讨论关于NMOS搭建的大功率有刷直流电机H桥驱动器之电路原理

yutianku · 发表于 2014-6-25 15:52:58

本帖最后由 yutianku 于 2014-6-26 08:50 编辑

驱动器方案：高速光耦HCPL-2631+半桥驱动IR2184S+高性能Nmos IRLR7843
预期目标：
1、大功率、小体积、良好稳定性的直流电机驱动；
2、两路直流电机驱动，单路峰值达30A(12V)且导通电阻仅有0.003欧姆；
3、开关频率高，最可达60KHZ，PWM 0~95%;
4、宽电源电压（12~30v）及宽逻辑控制电压输入（3.3~24v）
5、控制接口简单：A1.A2=0.0时为刹车；A1.A2=1.0时为正转；A1.A2=0.1时为反转；PWMA为PWM波输入（电机速度调节）；
电路原理图：

相关芯片资料：

由于是初次设计，麻烦各位看看此方案是否可行，能否达到预期目标？原理图中电源部分、逻辑控制及H桥驱动中是否有不当之处？另外还有些疑惑不解：
1、PWM最高频率是否与IR2184的bootstrap电容选择有关，还是要考虑死区时间等；
2、PWM不能100%输出的原因；
3、电路中哪些元器件选型需要注意；
4、大电流PCB制板需要注意什么;
5、实际控制过程中换向过程需要考虑死区时间，加延时？
备注：
由于本人第一次接触大功率直流电机驱动，没有MOS相关使用经验，因此在参考学习网友们的直流电机驱动相关方案后提出以下方案与大家一起讨论，希望各位前辈不吝赐教，失误之处还望指出，感谢！
主要参考了网友"wudi"的IR2104 + IRF540 MOS电机驱动全桥学习与实践过程的方案，以及holmesruan 的“H桥驱动用MOS驱动与保护全方位请教”，在此表示感谢！
原文链接：
http://www.amobbs.com/thread-755194-1-1.html
http://www.amobbs.com/forum.php?mod=viewthread&tid=5469222

yutianku · 发表于 2014-6-25 21:28:45

关于MC34063电源管理芯片的应用：

外围元件标称含义和它们取值的计算公式：
Vout(输出电压)＝1.25V（１＋R1／R2 ）
Ct( 定时电容)：决定内部工作频率。Ct=0.000 004*Ton(工作频率）
Ipk=2*Iomax*T/toff
Rsc( 限流电阻)：决定输出电流。Rsc＝0.33／Ipk
Lmin (电感)：Lmin＝(Vimin－Vces)*Ton/ Ipk
Co(滤波电容)：决定输出电压波纹系数，Co＝Io*ton/Vp-p(波纹系数）
固定值参数：
ton/toff=(Vo+Vf－Vimin)/(Vimin－Vces）
Vces=1.0V
Vimin:输入电压范围的最小值
Vf=1.2V 快速开关二极管正向压降
在实际应用中的注意：
1、快速开关二极管可以选用IN4148，在要求高效率的场合必须使用 IN5819(贴片为SS14)；
2、34063能承受的电压，即输入输出电压绝对值之和不能超过40V，否则不能安全稳定的工作；
3、输出功率达不到要求的时候，比如＞1A时，可以通过外接扩功率管的方法扩大输出电流，三极管、双极型或MOS管均可，一般的芯片PDF资料上都会有典型扩流电路介绍；

yutianku · 发表于 2014-6-26 22:28:40

本帖最后由 yutianku 于 2014-6-26 22:39 编辑

希望大家给出宝贵意见！先谢过了！

my_njust · 发表于 2014-6-26 22:53:22

原理基本没有问题，电源处需要增加较大的低ESR电解电容
1、PWM最高频率与IR2184的举升电容类型选择有关；
2、PWM不能100%输出的原因，是因为其用于2184的举升升压给上桥供电；
3、电路中元器件最好是全新的正品，不然出了问题很难排查；
4、大电流PCB制板需要注意大电流和控制部分的布线，不然电机堵转时干扰比较大;
5、实际控制过程中换向过程通过实验优化死区时间。

yutianku · 发表于 2014-6-27 16:49:01

my_njust 发表于 2014-6-26 22:53
原理基本没有问题，电源处需要增加较大的低ESR电解电容
1、PWM最高频率与IR2184的举升电容类型选择有关；
2 ...

