Нетрадиционная схема управления двигателем постоянного тока с постоянными магнитами

ON Semiconductor NSS40200L NST489AMT1G

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.

Материалы по теме

  1. Datasheet ON Semiconductor NSS40200L
  2. Datasheet ON Semiconductor NST489AMT1G
  3. Datasheet Diodes ZHB6790
  4. Datasheet Vishay UF5401

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Microcontroller drives H bridge to power a permanent-magnet dc motor

JLCPCP: 2USD 2Layer 5PCBs, 5USD 4Layer 5PCBs

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя