而且也集成 自动检测及保护电路，使其具有短路、过热、过流、欠压等保护功能及自我诊断 功能，具有体积小、重量轻、效率高、可靠性高、成本低等优点。广泛应用于直 流和步进马达驱动、位置与速度伺服系统、工业机器人、各种数控设备、打印机 和绘图仪等军民两用领域。 1 2 驱动电路的发展与挑战 2 0 世纪后期的电子技术( 包括大规模集成电路技术、电力电子技术和计算机 技术) 的飞速发展以及现代电机控制理论的完善，仿真工业的目渐成熟，极大地 推动了作为机电能量转换的基本单元电动机控制技术的发展，这种发展对各行各 业的影响是巨大的。如今，电子技术、计算机技术和电机控制技术相结合的趋势 更为明显，促进电机控制技术以更快的速度发展着【l “。进入2 1 世纪后，可以预期 新的更高性能电力电子器件还会出现，已有的各代电力电子元件还会不断地改进 提高。除此以外，一个新的发展动向值得注意，这就是大功率半导体元器件向集 成化、智能化方向发展，智能功率模块( i p m ) 是向第四代器件功率集成电路( p i c ) 发展的过渡产品，它是微电子技术和电力电子技术相结合的产物，它不但提供一 定的功率输出能力，并且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断等功能。 它内含驱动电路、保护电路，可实现过流、短路、欠压和过压等保护，还可实现 电机的再生制动。外界只需提供p w m 信号给智能功率模块，就可以实现以往复杂 的主电路及其外围电路的功能i l 2 1 。 各国当前生产的功率集成电路，按输出耐压和电流能力口引，可以分为三大类： ( 1 ) 低耐压、大电流i c ，如汽车电子驱动高侧功率开关、稳压器电源i c 、步进 电机驱动用i c 、打印机电动机g 区动用i c 。( 2 ) 高耐压、低电流i c ，如电子照明光 源、等离子显示屏、真空荧光显示等平板显示屏驱动用i c ，程控交换机电路用i c 等。( 3 ) 高耐压、大电流i c ，如开关电源1 c 、家用电器和电动机驱动用i c 、汽车 点火器用i c 等。耐压1 0 0 v 以下的低压功率集成电路，常采用双极型功率器件结 构，可采用廉价的d i p ( 双列直插式封装) ；而1 0 0 v 以上的必须采用高压器件， 注意解决好电气和热绝缘问题，使用较大功率的封装方式，如t o - 2 2 0 或s i p ( 单 鱼王登堇盔兰堕堂焦丝塞 列塑料封装) ，或其他专门的封装方式。美国t i 公司推出的逻辑及功率驱动电路 是由8 个d m o s 功率管与c m o s 逻辑电路制成一体的，既具有逻辑功能又具有8 路功率输出。国际整流器公司( i r ) 推出i r 3 1 0 1 高性能集成半桥式逆变器，专攻 家电中的电机驱动应用。a p e x 公司的m s a 6 6 是一种全桥、4 象限p w m 放大器。 m a x 5 0 6 9 是m a x i m 最新推出的双输出、高频、电流模式p w m 控制器，用于电信 设备的隔离型d c d c 转换器设计或通用的离线式a c a c 电源设计。 f a n 8 2 0 0 ，f a n 8 2 0 0 d 足美国快捷半导体公司设计生产的低电压低饱和压降单片式 步迸电机驱动器集成电路，它带有双路h 桥和两个独立的垂直p n p 功率管，可用于 两相步进电机驱动系统。a 1 l e g m 微系统公司设计的a 3 9 7 2 s b ，通过串行接口，可 编程内部固定关机时间的p w m 电流控制定时电路，使其工作在慢速、快速和混合 电流衰变模式。从上面的分析可以看出，国外所采用的继承技术涉及导微电子技 术、集成电路加工技术、电力电子技术的前沿，因此，到目前为止，国内尚无此 类定型产品。 s p i c 总的技术发展趋势是功率更大、速度更快和功能更全【1 4 j 。