胡以瀚 劉一鍇 劉 坤 張純亞

（1.中國電子科技集團公司電子第24研究所，重慶400060；2.上海無線電設備研究所，上海200000）

0 引言

隨著小型化、高集成度的處理器技術在各行業(yè)中更為廣泛的應用,電機驅動控制、傳動等領域迎來了高速發(fā)展，形成了一門涉及多學科的驅動控制技術。本文介紹的一種電流反饋型H橋電機控制器可實現(xiàn)精確的位置、速度以及加速度控制，能夠與信號處理單元、電機等構成一個趨于完整的運動控制系統(tǒng)，可應用于高精度、高性能的控制系統(tǒng)中。

1 方案設計

1.1 電路原理概述

脈沖寬度調制（又名PWM調制）主要指一種通過對某一特定的脈沖信號的脈沖寬度進行控制，經(jīng)由控制后的脈沖波形，替代其前級輸入的控制信號/波形，其輸出脈沖信號的形狀、幅值均可根據(jù)實際情況需要自動進行調整或者控制的一種技術[1]。采用脈寬調制技術來控制后級H橋電機,效率高、調速范圍廣,能夠很方便地檢測到流經(jīng)電機時的電流量大小及運行方向。

閉環(huán)反饋控制,即控制量與被控對象之間,正向的控制作用與修正系統(tǒng)誤差的信號并存的一種控制方式。例如，若一個反饋的信號和輸入信號的極性方向相反或其變化的方向相對（反向）稱為負反饋。但若一個反饋的信號和輸出的信號相同或其他變化的方向一致（同向）則稱為正反饋[2]。

H橋主要由4個N-MOS管與其驅動的電機構成。如圖1所示，圖中V1~V4分別代指4個MOS管，M代指直流電機，當H橋上V1、V4導通時，電流從功率輸入電源的正極經(jīng)過V1、M、V4流至功率輸入電源的負極，此時功率輸出端電機就會沿圖示順時針方向轉動。如圖2所示，當H橋上的V2、V3導通時，電流從功率輸入電源的正極經(jīng)過V2、M、V3流回到功率輸入電源的負極，此時功率輸出端電機沿圖示逆時針方向轉動。電機的轉向主要是通過對H橋上相應MOS管的導通/關斷進行控制，電機的轉速取決于流經(jīng)電機的電流大小。

圖1 運行方向一

圖2 運行方向二

1.2 總體設計

本文介紹的H橋有刷電機控制器，輸入信號和電流反饋單元輸出的反饋信號進入PWM調制單元生成控制信號；控制信號進入H橋驅動單元，與使能信號一起控制后級H功率橋上的MOS管開啟/關斷；分別驅動H功率橋上的四個MOS管輸出一定功率驅動電機運轉。整體方案框圖如圖3所示。

圖3 整體方案框圖

2 單元電路實現(xiàn)

2.1 PWM發(fā)生單元

本單元由反饋電壓和內部生成的頻率約25 kHz的三角波共同作用，生成具有一定占空比（0~100%）的互補式雙路PWM控制信號，該信號會作為后級的驅動控制單元的控制信號輸出。PWM信號發(fā)生原理如圖4所示。

圖4 PWM控制信號生成原理

2.2 驅動控制單元

本單元由前級輸入信號輸出相應的兩組共4路控制信號用以驅動后級H橋上MOS管的開通/關斷，以實現(xiàn)對直流電機轉速、換向的控制。

控制單元的輸出信號相比輸入信號會存在延時，在該單元的輸出不同程度的延時信號控制后級H橋上的MOS管開通/關斷的情況下，可能會出現(xiàn)同半橋的高低邊兩個MOS管同時導通的情況，該情況出現(xiàn)會致使該半橋上兩個MOS管因過流燒毀。為避免上述異常導通狀態(tài)出現(xiàn)，在本單元的線路設計方面，在輸出端通過設置在一個合理的死區(qū)時間來有效避免異常導通狀況的出現(xiàn)。同時，為避免因控制電壓過低等原因導致控制失效，確保對H橋上MOS管的開啟/關斷的有效控制，基于充電泵原理，增加一個自舉電路的設計，以保證控制單元對于后級的有效控制。如圖5所示，通過電容、二極管搭建了一個自舉電路。

圖5 驅動控制單元原理

2.3 電流反饋單元

電流反饋單元在本文所述的控制器電路中起到電流采樣、反饋控制的作用。

該單元主要通過采樣電阻對特定位置的電流進行采樣，在采樣電阻的兩端輸出一個反饋電壓到后級，該反饋電壓經(jīng)過放大處理后再與PWM發(fā)生單元共同產生兩個互補的PWM控制信號到后級，從而實現(xiàn)前文所述的控制功能，如圖6所示。該單元在不同輸入條件下的相應控制方式如下：

圖6 電流反饋單元原理

當控制電壓|Vcom|≥Io×R×5×3.33、Io代指電機流經(jīng)指定輸出位置的電流；R為具備大額定功率的電阻；Vcom為通過功率電阻的輸出電壓）時，PWM輸入控制信號的占空比達到100%時，電機進入最高轉速模式，流經(jīng)電機的電流值的大小僅由電機等效負載值的大小決定；

當|Vcom|＜Io×R×5×3.33時，PWM控制信號占空比因受H橋單元輸出端反饋至驅動控制單元輸入端的負反饋信號影響，此時|Vcom|的值增大或減小，輸出至后級的電流也會相應增大或減小，此時電機亦會同步加速或減速；

當Vcom=0時，PWM控制信號占空比變?yōu)?0%，輸出電流為0，電機停止轉動。

3 結構設計

本文所述的一種H橋有刷電機控制器整體工藝結構設計采用厚膜/薄膜基板混合集成制備技術，如圖7所示，版圖設計方面在兼顧過大電流需求、基板可焊性、產品后續(xù)返工需求等因素，對版圖設計制定了分板式的設計方案，其中針對放置大功率器件、有較高過流需求的基板，選用了目前應用較為成熟的一種具備較高熱傳導系數(shù)、良好可焊性的一種AlN陶瓷材質基板，并通過將該種ALN基板背面與本型號控制器訂制的10#鋼材料的金屬外殼焊接在一起,大大提高了本型號控制器的熱傳導/散熱能力。

圖7 內部結構示意圖

4 結語

本文設計的電機驅動控制器通過電流反饋控制的方法，實現(xiàn)對H橋有刷電機的驅動控制，具備平滑的雙向調速功能以及更即時快速的反饋控制方式，可以廣泛應用于調速驅動控制領域。相比較分立器件的搭建方式，本電路采用高集成度的控制芯片和周邊輔助線路組合的設計方式，大大減小了整只電路的體積，減輕了電路的重量，同時也提高了整體電路系統(tǒng)的可靠性。