劉青峰，王清亮，劉 立（四川壓電與聲光技術(shù)研究所，重慶，400060）

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基于VNH2SP30全橋驅(qū)動(dòng)器的直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉青峰，王清亮，劉 立
（四川壓電與聲光技術(shù)研究所，重慶，400060）

摘要：采用VNH2SP30全橋驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)了高集成度的PWM控制的電機(jī)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了電機(jī)電流檢測(cè)電路，并對(duì)檢測(cè)電路進(jìn)行了Spice仿真分析，對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，具有調(diào)速和方向控制、電流反饋控制的功能。

關(guān)鍵詞：VNH2SP30；全橋驅(qū)動(dòng)器；電機(jī)控制

0 引言

有刷直流電機(jī)采用永磁體建立磁場(chǎng)，不需要?jiǎng)?lì)磁電流，電機(jī)中省去了勵(lì)磁回路，具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、制動(dòng)及時(shí)、控制電路相對(duì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在伺服系統(tǒng)中永磁直流電機(jī)得到廣泛應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了以VNH2SP30全橋驅(qū)動(dòng)器為功率變換器件的直流電機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的PWM控制，采用電機(jī)電流檢測(cè)電路判斷電機(jī)是否堵轉(zhuǎn)，給出了所設(shè)計(jì)的硬件電路，并進(jìn)行了控制實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有良好的性能與實(shí)用。

1 系統(tǒng)組成與功能

有刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖如圖1，微控制器采用C8051F023混合信號(hào)單片機(jī)，具有10位SAR ADC用于電機(jī)電流數(shù)據(jù)采集，單片機(jī)生成PWM和電機(jī)方向控制指令。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用ST公司高集成度的VNH2SP30全橋驅(qū)動(dòng)器，具有欠壓、過(guò)壓、過(guò)熱保護(hù)功能，具有電機(jī)電流比例感應(yīng)輸出功能方便電流檢測(cè)，具有自身故障診斷功能，在單片機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的加減速、正反轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)。電流檢測(cè)電路將驅(qū)動(dòng)器敏感到的電流放大到合適的電平輸入給ADC，單片機(jī)采集到ADC數(shù)據(jù)后對(duì)電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制。

圖1 電機(jī)控制系統(tǒng)組成

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

采用VNH2SP30全橋驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2。單片機(jī)輸出的指令信號(hào)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。電源電壓VCC為12V。INA與INB通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部H橋功率MOSFET導(dǎo)通或截止來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。PWM控制信號(hào)頻率可達(dá)20KHz，通過(guò)改變占空比來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速。ENA和ENB為驅(qū)動(dòng)器的故障診斷輸出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器正常工作時(shí)輸出高電平，驅(qū)動(dòng)器異常時(shí)：過(guò)熱、輸出端與電源端或地短路時(shí)輸出低電平，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，單片機(jī)通過(guò)監(jiān)測(cè)ENA和ENB可以進(jìn)行故障分析和定位。Q1為N溝道MOSFET，其柵極通過(guò)電阻R1連接至電源端，當(dāng)加正向電壓時(shí)Q1導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)器上電工作；在電源加反時(shí)Q1截止，起到保護(hù)驅(qū)動(dòng)器的作用。OUTA 和OUTB 為驅(qū)動(dòng)輸出端， 連接有刷直流電機(jī)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)端， 輸出電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。

圖2 VNH2SP30-E電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.2 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

通常電機(jī)電流檢測(cè)采用大功率電阻或霍爾傳感器串聯(lián)在電機(jī)回路中對(duì)電流進(jìn)行檢測(cè)。VNH2SP30全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的SC為與輸出電流成比例的感應(yīng)電流輸出，電機(jī)電流與感應(yīng)電流比例系數(shù)K約為11000。電流檢測(cè)電路如圖3所示，R1為采樣電阻。由于系統(tǒng)采用單電源+3.3V供電，選用的運(yùn)算放大器為軌到軌輸出放大器，將第一級(jí)運(yùn)算放大器的同相輸入端加上1.65V的偏置電壓，第一級(jí)放大倍數(shù)為-1倍，C2和R2組成低通濾波網(wǎng)絡(luò)濾除高頻噪聲。第二級(jí)采用輸出電阻低的電壓跟隨器電路用于驅(qū)動(dòng)ADC。ADC采用單片機(jī)自身的10位SAR ADC用于電流數(shù)據(jù)采集。所用的電機(jī)額定電壓為12V，當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)電流為1.2A，CS腳輸出比例電流約為0.12mA；當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流為5.8A，CS腳輸出比例電流約為0.58mA，通過(guò)A/D采樣監(jiān)測(cè)到電機(jī)電流， 可以判斷電機(jī)是否處于堵轉(zhuǎn)。