目前s p i c 的 主要研究内容为：针对包括多个大功率器件的单片s p i c 的研究；能在高温下长时 间工作的s p i c 的研究，以便将其直接嵌入设备内：高成品率、低成本s p i c 工艺 的研究；大电流、高速、m o s 栅控制并有自保护功能的横向功率器件的研究。s p i c 的下一个目标是将多个高压大电流功率器件与低压电路集成在同一芯片上，使之 具备系统功能，进而实现单片式功率系统的集成。东芝公司己研制成功用于 a c 2 2 0 v 的5 5 0 v 1 a 三相逆变器i c ，其芯片面积仅2 6 m m 2 ，但高度智能化。该i c 由六个l l g b t 和高速软恢复二极管( s f d ) 组成逆变电路，有高低端驱动电路、 电源电路、2 0 k h z 振荡器、p w m 控制电路、过流保护电路、过热关断电路和启动 限流电路。 1 3 课题研究的内容 课题旨在设计出一种采用全桥p w m 控制方式，既可用于开环控制又可用于闭 环控制的直流及步进电动机位置及速度控制的h 桥功率驱动器，将对电机的驱动、 控制、保护、反馈取样功能集成于同一芯片中，完成从器件、工艺、电路、版图、 流片到封装测试。重点是电压比较电路、各种保护电路( 过温、过流、欠压保护) 、 电流取样电路的设计。 第一章简单介绍了h 桥驱动电路的发展以及研究此课题的意义。 第一章引言 第二章从分析步进电机驱动控制理论出发提出了h 桥功率驱动器整体设计思 路及性能指标参数，并根据整体电路所要实现的功能进行单元电路划分。 第三章根据单元电路功能及其性能指标设计具体电路，着重对比较器电路、 过温保护电路、过流保护电路、电流取样电路进行了研究。从理论上分析了正反 馈应用于电流和电压比较电路中所产生的双稳态过程及迟滞数值计算：相对于传 统电压模式的电流取样，采用电流模式( 第一代电流传输器) 实现的电流取样更 有利于提高反馈系统的稳定性。 第四章整体电路仿真，着重验证第三章中所设计的子电路( 比较控制逻辑、 过温保护、电流取样电路) 在整体电路中的性能指标参数。 第五章版图的设计、验证，分析流片后测试结果。 第六章总结所做工作。 电子科技大学硕士学位论文 第二章电机驱动器总体电路分析与设计 首先从分析电机工作原理和驱动控制方式着手，确定在设计中采用全桥p w m 方式对电机进行转速及方向控制；然后根据电机驱动控制的构成进行整体电路设 计，结合本课题所要完成的功能划分出各具体功能模块并分析其所用到的基本原 理电路；最后给出了总体电路的功能框图和性能指标。 2 1 电机全桥p w m 驱动控制原理 1 电机工作原理 虽然直流电动机的品种很多，但是其工作原理和特性都是一样的，只是结构 形式不同，基本组成相同。所谓直流电动机，实际上是指电源是直流的，而在电 枢绕组中流过的电流却是交流的，它利用换向器和电刷降直流电源的电流引入电 枢绕组，并实现换向。直流电动机的转速n 和其他参量的关系可表示为1 5 】 n ：坚二叠堡f 2 - 1 1 中 由式( 2 - 1 ) 可以看出，式中k 、胄。、巾三个参量都可以成为变量，只要改变其 中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：( 1 ) 改变电枢回路总电阻月。；( 2 ) 改变电枢供电电压k ；( 3 ) 改变励磁磁通中。 步进电动机工作原理控制绕组通断电状态的改变，是由外加输入脉冲通过驱 动电路来实现的。每当外电路送入一个脉冲，控制绕组的通断电状态改变一次， 与此对应，步进电动机降转动一个步距角。因此，步进电动机转过的步距角数， 等于外加的脉冲数。所以步进电动机的平均转速 月：堕f 2 _ 2 1 月= o 一 【z z l zr m d 式中，厂表示控制脉冲重复频率( h z ) 。 步进电动机的平均转速还可以用步距角来表示【1 5 1 n = 筹罴= 等筹= 吾屏 ， z 聊。