非常感谢您的解答！
下午实测了一把：
1、驱动器同时驱动两路12V单个 80W风扇，PWM占空比50%，MOS散热良好，性能稳定,基本上感觉不到温度，由于实验条件有限，无法再增大占空比了，后期再测试更大功率的电机以及突然变向等各方面性能；
2、实验印证了网友wudi的结论:驱动芯片对供电电源很敏感，当电压拉低于12V时，2184极有可能发生错乱而导致发热，不能正常驱动，这可能也是此电路的缺陷吧！

由于以前的教训，电源突然掉电或者接触不良而形成尖峰电压，容易烧毁元件，因此考虑在供电电源端及10V电源输出端加瞬态抑制二极管TVS,但没有TVS的使用经验，不知选型时要注意些什么？单向、双向？钳位电压？
关于您的解答，有一点不明：、PWM最高频率还与举升电容类型有关，那电容的大小呢？考虑选用1uf 耐压25V钽电容，不知是否合适，此电容与续流二极管应该都是关键元件吧！
基本明白了PWM不能满幅输出的原因，以下是wudi网友的描述：
“高端MOS的G端驱动电压波形。发现在EN端为高的初期，高端MOS的驱动电压突然升至比VCC高10V。此时强推动作用起效。但随着时间的流逝，该电压逐渐衰减为VCC，MOS的导通程度越来越不完全。直到下一个脉冲到来，G端电压又恢复为VCC+10V，但又逐渐衰减。也就是说，用持续的高电平信号来驱动MOS会导致MOS不能被完全导通，致使MOS发热，马达的实际功率低下。使用PWM信号则可以解决这个问题，它使BOOTSTRAP电容反复充电放电，使高端驱动电压始终维持在一个比较高的水平。”
再次感谢您及wudi的宝贵经验！

gsnDragon · 发表于 2014-6-27 21:37:12

这些都不是什么大问题，驱动器硬件上的的电流采样和软件上的三环控制和自整定才是蛋疼的地方……

my_njust · 发表于 2014-6-28 09:39:26

yutianku 发表于 2014-6-27 16:49
非常感谢您的解答！
下午实测了一把：
1、驱动器同时驱动两路12V单个 80W风扇，PWM占空比50%，MOS散热良 ...

1、举升电容需要高频特性良好的，钽电容还不错，容值和MOS栅极电容有关，需要根据手册计算，不能太大，也不能太小
2、关于2184的供电必须稳定可靠，建议采用降压后再升压的方式

yutianku · 发表于 2014-6-29 19:04:48

gsnDragon 发表于 2014-6-27 21:37
这些都不是什么大问题，驱动器硬件上的的电流采样和软件上的三环控制和自整定才是蛋疼的地方…… ...

感谢您的建议，后期考虑加上电流采样试试……

yutianku · 发表于 2014-6-29 19:08:31

my_njust 发表于 2014-6-28 09:39
1、举升电容需要高频特性良好的，钽电容还不错，容值和MOS栅极电容有关，需要根据手册计算，不能太大，也 ...

多谢您的建议！

yutianku · 发表于 2014-7-7 21:03:28

my_njust 发表于 2014-6-28 09:39
1、举升电容需要高频特性良好的，钽电容还不错，容值和MOS栅极电容有关，需要根据手册计算，不能太大，也 ...

