基于HIP4081的厚膜H桥电机驱动电路设计

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       随着电力电子技术的进步和微处理器技术的应用,大大改变了电机控制、电气传动的面貌。形成了一门多学科交叉的“运动控制”技术。运动控制系统能使被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制,以及这些被控机械量的综合控制。H桥驱动电路能与主处理器、电机等构成一个完整的运动控制系统,可应用于步进电机、交流电机及直流电机等的运动控制。

  1 电机运动控制及其驱动电路

  在电机的运动控制中,最常见的是电机的双向转动和调速,流经电机绕组的电流大小和方向要受控。

  图1,图2是由4个N沟道MOs管(M1~M4)和一个电机(M)组成的H桥。在图1中,当M1和M4导通时,电流从电源正极经M1从左至右穿过电机,然后再经M4回到电源负极,电机沿顺时针转动。在图2中,当M3和M2导通时,电流从右至左流过电机,电机沿逆时针转动。因此,通过调整MOS管的导通与截止时序可以控制电机的转向,通过调整流经电机电流的大小可以控制电机的转速。

 

  在此介绍一款基于HIP4081设计的厚膜H桥电机驱动电路,用于某炮瞄系统。电路内部集成了CMOS控制电路和由MOS管组成的H桥,它能为负载提供5 A的连续电流。该电路能在60 V的供电电源范围内安全工作,用户只需提供与TTL电平兼容的PWM信号就可进行4象限模式的幅值和方向同时控制,而且与数字控制器的接口非常简单。其内部电路可提供适当的死区时间间隔以保护H桥的4个N沟道场效应管,效率可达97%。提供有与TTL兼容的使能管脚来关断4个场效应管。

  2 HIP4081内部结构及技术特点

  HIP4081是intersil公司推出的一款专门用于控制H桥的高频全桥驱动芯片。采用闩锁抗干扰CMOS制造工艺,具有独立的低端和高端输入通道,分别独立驱动4个N沟道MoS管;输出峰值电流为2 A;芯片内部具有电荷泵和死区时间设置;悬浮电源采用自举电路,其高端工作电压可达95 V,逻辑电源电压范围6~15 V,工作频率高,可达1 MHz;具有能控制所有输入的禁止端,可方便地与外接元件形成保护电路。图3给出HIP4081的引脚排列定义,图4显示了1/2HIP4081(A边)的内部功能框图。主要组成部分有:逻辑输入、使能、电荷泵、电平平移及死区时间设置等。

 

 

  3 HIP4081引脚排列

  在图4中,Au,AHl分别是A边的低边输入和高边输入;ALO,AHO分别是A边的低边输出和高边输出,DIS是使能输入;在另一半(B边)的内部功能图中,BLI、BHl分别是B边的低边输入和高边输入;BL0,BH0分别是B边的低边输出和高边输出。他们之间的逻辑关系如表1所示。

 

  3 电路实现基本原理

  电路原理框如图5所示。

 

  在图5中,VCC为内部逻辑电路和MOS管上臂和下臂驱动器的低压电源;Vs为H桥供电电源,MOS管从这个电源端获得输出电流,该脚电压范围为Vcc~+80 V;V01,为半桥的输出脚1,当PwM输入ALI为高,BLI为低时,该脚输出为Vs;Vo2为半桥的输出脚2,当PwM输入ALI为低,BLl为高时,该脚输出为Vs;SENSE为2个半桥下臂的共同联接点,可连接一个到Vs地的检测电阻以检测电流,该脚也可以直接连到Vs的地。GND为输入逻辑和Vcc的地;PWM输人为用于输入与TTL兼容的PwM信号,占空比在O%~100%之间;DIS为用于关断4个MOS管,该脚为1时为关断,为0时使能。

  3.1 电路工作逻辑时序及电机运动状态分析

  在图5中,当使能端D1S处于高电平“1”时,无论ALI,BLI是“1”还是“O”,ALO,BLO,AH0,BH0都为“0”,电路处于禁止状态,电机停转。当使能端DIS处于低电平“O”时,ALl和BLI可通过反相器分别同时接收PWM信号的高电平“1”和低电平“0”。当ALl为1,BLI为0时,此时,ALO为1,AHO为0,BLO为O,BHO为1,H桥中的MOS管M1与M4导通,H桥处于图1状态,电机顺时针旋转。当ALI为O,BLI为1时,此时,AL0为0,AHO为1,BLO为1,BHO为O,H桥中的MOS管M3与M2导通,H桥处于图2状态,电机逆时针旋转。当ALI,BLI同时为O时,ALO,BLO都为O,AH0,BHO都为1,电机中没有电流流过,处于制动状态。当ALI,BLI同时为1时,AL0,BLO都为1,AHO,BHO都为O,电机中也没有电流流过,同样处于制动状态。其逻辑关系如表2所示。