3 6 03 6 0 互卅 6 ” 、 第二章电机驱动器总体电路分析与设计 从式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 可见，步进电动机的平均转速与厂或屁成正比，即步进电动 机的平均转速取决于外加控制脉冲的重复频率，；改变脉冲重复频率，就可以改 变步进电动机的转速，很方便地实现无极调速。同时，只要改变通断电状态的顺 序，就可以实现步进电动机的逆转。 2 电动机驱动控制原理 1 ) p w m 控制原理i l 刨 p w m 控制就是周期t 固定不变，根据输入信号大小，改变脉冲的占空比，即 改变加在负载上的平均电压值，从而控制电机的转速，所以称为脉宽调制| 】”。对 于图2 1 所示的电路，开关管v f l 加脉宽调制信号。当r ( 0 ，) ，v f l 饱和导通， 电枢与虬接通，由于 e ，电流按指数规律上升，电机将电能转换成机械能传 递给负载。同时电流增加，电枢电感储能工芒2 ) 增加。在r ( ，r ) 时间，v f l 截 止，u 。被断开，这时，电机的自感电势p ：= 一k ( 疵衍) 通过二极管d l 将维持续 流，电机消耗存储的磁能，电流衰减。 d 1 u s 0 u 3 o u i 一r nr j l ， - i 【 u - r n u 。 - - 1 _ 1 - r 刊 r l 卜t l t 图2 - l 简单的p w m 开关调速方式 2 ) 电动机的主要驱动方式1 8 j 为了控制电动机，需用半导体功率器件进行驱动。按照相控制绕组流过的电 流是单向的还是双向的，可将电动机分为单极性和双击性驱动。 单极性驱动：当电动机只需要单方向旋转时，可将电动机和一个电阻器串连， 再连接到直流电源，调节电阻器阻值即可控制电动机转速。另一个方法是使用单 个开关驱动、斩波控制的电路，如图2 2 ( a ) 所示，只需要一个功率开关管v f 和一 个续流二极管v d 。当v f 导通( o n ) 时，电流上升。当v f 截止( o f f ) 时，电 动机与二极管v d 组成续流回路，在反电动势作用下，电流续流并逐渐下降。改 电子科技人学硕士学位论文 变开关占宽比，调节电动机端电压平均值，即调节流过电动机的平均电流，从而 可进行调速。由于电流单向，转速方向不变，故此电路称为单极性斩波电路。它 只在单象限工作，无制动状态。 双极性h 桥驱动：双极性驱动方式时，相电流在同一绕组中有两个流动方向， 其绕组利用率高，输出转矩大，但与单极性绕组相反，驱动电路复杂，成本高。 若要求被控电动机可在双方向工作，即能正反运行，可采用t 型主电路或h 桥主 电路驱动【1 9 j ，最常见的集成电路驱动双向工作的是h 桥方式【20 1 。图2 2 ( b ) 所示的 h 桥结构( 又称全桥结构) ，它需要两个半桥驱动器，由四个功率开关和四个续流 二极管组成。利用h 桥驱动电路和p w m 控制实现对直流电动机正反两个方向的 调速和伺服控制。双极方式的特点是四桥臂对角线两组开关分别控制，v f l 和v f 4 为一组同时导通或关断，v f 2 和v f 3 为一组，也同时导通和关断，在任一时刻最 多只允许有一组是导通的。最简单的控制是，在一个开关周期内，首先是第一组 ( v f l 和v f 4 ) 导通，电动机两端a 和b 施加正向电压，然后转变为第二组( v f 2 和v f 3 ) 导通，电动机两端施加反向电压。由此两种状态所占时间份额多少决定 平均电压是正还是负，平均电流是正向还是反向。当两种状态相等时( 1 ：1 ) ，相当 于平均电压为零，电流的平均值也为零，电动机停转。双极方式存在可能出现上 下桥臂直通问题。为此两状态之间插入“死区”状态，即短时间四桥臂都截止的 状态，此时由于电枢电感储藏着能量，将维持电流在原来的方向上流动。 f a ) 单极性驱动 图2 2 电机的两种驱动方式 ( b 1 双极性全桥驱动 箜三重塑垫坚垫墨璺签鱼堕坌堑量塑生 2 2 总体电路分析与设计 在确定了电机采用全桥p w m 进行驱动控制的基础上，对驱动器进行总体电路 漫计，分析各具体功能模块及其工作原理。 