h橋功率驅(qū)動(dòng)電路可應(yīng)用于步進(jìn)電機(jī)、交流電機(jī)及直流電機(jī)等的驅(qū)動(dòng)。永磁步進(jìn)電機(jī)或混合式步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組都必須用雙極性電源供電，也就是說(shuō)繞組有時(shí)需正向電流，有時(shí)需反向電流，這樣繞組電源需用h橋驅(qū)動(dòng)。本文以?xún)上嗷旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器為例來(lái)設(shè)計(jì)h橋驅(qū)動(dòng)電路。
電路原理
圖1給出了h橋驅(qū)動(dòng)電路與步進(jìn)電機(jī)ab相繞組連接的電路框圖。
4個(gè)開(kāi)關(guān)k1和k4，k2和k3分別受控制信號(hào)a，b的控制，當(dāng)控制信號(hào)使開(kāi)關(guān)k1，k4合上，k2，k3斷開(kāi)時(shí)，電流在線圈中的流向如圖1(a)，當(dāng)控制信號(hào)使開(kāi)關(guān)k2，k3合上，k1，k4斷開(kāi)時(shí)，電流在線圈中的流向如圖1(b)所示。4個(gè)二極管vd1，vd2，vd3，vd4為續(xù)流二極管，它們所起的作用是：以圖1(a)為例，當(dāng)k1，k4開(kāi)關(guān)受控制由閉合轉(zhuǎn)向斷開(kāi)時(shí)，由于此時(shí)線圈繞組ab上的電流不能突變，仍需按原電流方向流動(dòng)(即a→b)，此時(shí)由vd3，vd2來(lái)提供回路。因此，電流在k1，k4關(guān)斷的瞬間由地→vd3→線圈繞組ab→vd2→電源+vs形成續(xù)流回路。同理，在圖1(b)中，當(dāng)開(kāi)關(guān)k2，k3關(guān)斷的瞬間，由二極管vd4，vd1提供線圈繞組的續(xù)流，電流回路為地→vd4→線圈繞組ba→vd1→電源+vs。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，實(shí)現(xiàn)上述開(kāi)關(guān)功能的
元件在實(shí)際電路中常采用功率mosfet管。
由步進(jìn)電機(jī)h橋驅(qū)動(dòng)電路原理可知，電流在繞組中流動(dòng)是兩個(gè)完全相反的方向。推動(dòng)級(jí)的信號(hào)邏輯應(yīng)使對(duì)角線晶體管不能同時(shí)導(dǎo)通，以免造成高低壓管的直通。
另外，步進(jìn)電機(jī)的繞組是感性負(fù)載，在通電時(shí)，隨著電機(jī)運(yùn)行頻率的升高，而過(guò)渡的時(shí)間常不變，使得繞組電流還沒(méi)來(lái)得及達(dá)到穩(wěn)態(tài)值又被切斷，平均電流變小，輸出力矩下降，當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率高到一定的時(shí)候?qū)a(chǎn)生堵轉(zhuǎn)或失步現(xiàn)象。因此，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)除了電機(jī)的設(shè)計(jì)盡量地減少繞組電感量外，還要對(duì)驅(qū)動(dòng)電源采取措施，也就是提高導(dǎo)通相電流的前后沿陡度以提高電機(jī)運(yùn)行的性能。
步進(jìn)電機(jī)的缺陷是高頻出力不足，低頻振蕩，步進(jìn)電機(jī)的性能除電機(jī)自身固有的性能外，驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電源也直接影響電機(jī)的特性。要想改善步進(jìn)電機(jī)的頻率特性，就必須提高電源電壓。
電路設(shè)計(jì)
圖2給出了驅(qū)動(dòng)器ab相線圈功率驅(qū)動(dòng)部分原理圖。
選用的功率mosfet元件是irfp460，其，id=20a，vdss= 500 v，rds(on)=0。27ω。
在圖2中，功率mosfet管vt1，vt2，vt3，vt4和續(xù)流二極管 vd11，vd19，vd14，vd22相當(dāng)于圖1中的k1，k2，k3，k4和vd1，vd2，vd3，vd4。功率mosfet管的控制信號(hào)是由ttl邏輯電平a，a，b，b來(lái)提供的，其中a與a，b與b在邏輯上互反。
a.驅(qū)動(dòng)電流前后沿的改善
從步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性分析中知道，性能較高的驅(qū)動(dòng)器都要求提供的電流前后沿要陡，以便改善電機(jī)的高頻響應(yīng)。本驅(qū)動(dòng)器中由于功率mosfet管柵極電容的存在，對(duì)該管的驅(qū)動(dòng)電流實(shí)際表現(xiàn)為對(duì)柵極電容的充、放電。極間電容越大，在開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)中所需的驅(qū)動(dòng)電流也越大，為使開(kāi)關(guān)波形具有足夠的上升和下降陡度，驅(qū)動(dòng)電流要具有較大的數(shù)值。如果直接用集電極開(kāi)路的器件如sn7407驅(qū)動(dòng)功率mosfet管，則電路在mosfet管帶感性負(fù)載時(shí)，上升時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)造成動(dòng)態(tài)損耗增大。為改進(jìn)功率mosfet管的快速開(kāi)通時(shí)間，同時(shí)也減少在前級(jí)門(mén)電路上的功耗，采用圖2虛線框內(nèi)的左下臂驅(qū)動(dòng)電路。