圖3 電機(jī)電流監(jiān)測(cè)電路

ADC采樣到的電壓值Vo與電機(jī)電流Io關(guān)系如下：

3 硬件仿真

為確定電流檢測(cè)電路參數(shù)是否合適，對(duì)電流檢測(cè)電路用PSpice進(jìn)行了仿真。仿真條件為：電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)CS腳輸出比例電流為0.12mA，電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)CS腳輸出比例電流為0.58mA。仿真結(jié)果如下圖5，電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的波形為圖中下部的曲線(xiàn)，電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)的波形為圖中上部的曲線(xiàn)，中間直線(xiàn)為1/2電源電壓值1.65V。從仿真結(jié)果可以看出，電流檢測(cè)電路輸出的電壓值在電源與地范圍內(nèi)，沒(méi)有失真。

4 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)所設(shè)計(jì)的電機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行加電測(cè)試，控制系統(tǒng)具有以下功能：

（1） PWM控制：微控制器輸出PWM控制信號(hào)，設(shè)定頻率為10KHz，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比為0～100%，來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

（2） 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制：INA=1，INB=0時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)；INA=0，INB=1時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。

（3） 電機(jī)電流檢測(cè)：電機(jī)電流經(jīng)過(guò)檢測(cè)電路轉(zhuǎn)化為電壓值輸入給ADC采樣，電機(jī)正轉(zhuǎn)、堵轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、堵轉(zhuǎn)工作過(guò)程的電流經(jīng)檢測(cè)電路放大后的電壓信號(hào)如圖5，可以通過(guò)判斷電壓值的大小即電機(jī)電流的大小來(lái)判斷電機(jī)是否處于堵轉(zhuǎn)工作狀態(tài)。

在使用VNH2SP30驅(qū)動(dòng)器時(shí)，需要注意以下方面：

（1） 驅(qū)動(dòng)器的散熱問(wèn)題。盡管驅(qū)動(dòng)器有極低的導(dǎo)通電阻，如果散熱處理不當(dāng)，在電流較大時(shí)驅(qū)動(dòng)芯片也會(huì)發(fā)燙，建議參考數(shù)據(jù)手冊(cè)在電路板的頂層和底層加銅片進(jìn)行散熱。

（2） 在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，盡量使PWM的占空比較小，以免驅(qū)動(dòng)芯片過(guò)流。

（3） 在電機(jī)啟動(dòng)、堵轉(zhuǎn)、停止時(shí)會(huì)有較大的電流傳導(dǎo)干擾，有時(shí)甚至?xí)斐蓡纹瑱C(jī)復(fù)位，可以通過(guò)合理的接地技術(shù)來(lái)減小干擾，也可以在單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)之間用光電隔離的方案來(lái)消除傳導(dǎo)性干擾。

（4） 驅(qū)動(dòng)器的電源與地之間需要加一個(gè)大的去耦電容，10A的負(fù)載電流要求加500uF的電容，來(lái)為電機(jī)啟動(dòng)和停止時(shí)儲(chǔ)存能量。

圖5 電機(jī)正轉(zhuǎn)、堵轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、堵轉(zhuǎn)工作過(guò)程的電壓信號(hào)

5 結(jié)論

基于VNH2SP30全橋驅(qū)動(dòng)器的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，集成度高，具有欠壓、過(guò)壓、過(guò)熱、短路等保護(hù)功能，PWM調(diào)速方便、電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制靈活，具有電機(jī)電流反饋控制功能，有良好的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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圖4 電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)電流檢測(cè)仿真結(jié)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