2 2 1 电机马区动控制的构成 全桥功率开关常用于可逆直流电动机、音圈电动机、步进电动机相绕组的双 极性驱动。 驱动器是指与电动机绕组相连接的功率驱动电路。它主要是由功率开关和续 流等电路组成，实现电能的转换和能量回溃。控制器是指开关电动机的大脑指挥 部分。它综台电动机的转子位置、转速、电流及外部指令等信息，通过信息处理， 向驱动器发出一系列执行命令，以调节电机的运动。电机控制系统功能框图如下 图2 3 所示，虚线框内为一般驱动器中所集成的功能单元1 5 】。 图2 - 3 电机控制系统功能框图 智能功率开关包含有单个功率开关、缓冲驱动电路、控制电路和保护电路。 它接受低电平控制信号来控制末级功率开关。由开关与电源高电位或低( 地) 电 位的相对关系，可分为高侧( h i 曲s i d e ) 开关和低侧( 1 0 w - s i d e ) 开关。输出功率 开关通常是n 沟道功率m o s f e t ，而控制电路常用低功耗c m o s 电路，使用电压 范围较宽。高侧开关的功率开关栅极偏置是由一个自激振荡器驱动的电荷泵或自 皇王型堇盔堂亟堂焦迨塞 举电路提供的。被控负载接开关的源极和地。低侧开关栅极可直接由c m 0 s 控制 电路驱动，充电泵电路可省去，末级是漏极开路，负载由此接至正电源。 2 2 2 两种控制方式 为了实现对电机速度或扭矩的控制( 实际上是对流过电枢的电流的控制) ，要 求有三个控制信号d i r 、p w m 和b m k e 。其中d i r 和p w m 控制电机的方向和速度， b r a k e 用来控制电机的开关( 逻辑高电平关断电机，逻辑低电平开启电机) 。工作 条件要求* b r i d 聆的最终设计能同时满足两种控制方式：信号幅度控制 s i g n a l m a g n i t u d ec o n t r o l ( s m 控制) 和反锁相控制l o c k c d a n t i - p h a s ec o n t r o l ( l a p 控制) 。 s i 鲈a 蹦a g n i t u d ec o n 廿0 1 ( s ，m 控制) ：d i r 控制电机转动的方向，d h 为高电 平驱动电机正向转动，d i r 为低电平驱动电机反向转动；电机转速大小由p w m 的 占空比决定，占空比越高，电机转速越大。因此可以通过改变d i 胛w m 信号来控 制电机的转速及方向。 l o c k e d a n t i p h a s ec o n t r o i ( l a p 控制) ：p w m 接逻辑高电平，d i r 接方波信号； d i r 信号占空比5 0 代表平均输出电流为o ，故驱动能力为0 ；d i r 信号占空比大于 5 0 代表正向驱动，占空比越大，正向转速越高；d i r 信号占空比小于5 0 代表反 向驱动，占空比越小，反向转速越高。 由两种控制方式的输入输出关系可以确定控制信号与开启的功率d m o s 的关 系如表2 1 所示。 表2 1 输入逻辑信号与有效功率管驱动电路关系 p w m 方向制动h 轿输电状态导通管 hhl 正向电流 m lm 4 h l l负向电流 m 2m 3 lx 两上桥臂导通 m lm 2 hhh 村上桥臂导通 m lm 2 hlh 两下桥臂导通 m 3m 4 lxh 四桥臂同时蓑断 n o n e 2 _ 2 3 电路功能结构分析 1 输出级选择 1 0 第二章电机驱动器总体电路分析与设计 电力电子器件工作在开关状态，对这样的器件应该有以下几方面的要求1 5 ：1 ) 开关速度；2 ) 功率损耗；3 ) 浪涌电流和浪涌电压。除了考虑加入吸收和抑制电 路外，还必须选择有足够能力的相应的器件。