一種電流反饋型H橋有刷電機控制器

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，可應用于高精度、高性能的控制系統中。

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電機時的電流量大小及運行方向。

閉環反饋控制,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

2.1 PWM發生單元

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，可能會出現同半橋的高低邊兩個MOS管同時導通的情況，該情況出現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出現，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時間來有效避免異常導通狀況的出現。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，該反饋電壓經過放大處理后再與PWM發生單元共同產生兩個互補的PWM控制信號到后級，從而實現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控制信號占空比變為50%，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、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的可靠性。