CN110971159B - 一种h桥直流电机大功率调速及其保护电路系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电子产品设计、电机控制技术领域，特别公开了一种H桥直流电机大功率调速及其保护电路系统。该系统包括具有四个并联结构桥臂的H桥单元，H桥单元内配备有直流电机，其特征在于：所述H桥单元分别连接左半桥驱动单元和右半桥驱动单元，左半桥驱动单元和右半桥驱动单元分别通过光电干扰隔离单元连接微控制器单元，非直接式直流电流采样单元连接在H桥单元的接地线上并连接微控制器单元；上述单元装置分别连接系统电源，且H桥单元的接地端与其他单元装置的接地端通过电感隔离。本发明具有主控MCU单元，可以实现独立而完善的控制和检测功能，具有驱动输出功率大、康烦扰能力强等优点，具有广泛的实际应用价值。

Description

一种H桥直流电机大功率调速及其保护电路系统

（一）技术领域

本发明涉及电子产品设计、电机控制技术领域，特别涉及一种H桥直流电机大功率调速及其保护电路系统。

（二）背景技术

H桥直流电机大功率调速及其保护电路系统被广泛应用于大功率直流电机、电动车、机器人和楼宇消防智能窗的控制中。

H桥首先要解决同臂导通问题。H桥有四个桥臂构成，每个桥臂均由开关器件和控制回路组成，左桥上臂开关K1和控制端CTR1，右桥上臂开关K2和控制端CTR2，右桥下臂开关K3和控制端CTR3，左桥下臂开关K4和控制端CTR4。K1和K3闭合，同时K2和K4断开，形成正向回路。K1和K3断开，同时K2和K4闭合，形成反向回路。控制逻辑出现问题，或者单片机复位期间引脚状态不确定的问题，会造成同臂导通，形成短路。

其次大功率H桥要解决桥臂的构成问题，桥臂常用的开关器件有继电器、三极管、MOS管、IGBT等。继电器属机械器件，开关次数有限，开关速度比较慢。MOS管属于电压驱动型器件，对于NMOS来说，只要栅极电压高于源极电压即可实现NMOS的饱和导通，MOS管开启与关断的能量损失仅是对栅极和源极之间的寄生电容的充放电，对MOS管驱动端要求不高。同时MOS端可以做到很大的电流输出，因此可以用于需要大电流的场所。

由NMOS管构成的H桥中，要打开由NMOS构成的H桥的上管，必须处理好A点(也就是上管的S极)“悬浮”的问题。由于NMOS的S极一般接地，被称为“浮地”，要使上管NMOS打开，必须使上管的G极相对于浮地有10-15V的电压差，这就需要采用升压电路。

发明专利CN110112966A1提出一种H桥控制电路，其特点是左桥上臂和右桥上臂由1个智能功率开关组成，左桥下臂和右桥下臂由1个NMOS管组成。该发明充分利用了智能功率开关提供各种检测功能。但是没有同臂导通解决方法，H桥输出的电流由1个NMOS管决定，电机正反转电流检测需要对智能功率开关2个点分别进行检测，占用资源多。

发明专利CN103872956B提出H桥四个桥臂均由多个半桥并联组成，实际为2个半桥并联。该专利每个并联的半桥由独立的引脚控制，占用控制引脚多。同时该发明左桥上臂和右桥上臂采用N沟道MOS管，均需要升压电路控制，发明中没有提及，而只是描述计算单元“113”和“123”为用于控制半桥的晶体管。

大功率的在线电流检测也是当前大功率H桥驱动的一个难题。发明专利CN110112966A1的电流检测是智能功率开关提供的，检测电流小，电机正反转电流检测需要对智能功率开关2个点分别进行检测，占用资源多。

（三）发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种独立控制、检测精确、节约成本的H桥直流电机大功率调速及其保护电路系统。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种H桥直流电机大功率调速及其保护电路系统，包括具有四个并联结构桥臂的H桥单元，H桥单元内配备有直流电机，其特征在于：所述H桥单元分别连接左半桥驱动单元和右半桥驱动单元，左半桥驱动单元和右半桥驱动单元分别通过光电干扰隔离单元连接微控制器单元，非直接式直流电流采样单元连接在H桥单元的接地线上并连接微控制器单元；上述单元装置分别连接系统电源，且H桥单元的接地端与其他单元装置的接地端通过电感隔离。