功率电路中所用的电力电子器件， 目前有三种类型：双极结型晶体管( g t r ) 、金属氧化物场效应晶体管( m o s f e t ) 和绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 。图2 4 为三种电力电子器件的功率及频率应用范围 1 2 “，通过比较，我们发现，由于功率m o s f e t 工作频率很高，容量有限，所以特 别适用于1 0 k w 以下的电机驱动。 f e t 图2 4 三种电力电子器件应用范围比较 功率m 0 s f e t 又分为p 沟道器件和n 沟道器件，在硅片尺寸和击穿电压一定 的情况下，p 沟道器件的导通电阻总是高于与之相当的n 沟道器件，较高的通态 电阻使开关速度下降，损耗增加，效率降低，可靠性减低。虽然使用p 沟道器件， 可以简化栅极驱动电路，但是会增加设计的成本；而且p 沟道器件硅片的较大尺 寸使其成本总是高于与之相当的n 沟道器件。 2 控制驱动设计 1 ) 驱动部分 有两个原因使得对于输出级功率管必须进行驱动电路的设计。 由于功率d m 0 s 较大的寄生栅电容的存在，为了使控制信号在到达功率管时 仍然具有良好的上升、下降沿，输出级的功率器件工作在迅速地从非导通到完全 导通状态，则必须快速地对功率d m o s 的栅电容进行充放电，所以要求每一个功 率管有一个驱动电路，如下图2 5 ( a ) 所示。在功率级电路中，用于推动低侧器件栅 极的驱动电压时很容易产生的，因为低侧器件各点的电位是相对整个电路的地而 言的，则其栅极控制电压也是相对于源极电压( 地电位) 而言的。对于高侧器件， 栅极控制电压是满摆幅的。因此，在功率放大电路中，要求用于高侧器件栅极的 驱动电压是在源极电压的基础上浮动，即高侧功率管导通时，其驱动电路必须产 电子科技大学硕士学位论文 生一个比功率输出级直流电源电压高1 0 1 5 v 的电压。栅极驱动电路的驱动电压 有两种产生方法，一是充电泵电路，另一个方案是采用自举电路；电荷泵需要一 振荡信号控制，故h 桥驱动器内部需要集成一个振荡器电路。从图2 5 ( b ) 可以看 到，当低端功率管m 3 开启，电容的底部a 点接地，电容c 被充电到大约1 4 v ， 当高端功率管m 1 开启，a 点连接到电源电压v d d ，由于电容两端电压不能跃变， o u t 端产生高于v a ( 此时v a = v d d ) 约1 4 v 的电压( 此电压实际上是由于电容 上储存的电荷产生的) ，这就保证了上方d m o s 的源端即使达到v d d 电压也能开 启。电容c 如果集成在芯片内部，则采用电荷泵电路进行充电，由于考虑到芯片 面积，其值大小被限制了，则存储于其上的电荷有限，于是上方的d m o s 的开启 时间相对的慢，大概到1 k h z 左右，所以充电泵电路适用于驱动电路工作于低频时。 如果c 为外接电容，则可以做得比较大，同时又利用功率管的大电流对其进行充 电，充电时间可达纳秒级，所以自举电路适用于驱动电路工作于高频时。 v d d ( a ) 功率驱动原理 ( b ) 高端驱动管栅电压产生原理 图2 5 功率驱动电路原理 2 ) 控制逻辑 栅驱动电路控制信号为高电平时，对栅电容充电，为低电平时，对栅电容放 电。由上文表2 1 可以得出具体输入逻辑信号与驱动电路控制信号的逻辑关系如图 2 6 所示。 2 第二章电机驱动器总体电路分析与设计 d 打 p w m 控 制 逻 辑 电 路 d i rp w mb f a i 【eg l cg 2 cg 3 c 0 4 c hhl0ll o hll lo ol lxl0oil h h h0 01 1 hlhllo 0 lxhllll 图2 6 逻辑控制与驱动信号关系 3 保护电路 为了避免各种极端情况的发生，h 桥功率驱动器设置了各种保护电路，包括 过压和欠压保护、过流保护、过温保护。 1 ) 电流限流保护 当负载短路或元器件损坏时，可能造成过大电流，这时应该能够立即检测出， 并关断晶体管的栅极。