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.

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 V_INA и V_INB 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

V_{BE_ON(Q4)} – пороговое напряжение базы транзистора Q₄,
V_F(D6) – прямое падение напряжения на диоде D₆,
V_{CE_SAT} – напряжение насыщения коллектор-эмиттер транзисторов,
I_MOTOR – ток двигателя,
h_{FE_MIN(Q4)} – минимальный коэффициент передачи тока транзистора Q₄.

Для получения наилучших характеристик следует выбирать биполярные транзисторы с низким напряжением насыщения коллектор-эмиттер V_{CE_SAT} и большим коэффициентом передачи тока h_FE. 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.

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.

Материалы по теме