基于DRV8432的直流力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

　　引言

　　DRV8432是TI公司推出的一款雙H橋PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，工作電壓可以達(dá)到50V，具有四種工作模式，并內(nèi)置了包括欠壓、過(guò)熱、過(guò)載、短路保護(hù)在內(nèi)的保護(hù)電路，具有內(nèi)阻小、效率高的特點(diǎn)[1]，十分適合低壓小功率直流力矩電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

　　1 設(shè)計(jì)過(guò)程

　　DRV8432的功能和組成可以用圖1來(lái)描述。

　　DRV8432有四個(gè)PWM信號(hào)輸入口，一路PWM信號(hào)就可控制一個(gè)半橋，且內(nèi)置了門(mén)級(jí)控制與驅(qū)動(dòng)電路;DRV8432的每個(gè)半橋可以獨(dú)立控制，母線電壓也可以不一樣，這樣就方便使用一片DRV8432來(lái)同時(shí)驅(qū)動(dòng)不同電壓需求的電機(jī)。DRV8432通過(guò)M1、M2、M3三個(gè)模式選擇管腳來(lái)配置工作模式(如表1所示)，通過(guò)OTW和FAULT來(lái)表征故障(如表2所示)，通過(guò)OC_ADJ腳與“地”之間所接的電阻來(lái)設(shè)置過(guò)流閾值(如表3所示)。當(dāng)復(fù)位信號(hào)有效時(shí)，DRV8432的驅(qū)動(dòng)橋的輸出為高阻狀態(tài)。

　　在設(shè)計(jì)中，我們將DRV8432配置成了并聯(lián)H橋CBC(Cycle-by-Cycle)限流工作模式，M3M2M1=010，按照單極性方式進(jìn)行使用。這樣，它的連續(xù)工作電流可以達(dá)到14A，峰值工作電流可以達(dá)到24A[1]。

　　在并行工作模式下，DRV8432內(nèi)的A和B半橋形成一個(gè)并聯(lián)半橋，由PWM_A控制，C和D半橋形成另一個(gè)并聯(lián)半橋，由PWM_B控制，PWM_C和PWM_D接地;在CBC(Cycle-by-Cycle)限流方式下，當(dāng)出現(xiàn)電流過(guò)流時(shí)，DRV8432會(huì)自動(dòng)強(qiáng)行關(guān)斷H橋上橋臂而打開(kāi)下橋臂，使電機(jī)線圈和H橋兩個(gè)下橋臂形成通路來(lái)消耗能量，待電流進(jìn)入正常范圍后再依照給定的PWM信號(hào)進(jìn)行工作。

　　DRV8432的外圍設(shè)計(jì)如圖2所示，DRV8432僅需一個(gè)12V電源作為控制電源輸入，OTW、FAULT、PWM_A、PWM_B、RESET_AB、RESET_CD、POW_CTRL均經(jīng)光電耦合器與控制器相連，由受控于控制器的繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)DRV8432的PVDD端的上電與斷電。

　　2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與改進(jìn)

　　(1)功率驅(qū)動(dòng)輸出口濾波電容選取問(wèn)題

　　如果按照?qǐng)D2選取濾波電容(C8、C9、C12、C13)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)，在工作狀態(tài)下用萬(wàn)用表測(cè)量OUT_AB端和OUT_CD端，幾乎沒(méi)有輸出，無(wú)法驅(qū)動(dòng)電機(jī)，且C8、C12、C19 、DRV8432均發(fā)熱十分嚴(yán)重。

　　參考文獻(xiàn)[2]給出的參考設(shè)計(jì)中，為DRV8432的功率驅(qū)動(dòng)輸出口配置了電感和電容組成的低通濾波器，意在增強(qiáng)單個(gè)電感或者電容的濾波效果[3]。但按照?qǐng)D2的取值將這個(gè)濾波電路(如圖3所示)單獨(dú)拿出來(lái)進(jìn)行仿真，輸入取為20kHz，占空比為50%的脈沖電壓源，其結(jié)果如圖4所示，濾波器輸出是震蕩的，與不能正常輸出這一實(shí)際情況相符。

　　去掉C8和C12后，用萬(wàn)用表量OUT_AB和OUT_CD，顯示DRV8432可以輸出與電壓給定命令一致的電壓，能夠正常驅(qū)動(dòng)電機(jī)，但是C19、DRV8432仍發(fā)熱明顯，用示波器測(cè)量OUT_AB/OUT_CD端對(duì)地的波形，如圖5所示，從圖中可以看出，波形震蕩，失真嚴(yán)重。

