劉貴如,王陸林

(安徽工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,蕪湖 241000)

引 言

微電機(jī)在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛,采用驅(qū)動(dòng)電路和MOSFET管的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不僅電路設(shè)計(jì)復(fù)雜,而且不容易控制。針對(duì)此問(wèn)題,各半導(dǎo)體廠商推出了直流電機(jī)控制專用集成電路,無(wú)需驅(qū)動(dòng)便可以與MCU接口,且無(wú)需另外添加電機(jī)電流檢測(cè)電路,外圍器件少,電機(jī)控制簡(jiǎn)單。

目前該類芯片已經(jīng)廣泛應(yīng)用于微電機(jī)的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域,但它也存在一些缺點(diǎn)：輸出功率有限,不適合大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的需求;采用PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)且PWM 信號(hào)的頻率和占空比有一定限制;沒(méi)有光電隔離電路,當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生擊穿等故障時(shí)會(huì)損壞與之相連的MCU等器件。

以Infineon公司推出的BTN7970芯片為例,它所供電壓為8～45 V,最大電流為50 A,驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM 頻率為1～25 kHz。由于功率和驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比的限制,使得它有很大的局限性。在電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路和控制程序設(shè)計(jì)方面要綜合考慮并采取適當(dāng)措施。本文將詳細(xì)介紹BTN7970在大功率微電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的典型應(yīng)用。

1 BTN7970簡(jiǎn)介

BTN7970是由Infineon(英飛凌)公司推出的智能功率驅(qū)動(dòng)芯片,內(nèi)含電流檢測(cè)電路、控制驅(qū)動(dòng)電路,以及1個(gè)P型和1個(gè)N型MOSFET管,可以靈活應(yīng)用于2相或3相、直流有刷或無(wú)刷電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)電路中,不僅可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì),而且使得控制更加簡(jiǎn)單。在過(guò)溫、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流和短路的情況下,芯片自動(dòng)關(guān)斷輸入;當(dāng)電流超過(guò)標(biāo)定的最大電流時(shí),通過(guò)MCU端的I/O使能引腳關(guān)斷驅(qū)動(dòng)芯片。為了防止系統(tǒng)在工作過(guò)程中因?yàn)樾酒Ｗo(hù)而停止工作,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮散熱、穩(wěn)壓、過(guò)流保護(hù)等情況并采取措施。

BTN7970提供 PG-TO263-7-1、PG-TO220-7-11和PG-TO220-7-12三種封裝。其引腳功能定義如表1所列。

表1 BTN7970引腳定義

當(dāng)INH引腳輸入高電平時(shí),OUT端輸出電壓由IN端輸入的PWM占空比決定。當(dāng)占空比大于某個(gè)值時(shí),輸入芯片內(nèi)部經(jīng)過(guò)非門驅(qū)動(dòng)電路后,輸出低電平使得上背P型MOSFET管導(dǎo)通,此時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)輸入占空比后調(diào)節(jié)OUT端的輸出電壓。當(dāng)輸入占空比為0時(shí),輸入低電平經(jīng)過(guò)非門驅(qū)動(dòng)電路后,輸出高電平使得下背 N型MOSFET管導(dǎo)通,IS端檢測(cè)的電流為經(jīng)過(guò)上背MOSFET管的電流(即電機(jī)當(dāng)前電流)。在實(shí)際應(yīng)用中通常將2片或3片BTN7970組合起來(lái)構(gòu)成電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路。

2 電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

主控制器選用Freescale公司基于 PowerPC構(gòu)架的32位處理器MPC5604P。通過(guò)I/O口、PWM輸出引腳、A/D采集引腳直接和 BTN7970接口。下面介紹2相直流電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方法。

采用2片BTN7970組成一個(gè)完整的H橋驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)1路有刷直流電機(jī),如圖1所示。其中,OUT端分別接電機(jī)的兩端;IS端接下拉電阻,用于配置IS端輸出電壓的范圍;MOTOR_PWM_A與MOTOR_PWM_B,分別輸出非零占空比的PWM和零占空比的PWM,保證左右半橋上下背各有一個(gè)導(dǎo)通,組成一個(gè)回路;通過(guò)MOTOR_CURRENT端間接采集并計(jì)算得到的電流,為通過(guò)左或右半橋上背P溝道MOSFET管的電流;SR引腳通過(guò)下拉電阻接地,用于調(diào)節(jié)MOSFET管開(kāi)關(guān)頻率,這里接5.1 kΩ電阻,BTN7970的開(kāi)/關(guān)時(shí)間分別為 4.4/3.4 μ s。另外,由于BTN7970內(nèi)部沒(méi)有光電隔離,故在與MCU接口時(shí)串聯(lián)10 kΩ電阻,防止驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生擊穿等故障時(shí)損壞與其相連接的MCU等器件。