本发明中，微控制器单元提供控制、调速、电流检测和保护功能，通过光电干扰隔离单元，控制两个半桥驱动单元的使能端；光电干扰隔离单元将微控制器单元与半桥驱动进行隔离，并在MCU复位器件IO口的浮空输入状态转换成确定的低电平，失能半桥驱动，从而避免H桥驱动在微控制器单元复位期间误动作；半桥驱动单元将来自微控制器单元的控制信号转换为H桥的驱动信号。

本发明采用非直接式直流电流采样单元，对直流电流进行实时采样，将其隔离变换为标准的直流电压或直流电流输出给微控制器单元的模数转换输入单元，非直接式采样克服了直接式直流电流检测电路对串联电阻精度要求高、测量大直流电流时消耗功率大的难题。

本发明的更优技术方案为：

所述H桥单元包括左桥上臂、左桥下臂、右桥上臂、右桥下臂，每个桥臂均有M个NMOS管及其保护电路并联构成。

左半桥驱动单元和右半桥驱动单元具有输出使能、死区控制，完全避免了同臂导通短路的情况。半桥驱动高端具有自举电路，同时能解决由NMOS管构成的H桥中的上官NMOS的S极“悬浮”的问题，这样H桥的上臂和下臂都可以采用NMOS管，避免使用控制复杂、成本高、内阻大和工作电流小的PMOS管。

其中，左桥上臂和右桥下臂均有X个相同个数的NMOS管，两者构成正向回路；右桥上臂和左桥下臂均有Y个相同个数的NMOS管，两者构成反向回路；所需正向驱动电流和反向驱动电流相同时，X=Y=M；正向驱动电流与反向驱动电流不相同时，则X≠Y，这样的配制灵活，可以节约成本和PCB覆铜板的体积。

左桥上臂和右桥上臂、左桥下臂和右桥下臂除了并联NMOS管的数量不同，结构上分别为对称结构。

NMOS管的栅极和左/右桥驱动输出之间均串联有一个栅极电阻，其作用是调节NMOS管的开关速度，避免栅极出现振铃现象，否则将造成NMOS管振荡而烧毁；每个栅极电阻两端分别并联一个栅极二极管，当NMOS管关断时，栅极二极管导通缩短NMOS放电时间，加快其关断速度，从而减小NMOS管的开关损耗。

所述微控制器单元包括两路PWM信号输出单元、一路控制输出单元和一路模数转换输入单元，控制输出单元并联连接左半桥驱动单元和右半桥驱动单元的使能端，两PWM信号输出单元分别连通左半桥驱动单元和右半桥驱动单元的驱动输入端，实现调速动能；模数转换输入单元连接非直接式直流电流采样单元的输出端，对非直接式直流电流采样单元的输出进行模数变化，获取H桥实时驱动电流并换算成功率，实现过载保护功能。

所述系统电源包括并联的VCC1供电线路、VCC2供电线路、VCC3供电线路和VCC4供电线路，VCC1供电线路连接微控制器单元，VCC2供电线路连接光电干扰隔离单元，VCC3供电线路分别连接左半桥驱动单元、右半桥驱动单元、非直接式直流电流采样单元和直流电机，VCC4供电线路连接H桥单元。

所述左半桥驱动单元包括连接左桥驱动输入端的左桥上臂驱动单元和连接左桥驱动使能端的左桥下臂驱动单元，左桥上臂驱动单元通过左桥上臂驱动偏置单元连接左桥偏置电阻；右半桥驱动单元包括连接右桥驱动输入端的右桥上臂驱动单元和连接右桥驱动使能端的右桥下臂驱动单元，右桥上臂驱动单元通过右桥上臂驱动偏置单元连接右桥偏置电阻。

所述直流电机一端连接到左桥上臂源级、左桥下臂漏级、左桥偏置电阻，另一端连接到右桥上臂源级、右桥下臂漏级和右桥偏置电阻。

所述VCC1供电线路的电压为3.3V，VCC2供电线路的电压为5V，VCC3供电线路的电压为10-20V，VCC4供电线路的电压为0-600V。

H桥单元正向回路和反向回路共同的回路有VCC4供电线路接口和接地，本发明采用非直接式直流电流采样，并将传感器设置在接地处，使用一个传感器既能够检测正向电能，也能够检测反向电流。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和效果：

