陳新兵 ，張方櫻，龍曉莉

（廣州大學 實驗中心，廣東 廣州510006）

基于Proteus的高性能電機驅動設計

陳新兵 ，張方櫻，龍曉莉

（廣州大學 實驗中心，廣東 廣州510006）

針對電機驅動的設計問題，提出了基于Proteus的快速解決方案。以RS-540電機為例，在分析H橋對驅動性能影響的基礎上，采用"預驅動+外置H橋"方式，設計了一種高性能電機驅動，兼容各型微控制器；在其硬件開發(fā)中引入了Proteus虛擬開發(fā)技術，在設計階段重現(xiàn)并解決電路問題，自動化程度高，體現(xiàn)了效率優(yōu)勢。測試表明，該設計驅動能力強，發(fā)熱小，滿足智能車競速需求，為電機驅動開發(fā)提供了借鑒。

電機驅動；H橋；Proteus；仿真；印刷電路板

電機驅動是汽車電子的關鍵技術，其電路設計直接影響著車輛的整體性能。隨著大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，集成了H橋的直流電機驅動芯片不斷涌現(xiàn)[1-3]，如 L298、BTN7971，這類芯片集成度高，占用空間小，簡化了電路設計，但存在發(fā)熱較大、成本偏高以及驅動能力不足的問題。采用外置MOSFET搭建的H橋驅動[4-7]，電流大，散熱好，驅動能力強，價格低廉，在大功率驅動設計方面優(yōu)勢明顯，但這類電路復雜度高，傳統(tǒng)的硬件開發(fā)模式[8]，比較依賴經(jīng)驗，開發(fā)周期長，不能適應快速產(chǎn)品開發(fā)的節(jié)奏。

本文結合全國智能車大賽需求，設計了高性能電機驅動系統(tǒng)框架，在其后續(xù)硬件開發(fā)中引入了Proteus虛擬仿真技術，其開發(fā)流程為：原理圖設計→電路仿真與優(yōu)化→PCB設計→3D預覽→硬件焊接調(diào)試，這種一體化開發(fā)模式能夠在設計初期解決電路問題。

1 系統(tǒng)設計

全國大學生智能汽車競賽，是以智能汽車為研究對象的競速型賽事，賽委會指定車模和微控制器類型，提供7.2 V2000 mAh鎳鎘充電電池，參賽者自行設計軟硬件系統(tǒng)，沿規(guī)定路線完成任務，其中B型車模采用單電機后輪驅動，電機型號RS-540，工作電壓DC7.2 V，轉速20 000 r/min，最大功率118 W，動力強勁[9]。圖1是為其設計的H橋驅動系統(tǒng)方案，由微控制器、信號隔離、預驅動器、H橋電路、汽車車模和閉環(huán)檢測6部分組成。

圖1 驅動系統(tǒng)方案

2 硬件設計與仿真

2.1 Proteus簡介

圖2 H橋

微控制器產(chǎn)生的實時PWM信號，經(jīng)過信號隔離緩沖，然后傳輸至預驅動器，后者生成帶死區(qū)的互補信號，驅動H橋電路，形成方向和占空比可調(diào)的電壓降，控制汽車電機運轉；整車通過檢測電路構成閉環(huán)回路，控制車模以設定速度平穩(wěn)行駛。

H橋構成直接影響電機驅動性能，設計要求MOSFET導通電阻小、開關速度快、開啟電壓小。圖2是采用4個N溝道MOSFET搭建的外置H橋，僅Q1和Q4導通時，電流向右流過電機M，電機正向轉動；反之，僅Q2、Q3導通時電機反轉，電橋設計時要求MOSFET開關延遲小于PWM死區(qū)時間，避免狀態(tài)切換時出現(xiàn)H橋共態(tài)導通，導致H橋燒毀；這里MOSFET選型LR7843，其導通內(nèi)阻3.3 mΩ，開關延時≤34 ns，開啟電壓4.5 V，最大漏極電流161 A，具有發(fā)熱小、易開啟、響應快、驅動能力強的特點，比傳統(tǒng)PN互補H橋設計更有優(yōu)勢[10]，滿足B車模全速沖刺和加減速控制的高性能要求。

Proteus是Lab Center Electronics開發(fā)的EDA軟件，現(xiàn)已升級至8.5版本，成為一個可視化電子系統(tǒng)設計平臺，集成原理圖設計、虛擬儀器、代碼調(diào)試、電路協(xié)同仿真、電路板設計及3D虛擬展示等功能，實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的一體化設計，強大的自動化設計和debug實時調(diào)試功能，幫助用戶快速定位并解決問題，提高了硬件開發(fā)效率，常用于單片機及其外圍電路仿真設計[11-12]。此外，Proteus提供了豐富的H橋驅動模型庫支持，成為電機驅動開發(fā)的理想工具。