　　在去掉C8和C12的情況下長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，DRV8432還會(huì)偶發(fā)無(wú)輸出的現(xiàn)象，此時(shí)進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)DRV8432的輸入波形正常、電源正常、FAULT和OTW沒(méi)有表征出錯(cuò)，但用萬(wàn)用表測(cè)量OUT_AB端和OUT_CD端發(fā)現(xiàn)沒(méi)有輸出，用萬(wàn)用表分別測(cè)量OUT_AB端和OUT_CD端對(duì)地電壓時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩端對(duì)地電壓相等，應(yīng)該是DRV8432內(nèi)部產(chǎn)生了保護(hù)。關(guān)于這個(gè)現(xiàn)象，文獻(xiàn)[4]認(rèn)為DRV8432在使用中要避免0%或100%占空比輸入，兩個(gè)PWM端都必須是脈沖輸入時(shí)CBC模式才可以持續(xù)，否則H橋可能會(huì)出現(xiàn)一種假死狀態(tài)，因此出現(xiàn)沒(méi)有輸出的現(xiàn)象。但我們沒(méi)有對(duì)此進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)，而是繼續(xù)去掉C9和C13，這時(shí)，用示波器測(cè)量出OUT_AB/OUT_CD端對(duì)地波形如圖6所示，OUT_AB/OUT_CD端輸出波形除有過(guò)沖外，波形是清晰的。此時(shí)，即使在長(zhǎng)時(shí)間工作的情況下，C19和DRV8432均沒(méi)有明顯的溫升。

　　從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果看，依照參考文獻(xiàn)[2]來(lái)配置濾波電容，DRV84332不能正常工作，為此，我們?cè)谧罱K的設(shè)計(jì)中將DRV8432的功率輸出口上的濾波電容全部去除了。

　　(2)開(kāi)機(jī)浪涌抑制問(wèn)題

　　在最初的設(shè)計(jì)中，圖2中的R3，D3是沒(méi)有的，但這時(shí)的啟動(dòng)電流很大，如圖7所示，電流峰值可接近40A。這種開(kāi)機(jī)浪涌，無(wú)論是對(duì)供電電源還是對(duì)驅(qū)動(dòng)器上的元器件來(lái)說(shuō)都是不利的，必須采取措施來(lái)加以抑制。

　　抑制開(kāi)機(jī)浪涌的常用方法有：在濾波電容處串入NTC熱敏電阻、使用固定電阻器串入輸入端來(lái)抑制啟動(dòng)電流、在固定電阻上并聯(lián)電磁繼電器或者三段雙向可控硅等開(kāi)關(guān)器件，當(dāng)電源進(jìn)入正常工作狀態(tài)后再將此開(kāi)關(guān)接通[5]。

　　依照電路的實(shí)際情況，我們選用了第三種方法，在繼電器輸出觸點(diǎn)上并聯(lián)一個(gè)電阻(R3)，為實(shí)現(xiàn)防反接功能，再增加一個(gè)與電阻串聯(lián)的二極管(D3)，如圖2所示。在使用時(shí)，利用控制器控制繼電器觸點(diǎn)延時(shí)接通，即先經(jīng)電阻R3限流，對(duì)電源濾波電容C19充電一定時(shí)間后再接通觸點(diǎn)。延遲時(shí)間按照理想電容和電流的定義進(jìn)行估計(jì)(假定為恒流充電)：由Q=C×U=I×t，可得t=(C×U)÷I=(C×U)÷(U÷R)，則t=(1000×10-6F×24V)÷ (24V÷1200Ω)=1.2秒，取延時(shí)為2秒，測(cè)得的啟動(dòng)電流曲線如圖8所示，啟動(dòng)電流峰值至少降低了90%。

　　3 結(jié)語(yǔ)

　　這款基于DRV8432的直流力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)器成功地應(yīng)用于小型轉(zhuǎn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)，經(jīng)使用驗(yàn)證，DRV8432十分適合小功率直流力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)。由于其體積很小，外圍設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，因此，DRV8432也不失為研制一體化電機(jī)的可選方案。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]DRV8432/DRV8412:Dual Bridge PWM Motor Driver[R/OL].http://www.ti.com/lit/ds/symlink/drv8432.pdf

　　[2]DRV8432 EVM Motor Driver Evaluation Board User’s Guide[R/OL].http://www.ti.com/lit/ug/slou291a/ slou291a.pdf

　　[3]鄭軍奇.EMC電磁兼容設(shè)計(jì)與測(cè)試案例分析.2版.[M]北京:電子工業(yè)出版社，2009:163-166

　　[4]DRV8432燒壞原因[R/OL].www.deyisupport.com/question_answer/analog/f/60/t/19887.aspx

　　[5]陸紅.一種抑制啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生瞬時(shí)浪涌電流的電路.中國(guó),CN 201576933 U[P].2010-09-08