（1）本发明具有主控MCU单元，可以实现独立而完善的控制和检测功能；

（2）采用两个半桥驱动电路驱动H桥，从根本上解决了H桥同臂导通造成电源短路的现象；利用半桥驱动的自举电路和上臂驱动特点，使得上臂和下臂都可以采用NMOS管，避免使用控制复杂、成本高、内阻大和工作电流小的PMOS管；

（3）独特的NMOS管并联的桥臂结构，使得H桥驱动能够提供大功率电流；

（4）正向回路和反向回路独特的不同数量NMOS管并联配置结构，既可以极大满足不同的实际需求，同时可以节约成本，减小PCB覆铜板的体积；

（5）非接触式在线测量既能实时精确获取电流值，又能克服串联电子测量的缺点。

（四）附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明H桥电路的工作原理示意图；

图2为本发明的系统结构图；

图3为本发明光电干扰隔离单元的工作原理图；

图4为本发明NMOS管并联结构桥臂的H桥单元原理图。

图中，MCU100微控制器单元，201光电干扰隔离单元，300左半桥驱动单元，302左桥驱动使能单元，303左桥驱动输入端，304左桥上臂驱动单元，305左桥下臂驱动单元，306左桥上臂驱动偏置单元，307左桥偏置电阻，310右半桥驱动单元，312右桥驱动使能单元，313右桥驱动输入端，314右桥上臂驱动单元，315右桥下臂驱动单元，316右桥上臂驱动偏置单元，317右桥偏置电阻，401左桥上臂，402右桥上臂，403右桥下臂，404左桥下臂，500非直接式直流电流采样单元，M700直流电机，EN104控制输出单元，PWM102 PWM信号输出单元，ADC105模数转换输入单元。

（五）具体实施方式

下面基于附图并通过具体实施例对本发明进行详细阐述，以下实施例是对本发明的解释，而本发明并不局限于以下实施方式。

如图2所示，本发明是一种H桥直流电机大功率调速及其保护电路系统。该系统包括微控制器单元MCU100、光电干扰隔离单元201、左半桥驱动单元300、右半桥驱动单元310、4个具有NMOS并联结构桥臂的H桥单元、非直接式直流电流采样单元500和直流电机M700。其中，直流电机M700为成熟技术，在系统中是执行机构。本实施例将对除了直流电机M700以外的控制部分、工作原理和方法进行详细解释。

微控制器单元MCU100系统控制部分的核心，提供控制、调速、电流检测和保护功能。微控制器单元MCU100具有强大的控制能力和丰富的片内资源，优选STM32系列单片机，但不限于STM32单片机。微控制器单元MCU100的控制输出单元EN104采用通用IO口，通过光电干扰隔离单元201，控制左半桥驱动单元300和右半桥驱动单元310的使能端。微控制器单元MCU100的两个PWM信号输出单元PWM102作为2个半桥驱动单元的PWM驱动输入，实现调速功能。模数转换输入单元ADC105对非直接式直流电流采样单元500的输出进行模数变换，获取H桥实时驱动电流并换算成功率，实现过载保护功能。

光电干扰隔离单元201电路原理图如图3所示。电路由NPN型开关三极管Q43、光耦U1及其附属电路、电源VCC1和电源VCC2构成。VCC1与MCU电源一致，VCC2与半桥驱动输入电平要求一致。光电干扰隔离单元201将来自微控制器单元MCU100控制信号PWM-IN与半桥输入信号PWM-OUT隔离。当PWM-IN为“0”电平或者浮空输入时，光耦U1均为导通状态，PWM-OUT输出“0”电平。当PWM-IN为“1”电平时，光耦U1处于截止状态，PWM-OUT输出“1”电平，电平值等于VCC2；实现了光电干扰隔离单元201的信号隔离、电平变换和微控制器单元MCU100复位期间IO口处于浮空输入状态，将微控制器单元MCU100复位期间转换成确定的低电平，失能半桥驱动，保证H桥可靠截止的要求。