集電極開(kāi)路器件u14是將ttl電平轉(zhuǎn)換成cmos電平的緩沖/驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)u14輸出低電平時(shí)，功率mosfet管vt2的柵極電容通過(guò)1n4148被短路至地，這時(shí)u14吸收電流的能力受u14內(nèi)部導(dǎo)通管所允許通過(guò)的電流限制。而當(dāng)u14輸出為高電平時(shí)，vt2管的柵極通過(guò)晶體管v3獲得電壓和電流，充電能力提高，因而開(kāi)通速度加快。
b.保護(hù)功能
圖2虛線框中，1n4744是柵源間的過(guò)壓保護(hù)齊納二極管，其穩(wěn)壓值為15 v。由于，功率mosfet管柵源間的阻抗很高，故工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的漏源間電壓的突變會(huì)通過(guò)極間電容耦合到柵極而產(chǎn)生相當(dāng)幅度的vcs脈沖電壓。這一電壓會(huì)引起柵源擊穿造成管子的永久損壞，如果是正方向的vcs脈沖電壓，雖然達(dá)不到損壞器件的程度，但會(huì)導(dǎo)致器件的誤導(dǎo)通。為此，要適當(dāng)降低柵極驅(qū)動(dòng)電路的阻抗，在柵源之間并接阻尼電阻或接一個(gè)穩(wěn)壓值小于20 v而又接近20v的齊納二極管1n4744，防止柵源開(kāi)路工作。
功率mosfet管有內(nèi)接的快恢復(fù)二極管。當(dāng)不接vd11，vd12，vd13，vd14時(shí)，假定此時(shí)電機(jī)ab相繞組由vt1管(和vt4管)驅(qū)動(dòng)，即vt2管(和vb)截止，vt1管(和vt4管)導(dǎo)通，電流經(jīng)vt1管流過(guò)繞組。當(dāng)下一個(gè)控制信號(hào)使vt1管關(guān)斷時(shí)，負(fù)載繞組的續(xù)流電流經(jīng)vt2的內(nèi)接快恢復(fù)二極管從地獲取。此時(shí)，vt2管的漏源電壓即是該快恢復(fù)二極管的通態(tài)壓降，為一很小的負(fù)值。當(dāng)vt1再次導(dǎo)通時(shí)，該快恢復(fù)二極管關(guān)斷，vt2的漏源電壓迅速上升，直至接近于正電源的電壓+vs，這意味著vt2漏源間要承受很高且邊沿很陡的上升電壓，該上升電壓反向加在vt2管內(nèi)的快恢復(fù)二極管兩端，會(huì)使快恢復(fù)二極管出現(xiàn)恢復(fù)效應(yīng)，即有一個(gè)很大的電流流過(guò)加有反向電壓的快恢復(fù)二極管。為了抑制vt2管內(nèi)的快恢復(fù)二極管出現(xiàn)這種反向恢復(fù)效應(yīng)，在圖2電路中接人了vd11，vd12，vd13，vd14。其中，反并聯(lián)快恢復(fù)二極管vd11，vd14的作用是為電機(jī)ab相繞組提供續(xù)流通路，vd12，vd13是為了使功率mosfet管vt1，vt2內(nèi)部的快恢復(fù)二極管不流過(guò)反向電流，以保證vt1，vt2在動(dòng)態(tài)工作時(shí)能起正常的開(kāi)關(guān)作用。vd19，vd20，vd21，vd22的作用亦是同樣的道理。
對(duì)圖2電路的分析可知，信號(hào)a=1，b=1的情況是不允許存在的，否則將因同時(shí)導(dǎo)通從而使電源直接連到地造成功率管的損壞;另外，根據(jù)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行脈沖分配的要求，vt1，vt2，vt3，vt4經(jīng)常處于交替工作狀態(tài)，由于晶體管的關(guān)斷過(guò)程中有一段存儲(chǔ)時(shí)間和電流下降時(shí)間，總稱(chēng)關(guān)斷時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)，晶體管并沒(méi)完全關(guān)斷。若在此期間，另一個(gè)晶體管導(dǎo)通，則造成上、下兩管直通而使電源短路，燒壞晶體管或其他元器件。為了避免這種情況，可采取另加邏輯延時(shí)電路，以使h橋電路上、下兩管交替導(dǎo)通時(shí)可產(chǎn)生一個(gè)“死區(qū)時(shí)間”，先關(guān)后開(kāi)，防止上、下兩管直通現(xiàn)象。
本驅(qū)動(dòng)器電源驅(qū)動(dòng)部分線路簡(jiǎn)單，通過(guò)對(duì)電流前后沿的合理設(shè)計(jì)，降低了開(kāi)關(guān)損耗，改善了電機(jī)的高頻特性，并具有多種保護(hù)功能，實(shí)際使用中效果良好。