圖1 1路有刷直流電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路

圖2 BTN7970和MPC5604P之間的接口

2片BTN7970組成的H橋和MPC5604P之間的接口如圖2所示。對(duì)應(yīng)的引腳通過(guò)4個(gè)網(wǎng)絡(luò)變量連接。將MPC5604P的55引腳直接配置為I/O輸出,接H橋的INH引腳,控制BTN7970的運(yùn)行模式。當(dāng)INH為低電平時(shí),BTN7970處于Sleep模式,但此時(shí)芯片仍處于工作狀態(tài),故其供電應(yīng)該由 MPC5604P通過(guò)I/O引腳控制大電流繼電器來(lái)控制。MPC5604P的53和54引腳配置為FlexPWM0模塊,PWMA、PWMB輸出分別接左、右半橋的IN引腳。42引腳配置為A/D輸入接左、右半橋的IS引腳,通過(guò)采集IS端電壓可間接計(jì)算出通過(guò)電機(jī)的電流：

式中,VIS和RIS分別為IS端的電壓和電阻值。這里,RIS為 470 Ω。

3 電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用了MPC5604P的4個(gè)信號(hào)引腳,開(kāi)發(fā)和編譯環(huán)境為CodeWarrior for MPC55xx V2.3,調(diào)試下載工具為USB PowerPC Nexus Multilink調(diào)試器。

3.1 MOTOR_CON控制引腳的初始化

通過(guò)配置SIU.PCR[43]寄存器將 MPC5604P的55引腳配置為I/O輸出引腳,即SIU.PCR[43].R=0x0202。通過(guò)賦值操作SIU.GPDO[43].R=0/1,即可讓該引腳輸出高/低電平。

3.2 MOTOR_PWM_A/B的PWM初始化

首先,通過(guò)配置PSMI寄存器將 flexpwm0 A[0]、B[0]分配到53、54引腳,配置如下：

然后,通過(guò)SIU.PCR寄存器的配置將53、54多功能引腳配置為PWM輸出,配置如下：

下面為flexpwmx模塊的初始化：

PWMA/B輸出函數(shù)如下：

在控制程序中通過(guò)調(diào)用輸出函數(shù)來(lái)配置數(shù)據(jù)重載、PWM輸出和BTN7970使能,即可按設(shè)定的方向和占空比驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

3.3 A/D初始化

首先,通過(guò)SIU.PCR[29].R=0x2400操作將PIN42引腳配置為A/D輸入引腳,通過(guò)采集IS端電壓間接計(jì)算出通過(guò)電機(jī)的電流。本設(shè)計(jì)中使用了MPC5604P片內(nèi)ADC1模塊的AN[0]通道,初始化配置如下：

在本設(shè)計(jì)中通過(guò)ADC1的1路硬件監(jiān)控電路對(duì)每次A/D采集的值和預(yù)先設(shè)置的值進(jìn)行比較。當(dāng)采集的值超出通過(guò)ADC_1.THRHLR0.R設(shè)定的上下限時(shí),將產(chǎn)生中斷。通過(guò)中斷服務(wù)程序?qū)OTOR_CON輸出低電平使驅(qū)動(dòng)IC進(jìn)入Sleep模式,即可實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。初始化和中斷服務(wù)函數(shù)注冊(cè)如下：

在SIR服務(wù)函數(shù)中,通過(guò)SIU.GPDO[43].R=0;即可關(guān)閉驅(qū)動(dòng)芯片。接下來(lái)發(fā)送A/D通道轉(zhuǎn)換命令并查詢狀態(tài)標(biāo)志位,轉(zhuǎn)換完畢后即可通過(guò)讀取ADC_1.CDR[0].B.CDATA寄存器得到采集的IS端電壓值,并通過(guò)計(jì)算公式IL=19 500×VIS/470 Ω計(jì)算得到通過(guò)電機(jī)的電流,從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制。

結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了基于BTN7970的2相直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路典型設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)外圍電路少,無(wú)需外加控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路和電機(jī)電流檢測(cè)電路,可直接和MCU接口,并可通過(guò)IS引腳輸入電壓計(jì)算直接得到通過(guò)電機(jī)的電流。

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