光电隔离后的微控制器单元MCU100的控制信号PWM-OUT输入到左半桥驱动单元300和右半桥驱动单元310的驱动输入单元、使能输入，实现H桥的控制。半桥驱动单元完全避免了同臂导通短路的情况，同时具有死区控制，半桥高端驱动具有自举电路，能解决由NMOS管构成的H桥中的上管NMOS的 S 极“悬浮”的问题。这样H桥的上臂和下臂都可以采用NMOS管，避免使用控制复杂、成本高、内阻大和工作电流小的PMOS管。由于上臂驱动偏置电阻可能出现负电压，因此在左桥上臂驱动偏置单元306和直流电机M700在A端串联左桥偏置电阻307，在右桥上臂驱动偏置单元316和直流电机M700的B端串联右桥偏置电阻317，可以在产生负电压时起到限流作用。

图4为本发明的NMOS管并联结构桥臂的H桥单元原理图。本发明的并联NMOS管结构桥臂的H桥有4个桥臂构成，分别为左桥上臂401，右桥上臂402，右桥下臂403和左桥下臂404。

直流电机M700一端连接到左桥上臂401的源级S级、左桥下臂403的漏级D级和左桥偏置电阻307的一端，即A点。直流电机M700另一端连接到右上桥臂402的源级S级、右桥下臂404的漏级D级和右桥偏置电阻317的一端，即B点。

左桥上臂401和右桥下臂403构成H桥的正向回路，并且具有X个相同个数的NMOS管并联。右桥上臂402和左桥下臂404构成H桥的反向回路，并且具有Y个相同个数的NMOS管并联。当所需正向驱动电流和反向驱动电流相同时，X=Y；不同时，X＜＞Y。这样的配置灵活，可以节约成本和PCB覆铜板的体积。

除了NNOS管并联个数不同，正向回路与反向回路具有对称结构。H桥工作原理实施例以正向回路为例，左桥上臂401由X个NMOS管并联组成（图中以4个NMOS管为例，Q21-Q24），每个NMOS管漏级接VCC4，源级接A点，漏级和源级之间接保护二极管（D70，D71，D72和D73）。每个NMOS的栅极分别通过各自的栅极电阻（R128，R131，R132和R138）和栅极二极管（D56，D58，D59，D65）并联到网络节点PIN1，接左桥上臂驱动单元304。

右桥下臂403由X由个NMOS管并联组成（图中以4个NMOS管为例，Q25，Q28，Q31和Q32），每个NMOS管漏级接B点，源级穿过非直接式直流电流采样单元500，最后接VSS，漏级和源级之间接保护二极管（D89-D92）。每个NMOS的栅极分别通过各自的栅极电阻（R147，R148，R151和R158）和栅极二极管（D77，D79，D80，D86）并联到网络节点PIN6，接右桥下臂驱动单元315。

栅极电阻的作用是调节NMOS管的开关速度，避免栅极出现振铃现象，避免造成并联的NMOS管震荡而烧毁。在每个栅极电阻两端并联1个栅极二极管，当NMOS 管关断时，栅极二极管导通缩短NMOS放电时间，加快其关断速度，从而减小NMOS管的开关损耗。

如附图2的系统结构图所示，正向回路和反向回路共同的回路有VCC4供电线路和接地VSS，本发明采用非直接式直流电流采样单元500，并将传感器设置在接地VSS处。非接触式采用将H桥正向和反向大电流隔离变换为标准的直流电压或者直流电流输出给MCU的模数转换输入单元ADC105，实现了H桥驱动输出大电流到数字信号的变换，为微控制器单元MCU100实现控制、调速和保护功能提供决策依据。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种H桥直流电机大功率调速及其保护电路系统，包括具有四个并联结构桥臂的H桥单元，H桥单元内配备有直流电机（M700），其特征在于：所述H桥单元分别连接左半桥驱动单元（300）和右半桥驱动单元（310），左半桥驱动单元（300）和右半桥驱动单元（310）分别通过光电干扰隔离单元（201）连接微控制器单元（MCU100），非直接式直流电流采样单元（500）连接在H桥单元的接地线上并连接微控制器单元（MCU100）；上述单元装置分别连接系统电源，且H桥单元的接地端与其他单元装置的接地端通过电感隔离；