利用p n p 晶体管当。 o 6 y 时导通的原理。在p n p 的基 极和集电极之间接一电阻r ，设i 为取样的负载电流，则，r = ，时三极管导通， 其集电极电压发生变化。电流限流值可依下式进行计算：。= o 6 胄。 这里需要注意的是负载电流由功率管d m 0 s 来提供，而功率管是很多小的 d m o s 原胞并联构成，故可在复合功率d m o s 管中取出几个单元管或在限流电路 部分设置几个与复合功率管原胞相同并且并联的d m o s 作为取样d m o s 管，保持 ，取样与k 载的比例关系即可。 2 ) 过电压和过电压保护 过电压保护：功率驱动器对于切换功率管导通时电机绕组电感所产生的过电 电f 科技大学硕士学位论文 压，要有较好的抑制能力。d m o s 具有内盟二极管，正常情况下，电源电压高于 电机两端电压，二极管反偏不起作用；出现过电压情况时，d m o s 内置二极管导 通，绕组的控制电流i 通过二极管向高压电源放电。若忽略二极管的反向恢复电流， 当控制电流f 。等于零时，二极管切断了高压电源。在电流的衰减过程中，控制绕组 的磁场能量以电能的形式馈送给高压电源，同时还伴随着一部分低压电源的能量 转换至高压电源中，称此过程为能量反馈或绕组放电过程。 欠电压保护：要求在电源电压低于一设定值时关断所有功率管。由于基准源 电路直接将电源电压转换为内部可用的电源，故可将欠压封锁电路设置在基准源 电路中。 3 ) 过热保护 过热保护部分主要原理是通过不同温度下温敏二极管的导通电压的不同用以 控制三极管的导通与截止，从而产生报警及关断信号。对于过温电路有两个要求： 一是希望电压变化能迅速反映温度变化： 反向变化时，希望电路能有一定的滞回。 要求1 2 2 】，具体将在第三章中进行分析。 4 死区时间 二是为避免噪声引起的开关振荡，温度 由此，在电路中引入反馈来实现这鼯个 开关关断时间往往长于接通建立时间，会出现上下桥臂直通的危险，为此， 电路设有死区时间。设置死区时间是为了避免由于功率开关时延存在，功率桥的 同一桥臂上下开关可能出现“直通”尖峰电流现象。另外，电机运行时，突然改 变d l r e c t i o n 信号使电动机反转，功率桥的开关器件突然改变为相反状态，也会 引起“直通”尖峰电流。死区时间定义为同一桥臂上的一个开关器件关断信号和 另一个开关器件导通信号之间的延迟，如图2 7 所示。 v t 1t 2 t d jt d 2 ( a ) ( b ) 图2 ，7 死区时间示意图 图2 7 中设g l 为高侧管m 1 控制信号，g 3 为同一桥臂上低侧管m 3 控制信号， 则由于输入信号或工艺等原因造成的延迟存在，g 1 、g 3 可能会同时为高电平，如 第二章电机驱动器总体电路分析与设计 图2 7 ( a ) 中t l 和t 2 ，此时m 1 、m 3 均开启发生直通现象，即在t 1 和t 2 时删内， 有已很大的电流从电源经m 1 和m 3 直接流到地。为了避免直通的发生，应避开 m l 、m 3 同时导通，安全一点的做法是故意引入一段时间( 死区时间) 使m l 、 m 3 同时关断，如图2 7 ( b ) 中t d l 和t d 2 。由于一个电路很难同时满足上升和下降 沿的死区时间的要求，可通过多个电路来实现。在设计中，将t d 2 分配到控制逻 辑电路中实现，t d l 分配到驱动电路中实现。产生延迟的基本单元采用r c 延迟原 理。 5 电流取样 应用于电机闭环控制的驱动器，需要对其速度进行测量，与给定的参考速度 进行比较，比较出的信号再反馈回驱动电路进行速度控制。由前面的分析知道， 流过功率管的电流反映了速度的大小和方向，因此速度的测量可通过取样功率管 电流来实现【2 3 】。设计的基本思路是：h 桥上臂d m 0 s 开关器件实际上是出许多相 同的小元胞并联构成，每个小元胞的电流几乎相等；所以可以取其中的几个元胞 来按照一定比例反映器件