Proteus總體設計流程是，先根據(jù)向導建立包含原理圖和PCB板的工程文件，再通過Proteus頂部工具欄按鈕，依次進入電路設計仿真、PCB設計和3D預覽。下面以RS-540電機驅動為例，介紹使用Proteus8.5進行硬件電路設計的具體方法。

2.2 原理圖設計

原理圖是Proteus交互式仿真和電路板設計的基礎。先根據(jù)系統(tǒng)設計圖和芯片數(shù)據(jù)手冊，進行芯片選型、周邊電路設計以及參數(shù)計算，形成硬件解決方案，這里電機驅動選用緩沖驅動芯片74LVC245、預驅動芯片IR2104S、電源芯片MC34063和LR7843型MOSFET。然后進入Proteus原理圖窗口，結合系統(tǒng)提示，分五步完成原理圖繪制：①添加所需元器件；②布局元器件與設置參數(shù)；③添加終端如電源、地和I/O端口；④連線；⑤添加網(wǎng)絡標號如+12、outA和outB。繪制完成的驅動電路見圖3。

圖3 硬件電路設計

圖3中，微控制器產(chǎn)生的兩路PWM信號inA和inB，經(jīng)過緩沖芯片74LVC245，隔離保護微控制器，并提升信號驅動能力，然后信號傳輸至預驅動芯片IR2104S，生成互補的PWM信號，控制H橋的高低邊柵極開關，從而驅動電機，LED實時顯示電機狀態(tài)。

IR2104S是驅動電路設計的關鍵。IR2104S正常工作電壓為10～20 V，通過MC34063升壓電路把電池7．2 V電壓提升至12 V，為IR2104S提供工作電源和H橋低邊固定電源VCC；自舉電容C5和D12構成IR2104S的電荷泵，提供H橋高邊浮置電源VB。LR7843柵極閾值電壓為 4．5 V，由于高邊MOSFET導通時源極電壓VS接近于漏極電壓7．2 V，所以這時其柵極電壓高于11．7 V，才能開啟高邊MOSFET，電荷泵輸出VB理論峰值是12V+7．5VVF=18．6 V，能完全開啟高邊MOSFET，滿足設計要求，適當提高MOSFET驅動電壓，能提高導通速度，降低導通電阻，減少H橋熱損耗。

IR2104S正常工作時，HO=IN，LO=IN，即高邊HO輸出波形與輸入信號同相，LO與之互補，死區(qū)時間為520 ns，LR7843型MOSFET完全開啟和關斷時間分別是67 ns和53 ns，遠低于死區(qū)時間，H橋不會出現(xiàn)共態(tài)導通問題；并聯(lián)的續(xù)流二極管1N5819，反向恢復時間為10 ns，為感生電動勢提供了快速放電通道，輸入5 k～20 kHz驅動信號時，H橋電路能夠安全、可靠、快速地完成開關動作，確保電機性能充分發(fā)揮。

電路中各芯片電源端都加了接地電容，確保了芯片供電的穩(wěn)定性；在電機兩端并了壓敏電阻，吸收電機換向時的峰值電流，確保整車在電機頻繁動作時安全穩(wěn)定運行。由于74LVC245芯片兼有TTL電平輸入到3．3 V輸出的電平轉換功能，兼容TTL 5 V和低功耗3．3 V標準電平輸入，因此該驅動通用性極好，適用于所有微控制器，涵蓋單片機、DSP和ARM。

2.3 電路仿真

對上述硬件電路進行交互式仿真，需要添加必要的虛擬儀器，并更換成有動畫效果的元器件，如LED和電機，以便直觀觀測分析電路仿真結果，據(jù)仿真結果和datasheet調(diào)整元件參數(shù)，直至滿足實際需求。整個電路的PWM輸入信號，一般通過單片機最小系統(tǒng)，加載Hex文件代碼生成[13-14]，這種協(xié)同仿真方式增加了系統(tǒng)復雜度，對PC性能要求高，易導致仿真動畫效果不流暢，因此本文直接采用虛擬信號發(fā)生器簡化設計，改善仿真實時效果，電路見圖4。

