Нетрадиционная схема управления двигателем постоянного тока с постоянными магнитами

Luca Bruno

EDN

Традиционный метод управления двигателями постоянного тока низкой и средней мощности с постоянными магнитами основан на использовании четырех MOSFET или биполярных транзисторов, включенных в конфигурации H-моста. Например, в схеме на Рисунке 1 двигатель подключается между парами коллекторов C1–C2 и C3–C4. Включение диагонально-противоположных пар транзисторов Q1 и Q3 или Q2 и Q4 направляет ток через двигатель и позволяет изменять направление его вращения. Однако этот метод требует, чтобы каждый из четырех транзисторов имел свой собственный вход управления. В зависимости от напряжения питания двигателя и ограничений на выходное напряжение микроконтроллера, для сигналов, управляющих верхними транзисторами драйвера, может потребоваться электрическая изоляция или схема сдвига уровня.

В выходном каскаде драйвера H-моста двигателем постоянного током управляют диагонально-противоположные пары транзисторов. Схеме требуются четыре управляющих сигнала.
Рисунок 1. В выходном каскаде драйвера H-моста двигателем постоянного током управляют
диагонально-противоположные пары транзисторов. Схеме требуются четыре
управляющих сигнала.

В этой статье описана альтернативная схема, которая управляет только нижними переключающими транзисторами H-моста. В стандартном H-мосте для биполярного управления мотором базы транзисторов Q1 и Q4 соединяются с коллекторами Q3 и Q2 через резисторы R3 и R4 (Рисунок 2). Каждый из входов VINA и VINB управляет парой ключей. Когда Q2 включается, резистор R4 и диод D6 опускают уровень базы транзистора Q4, вводя в Q4 насыщение и пропуская ток через мотор и Q2. Аналогично, включение Q3 насыщает Q1 транзистор и заставляет двигатель вращаться в противоположном направлении. Диод D5 нужен для того, чтобы транзистор Q1 оставался закрытым, когда Q4 проводит ток, а диод D6 выполняет ту же функцию для транзистора Q4 при открытом Q1. Резисторы R1, R2, R7 и R8 увеличивают скорость переключения соответствующих транзисторов, а резисторы R5 и R6 ограничивают базовые токи, вытекающие из 5-вольтовых выходов микроконтроллера, до значений порядка 15…20 мА. Резисторы R3 и R4 устанавливают токи насыщения баз транзисторов Q1 и Q4. Их сопротивления зависят от напряжения питания двигателя и коэффициентов передачи тока транзисторов Q1 и Q4 и должны удовлетворять следующему соотношению:

где

VBE_ON(Q4) – пороговое напряжение базы транзистора Q4,
VF(D6) – прямое падение напряжения на диоде D6,
VCE_SAT – напряжение насыщения коллектор-эмиттер транзисторов,
IMOTOR – ток двигателя,
hFE_MIN(Q4) – минимальный коэффициент передачи тока транзистора Q4.

Для получения наилучших характеристик следует выбирать биполярные транзисторы с низким напряжением насыщения коллектор-эмиттер VCE_SAT и большим коэффициентом передачи тока hFE. Доступные в настоящее время транзисторы средней мощности могут конкурировать с MOSFET, обладая комбинацией характеристик, минимизирующих мощность, рассеиваемую коллектором, и не требующих большого тока для управления базой.

В этой усовершенствованной схеме драйвера H-моста, требующей только двух управляющих сигналов, используются комплементарные пары транзисторов.
Рисунок 2. В этой усовершенствованной схеме драйвера H-моста, требующей только двух
управляющих сигналов, используются комплементарные пары транзисторов.

В схеме на Рисунке 1 хорошо работают такие дискретные биполярные транзисторы, как NSS40200L (PNP) и NST489AMT1 (NPN), выпускаемые компанией ON Semiconductor. Чтобы сделать конструкцию более компактной, можно выбрать микросхему интегрального H-моста, например, ZHB6790 компании Diodes, которая работает при напряжении до 40 В, отдавая в двигатель непрерывный ток до 2 А, а пиковый – до 6 А. Ее минимальный коэффициент передачи тока, равный 500 при токе коллектора 100 мА, может уменьшиться до 150 при токе 2 А. При токах коллекторов Q2 и Q3, равных 2 А, для достижения напряжения насыщения 0.35 В или менее в худшем случае потребуются токи базы от 13 до 20 мА. К счастью, выходы многих микроконтроллеров могут отдавать или принимать токи до 25 мА и, таким образом, напрямую управлять H-мостом независимо от напряжения питания двигателя. Чтобы дополнительно снизить токи управления или использовать в качестве источника управляющих сигналов стандартные КМОП или ТТЛ микросхемы, можно буферизовать входы Q2 и Q3 с помощью инверторов на малосигнальных транзисторах. Как вариант, между эмиттерами Q2 и Q3 и землей можно дополнительно подключить резисторы с сопротивлениями в доли ома. Этот позволить получить аналоговые напряжения, пропорциональные току двигателя, что даст микроконтроллеру возможность обнаруживать заторможенный или перегруженный двигатель.

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 1000
сейчас смотрят 22
представлено поставщиков 579
загружено
позиций
25 067 862