光电干扰隔离单元（201）的电路由NPN型开关三极管Q43、光耦U1及其附属电路、电源VCC1和电源VCC2构成，电源VCC1与微控制器单元（MCU100）电源一致，电源VCC2与半桥驱动输入电平要求一致；光电干扰隔离单元（201）将来自微控制器单元（MCU100）的控制信号PWM-IN与半桥输入信号PWM-OUT隔离；当PWM-IN为“0”电平或者浮空输入时，光耦U1均为导通状态，PWM-OUT输出“0”电平；当PWM-IN为“1”电平时，光耦U1处于截止状态，PWM-OUT输出“1”电平，电平值等于VCC2；实现了光电干扰隔离单元（201）的信号隔离、电平变换和微控制器单元（MCU100）复位期间IO口处于浮空输入状态，将微控制器单元（MCU100）复位期间转换成确定的低电平，失能半桥驱动，保证H桥可靠截止的要求；

所述H桥单元包括左桥上臂（401）、左桥下臂（404）、右桥上臂（402）、右桥下臂（403），所述左桥上臂（401）和右桥下臂（403）均有X个NMOS管，两者构成正向回路；右桥上臂（402）和左桥下臂（404）均有Y个NMOS管，两者构成反向回路；所需正向驱动电流和反向驱动电流相同时，X=Y=M；所需正向驱动电流和反向驱动电流不同时，X≠Y；

所述直流电机（M700）一端连接到左桥上臂源级、左桥下臂漏级、左桥偏置电阻（307），另一端连接到右桥上臂源级、右桥下臂漏级和右桥偏置电阻（317）；

所述左半桥驱动单元(300)包括连接左桥驱动输入端（303）的左桥上臂驱动单元（304）和连接左桥驱动使能端（302）的左桥下臂驱动单元（305），左桥上臂驱动单元（304）通过左桥上臂驱动偏置单元（306）连接左桥偏置电阻（307）；右半桥驱动单元（310）包括连接右桥驱动输入端（313）的右桥上臂驱动单元（314）和连接右桥驱动使能端（312）的右桥下臂驱动单元（315），右桥上臂驱动单元（314）通过右桥上臂驱动偏置单元（316）连接右桥偏置电阻（317）。

2.根据权利要求1所述的H桥直流电机大功率调速及其保护电路系统，其特征在于：所述微控制器单元（MCU100）包括两路PWM信号输出单元（PWM102）、一路控制输出单元（EN104）和一路模数转换输入单元（ADC105），控制输出单元（EN104）并联连接左半桥驱动单元（300）和右半桥驱动单元（310）的使能端，两PWM信号输出单元（PWM102）分别连通左半桥驱动单元（300）和右半桥驱动单元（310）的驱动输入端，模数转换输入单元（ADC105）连接非直接式直流电流采样单元（500）的输出端。

3.根据权利要求1所述的H桥直流电机大功率调速 及其保护电路系统，其特征在于：所述系统电源包括并联的VCC1供电线路、VCC2供电线路、VCC3供电线路和VCC4供电线路，VCC1供电线路连接微控制器单元（MCU100），VCC2供电线路连接光电干扰隔离单元（201），VCC3供电线路分别连接左半桥驱动单元（300）、右半桥驱动单元（310）、非直接式直流电流采样单元（500）和直流电机（M700），VCC4供电线路连接H桥单元。

4.根据权利要求1所述的H桥直流电机大功率调速及其保护电路系统，其特征在于：所述左桥上臂（401）和右桥上臂（403）、左桥下臂（404）和右桥下臂（403）分别为对称结构。

5.根据权利要求1所述的H桥直流电机大功率调速及其保护电路系统，其特征在于：所述NMOS管的栅极和左/右桥驱动输出之间均串联有一个栅极电阻，每个栅极电阻两端分别并联一个栅极二极管。

6.根据权利要求3所述的H桥直流电机大功率调速及其保护电路系统，其特征在于：所述VCC1供电线路的电压为3.3V，VCC2供电线路的电压为5V，VCC3供电线路的电压为10-20V，VCC4供电线路的电压为0-600V。

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