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大功率直流马达的驱动――ABU ROBOCON 2005比赛之动力方案

工程师
2011-03-15 14:34:06     打赏
大功率直流马达的驱动――ABU ROBOCON 2005比赛之动力方案
写于: 星期四 10 三月 @ 00:04:10
 
机器人竞赛在机器人及精密控制等领域里,步进马达、伺服马达越来越被广泛应用。不过,在大功率动力动力,直流马达,包括传统的有刷马达(Brushed DC motor)和日益广泛应用无刷马达(Brushless DC motor),还占据主要的市场份额。本文根据个人的经历,介绍两种大功率直流马达的驱动方案(IR2104和TD340)。



大功率直流马达的驱动

――ABU ROBOCON 2005比赛之动力方案

在机器人及精密控制等领域里,步进马达、伺服马达越来越被广泛应用。不过,在大功率动力动力,直流马达,包括传统的有刷马达(Brushed DC motor)和日益广泛应用无刷马达(Brushless DC motor),还占据主要的市场份额。本文根据个人的经历,介绍两种大功率直流马达的驱动方案,由于其驱动电流非常大,很适合应用在ABU ROBOCON等类型的比赛机器人。

首先介绍的是来自IR公司的IR2104半桥(half-bridge)驱动芯片(除了IR2104外,IR公司还提供大量的选择――只可惜,好像很少全桥驱动芯片),这个系列的芯片价格比较低,外围部件不多。不过由于它仅仅提供半桥的驱动,如果需要全桥(full-bridge),那就需要两个了,这个在后面将给出一个来自别人的例子。

下图就是我做的一个电路:

这个电路基本就是采用Datasheet里提供的电路,不过为了扩大驱动电流,所有的MOSFET都是用2个并联。这里选用IRFIZ34,常用IR公司的产品也许直到这个型号(型号中带字母“I”,大概是来自‘’isolated”)是TO220--Fullpack包装,也就是散热片是隔离的,这样就可以将所有的MOSFET安装在同一个散热片上,非常方便。不过这种包装的产品最大电流不会很大,并且价格比普通的TO220包装的要贵。

这个电流最需要注意的是Bootstrap二极管(图中D2/D3)和Bootstrap(图中C22/C32)电容的选取。Bootstrap二极管需要选取快速开关的型号,例如1N4148,还要考虑电流。至于Bootstrap的选取,就更麻烦了,你可以仔细阅读IR的应用说明,例如这个“Bootstrap Component Selection For Control IC’s (pdf)”。应该选取漏电电流非常小的电容。我们刚开始做的时候,由于没有太多相关的知识,用了电解电容,结果MOSFET不到一分钟就可以热鸡蛋,幸好没有糊掉。

另外一个需要注意的地方是并联MOSFET。为了获取更大的电流,在这个设计所有的MOSFET两两并联,每个MOSFET一定要单独通过电阻与IR2104相连,否则将容易造成震荡,造成MOSFET的烧毁。如下就是错误的设计,我已经因为这个设计烧掉一筐MOSFET了。

关于电路的布线,需要注意的是Bootstrap电容一定要尽量靠近IR2104。

下面这个设计来自别人,用两个IR2104各自驱动一个半桥,最后组成全桥:

下面是文章的另一个部分,介绍来自ST公司的TD340。

TD340是ST比较新的产品,外围电路极为简单,功能也很完整,包括:

  1. 内置Bootstrap二极管。
  2. 内置5V整流,可以供MCU使用。
  3. 可以自己产生PWM(25KHz)。
  4. 带模拟温度输出(需要ADC来转成数字信号)。

由于功能比较完善,价格当然是不便宜了。我用的电路就是Datasheet提供的电路,如下图:

不一样的是MOSFET,我用了电流更大的STP100NF04,号称可以通过120A电流,而且它的R(DS)非常小,只有4.6mOhm,所以就算电流很大,在MOSFET上损耗的功率都不会太大,发热量也就是不会太大,在一些电流要求不是很大的情况下,甚至可以不同散热片。另外,TD340和STP100NF04都是专为汽车电子设计,可靠性非常不错,在恶劣的气温下工作也完全没有问题。

这个电路非常简单,由于内置Bootstrap二极管,所以唯一需要考虑的就是Bootstrap电容,Datasheet上推荐使用10倍的MOSFET gate capacitance,例如我用的STP100NF04,gate capacitance=5.1nF,所以我在电路中用47nF的电容。

由于强大的驱动能力,除了用来做机器人,我们现在还在考虑将这个电路用在电动自行车、汽车电子等应用领域上,如果有更好的应用领域,请告诉我们一声。

关于TD340,ST除了提供Datasheet外,还提供了两篇应用指南,如下:

AN1305, APPLICATION NOTE (PDF)

CURRENT MEASUREMENT AND LIMITATION IN TD340 BASED MOTOR CONTROL SYSTEMS

AN1304, APPLICATION NOTE (PDF)

USING THE TD340 : H-BRIDGE DRIVER FOR DC-MOTOR CONTROL

另外,网上有一篇广为流传关于TD340的文章,如下:

TD340芯片在直流调速系统中的应用(pdf 131K)
来源:国外电子元器件 作者:伊永峰 杨 勇 张立勋

关于这篇文章的讨论,请到这里。 另外,我们非常期待大家能提供更多有关ABU ROBOCON 2005的信息及相关的方案。

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