圖4 電路仿真與調(diào)試

圖4中，虛擬信號發(fā)生器Pulse、反相器和開關 構建了簡易信號發(fā)生電路，生成一對PWM信號，提供兩種PWM驅動模式[15]：單極式（inA接PWM，inB接GND），和雙極式（inA接PWM，inB接PWM）。 利用虛擬示波器4個通道，連接電路信號輸入端口inA、inB，和輸出端口outA、outB，觀測整個電路的外部特性；利用電壓探針接12 V電源、IR2104S輸出端HO和LO，監(jiān)測內(nèi)部柵極驅動電壓實時變化。

設定 Pulse 參數(shù)為幅值 3．3 V、占空比 0．3、頻率10 kHz，在雙極式驅動模式下啟動仿真，電路穩(wěn)定后仿真效果見圖4，電機反向轉動，反轉指示燈亮，電壓探針測得IR2104S電源穩(wěn)定在11．8 V，芯片工作正常，此時測得高邊柵極驅動信號峰值18．3 V，低邊11．8 V，H橋工作正常，整個電路輸入輸出波形見圖5。

圖5 輸入-輸出波形

仿真波形顯示，從電路輸入到相應半橋輸出，信號在傳輸過程中相位不變，幅值從3．3 V放大到7．2 V，仿真結果符合理論設計。其中，inA、inB占空比分別為 0．3、0．7，二者之差為-0．4，絕對值 0．4 決定電機轉速，負號表明電機反轉，改變驅動模式和占空比Duty，最終測得的輸入輸出對應關系見表1，仿真結果與理論設計一致，驗證了Proteus設計驅動電路的可靠性。實際使用時，根據(jù)需要選擇PWM驅動模式，雙極式下各MOSFET狀態(tài)均衡，單極式時系統(tǒng)效率更高。

表1 驅動仿真測試

2.4 PCB設計

仿真成功后，為電路中元器件指定封裝，虛擬儀器設備連上實際接頭，切換至PCB窗口，進入電路板設計階段，該驅動采用雙面板設計，元器件布局時參考電路原理圖，依次放置連接器、核心芯片、集成電路和分立元件，設計時應注意電機對電路工作的影響[16]。由于電機電流大，供電端須使用鈕子開關和大容量濾波電容，電機供電回路PCB走線須足夠寬，提升電池供電的穩(wěn)定性和可靠性。同時，由于電機頻繁動作干擾大，驅動常設計為獨立模塊，地線單點接至電池負極，與其他模塊地線以磁珠隔離；各去耦電容應緊鄰其芯片VCC引腳布局，提升電路的抗干擾能力。

Proteus設計印制電路板，具體流程為：自動加載網(wǎng)絡表→電路板規(guī)劃與規(guī)則設置→自動布局與手工調(diào)整→自動布線與手工調(diào)整→完整性檢查→3D虛擬展示→優(yōu)化工作，Proteus提供了裸板和成品兩種預覽方式，所見即所得，確保產(chǎn)品設計機電匹配，圖6是電路設計的效果圖，左起依次為PCB布線圖、3D裸板預覽、3D成品預覽和覆銅優(yōu)化后的實物。可見，Proteus在電路板設計方面，虛擬仿真效果好，比同類軟件自動化程度高，提高了驅動開發(fā)效率。

圖6 電路板設計

3 結 論

該驅動以“預驅動+外置H橋”為設計基礎，解決了性能與發(fā)熱問題，引入Proteus虛擬仿真技術，提高了電機驅動的開發(fā)效率，該驅動已應用于全國大學生智能汽車競賽，在加減速性能、全速沖刺和發(fā)熱控制方面表現(xiàn)良好，滿足了汽車競速需求，具有成本低、通用性好的優(yōu)勢，對高性能電機驅動設計有重要的參考價值，這種快速開發(fā)模式對其他硬件開發(fā)也有一定的借鑒意義。

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Design of powerful motor drive based on proteus

CHEN Xin-bing，ZHANG Fang-ying，LONG Xiao-li
（Lab Center，Guangzhou University，Guangzhou 510006，China）

For the problem for motor driver design，a rapid solution is proposed based on proteus.Take RS-540 motors for example，the key effects of H-bridge on drive performance are analyzed，and a universal and powerful motor drive is designed by predrive&external H-bridge，which is compatible with all kinds of microcontrollers；proteus virtual simulation technology is brought into its hardware development，and how to design the circuits and offer solutions early is introduced in details，which demonstrates advantages of proteus in rapid hardware development.Test results verity that its driving performance agrees well with theoretical design，which meets smart car's requirements for racing.

motor drive； H-bridge； proteus； simulation；PCB

TN710

A

1674－6236（2017）17-0073-05

2016-10-14稿件編號：201610068

國家自然科學基金項目（51541701）

陳新兵（1978—），男，河南遂平人，碩士，實驗師。研究方向：電力電子技術應用。