您好！最近基于以上电路新打样了几块电路板，按照电路图焊接了一块电路板，却不能正常驱动，折腾了很长时间，未果，无奈再次向您寻求帮助……

1、测试PWM输入 10khz 占空比0~90% 0~12v，上电瞬间电机转动一会就停了，调整PWM的占空比，电机却没有反映

2、MOS焊接的时候是否容易损坏，有什么办法检测吗，调试过程没有发热及烧毁迹象

3、电路逻辑控制部分应该ok，2184输入In为高，LO HO输出却都为低（接上电机的情况），导致电机无法驱动，是mos坏了还是2184芯片坏了呢？

4、举升电容采用的是1uf/25v钽电容二极管采用1N5819
感激！

my_njust · 发表于 2014-7-9 10:51:17

yutianku 发表于 2014-7-7 21:03
您好！最近基于以上电路新打样了几块电路板，按照电路图焊接了一块电路板，却不能正常驱动，折腾了很长时 ...

MOS管一般不容易损坏，估计是2184坏了，测试时最好先不要接电机，先拿示波器看看输出波形

yutianku · 发表于 2014-7-10 22:07:47

my_njust 发表于 2014-7-9 10:51
MOS管一般不容易损坏，估计是2184坏了，测试时最好先不要接电机，先拿示波器看看输出波形 ...

感谢您的回复！
电路板已经调通，问题原因已经找到：
1、光耦PWM 输入端接口问题导致，由于PWM输入前端有一个1K下拉电阻，导致光耦驱动电流不够引起的，通过减小输入端限流电阻或者提升输出端上拉电阻至10K；

2、电源管理芯片MC34063部分，电阻R2需要提升至8.5k，保证输出电压大于10v；

zyw19987 · 发表于 2014-7-11 07:25:01

有技术互动的贴就是好帖！

yutianku · 发表于 2014-7-16 12:40:59

用两个12v 额定80w的风扇进行测试，测试条件：
电源电压13v，PWM 15khz ，80%占空比，连续工作10分钟左右芯片温升明显，20分钟散热器就达到烫手的温度！远没有达到预期目标（单路额定输出10A）,目前两路输出电流总共才7~8A,按理不应该有这么严重的发热才对，是MOS的开关损耗太大了吗？根据LR7843手册

其完全导通的内阻为3.3毫欧，如此低的内阻，功耗损失应该很小……希望各位帮忙分析一下，感谢！

yutianku · 发表于 2014-7-23 13:54:51

去掉电机两端的104电容MOS发热会少很多……

34071417 · 发表于 2015-1-30 13:58:45

好帖子，留名

ronic · 发表于 2015-2-6 13:38:48

谢谢分享。不错的资料。

ccrt · 发表于 2015-2-26 14:57:38

楼主，电路原理图下载不了能重新上传一个么？感谢！

eovlon · 发表于 2015-4-30 16:57:24

v谢谢，帮助很大

eovlon · 发表于 2015-4-30 16:57:55

我的也热，结决呢

eovlon · 发表于 2015-4-30 17:01:13

现在出现的问题是一开电机，就会发热，用示波器量了下，电路电压噪声很大

winterw · 发表于 2016-2-16 17:30:09

感谢楼主，mark回去参考。

熵之矢 · 发表于 2016-2-16 18:00:01

我好想知道，这种电机驱动能不能直接带超声波探头。。高速光耦能达到40khz的

zcf287 · 发表于 2016-2-25 18:45:44

gsnDragon 发表于 2014-6-27 21:37
这些都不是什么大问题，驱动器硬件上的的电流采样和软件上的三环控制和自整定才是蛋疼的地方…… ...

@gsnDragon，你做过驱动器的电流环吗？能否留个联系方式啊? 我QQ411303827，我碰到一个问题：电流环模式，空载转动，目标电流4A，走梯形电流，电机时而会发生噌噌声音。
谢谢

林州 · 发表于 2019-10-27 07:39:44

没有控制sd会有下桥壁同时导通的状态，所以发热

林州 · 发表于 2019-10-31 21:56:43

占空比快速降低为啥老是烧34063和他的限流电阻呢？

czjdxs · 发表于 2020-6-17 14:40:06

我第一次做直流电机驱动时，一上电电机就转，根本无法控制，后来才知道，还有个体二极管

讨论关于NMOS搭建的大功率有刷直流电机H桥驱动器之电路原理

本帖子中包含更多资源

阿莫论坛20周年了！感谢大家的支持与爱护！！

本帖子中包含更多资源

本帖子中包含更多资源