摘要：Infineon公司的大功率H半橋集成芯片BTN7970內(nèi)部集成了驅(qū)動(dòng)電路,，故可以直接和MCU接口,，同時(shí)具有電流檢測(cè),，以及過(guò)溫,、過(guò)壓、欠壓,、過(guò)流和短路保護(hù)等診斷功能,。本文介紹了BTN7970在直流電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的典型應(yīng)用，給出了電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路以及軟件設(shè)計(jì),。
關(guān)鍵詞：BTN7970,；H橋；PWM控制,；直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)
引言
微電機(jī)在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛,，采用驅(qū)動(dòng)電路和MOSFET管的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法不僅電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，而且不容易控制,。針對(duì)此問(wèn)題,，各半導(dǎo)體廠商推出了直流電機(jī)控制專用集成電路，無(wú)需驅(qū)動(dòng)便可以與MCU接口,，且無(wú)需另外添加電機(jī)電流檢測(cè)電路,，外圍器件少，電機(jī)控制簡(jiǎn)單,。
目前該類芯片已經(jīng)廣泛應(yīng)用于微電機(jī)的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域,，但它也存在一些缺點(diǎn)；輸出功率有限,，不適合大功率直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的需求,；采用PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)且PWM信號(hào)的頻率和占空比有一定限制；沒(méi)有光電隔離電路,，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生擊穿等故障時(shí)會(huì)損壞與之相連的MCU等器件,。
以Infineon公司推出的BTN7970芯片為例，它所供電壓為8～45 V,，最大電流為50 A,，驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM頻率為1～25 kHz,。由于功率和驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比的限制，使得它有很大的局限性,。在電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路和控制程序設(shè)計(jì)方面要綜合考慮并采取適當(dāng)措施,。本文將詳細(xì)介紹BTN7970在大功率微電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的典型應(yīng)用。
1 BTN7970簡(jiǎn)介
BTN7970是由Infineon(英飛凌)公司推出的智能功率驅(qū)動(dòng)芯片,，內(nèi)含電流檢測(cè)電路,、控制驅(qū)動(dòng)電路，以及1個(gè)P型和1個(gè)N型MOSFET管,，可以靈活應(yīng)用于2相或3相,、直流有刷或無(wú)刷電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)電路中,，不僅可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì),，而且使得控制更加簡(jiǎn)單。在過(guò)溫,、過(guò)壓,、欠壓、過(guò)流和短路的情況下,，芯片自動(dòng)關(guān)斷輸入,；當(dāng)電流超過(guò)標(biāo)定的最大電流時(shí)，通過(guò)MCU端的I／0使能引腳關(guān)斷驅(qū)動(dòng)芯片,。為了防止系統(tǒng)在工作過(guò)程中因?yàn)樾酒Ｗo(hù)而停止工作,，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮散熱、穩(wěn)壓,、過(guò)流保護(hù)等情況并采取措施,。
BTN7970提供PG-T0263-7-1、PG-T0220-7-11和PG-T0220-7-12三種封裝,。其引腳功能定義如表1所列,。
當(dāng)INH引腳輸入高電平時(shí)，OUT端輸出電壓由IN端輸入的PWM占空比決定,。當(dāng)占空比大于某個(gè)值時(shí),，輸入芯片內(nèi)部經(jīng)過(guò)非門驅(qū)動(dòng)電路后，輸出低電平使得上背P型MOSFET管導(dǎo)通,，此時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)輸入占空比后調(diào)節(jié)0UT端的輸出電壓,。當(dāng)輸入占空比為O時(shí)，輸入低電平經(jīng)過(guò)非門驅(qū)動(dòng)電路后,，輸出高電平使得下背N型MOSFET管導(dǎo)通,，IS端檢測(cè)的電流為經(jīng)過(guò)上背MOSFET管的電流(即電機(jī)當(dāng)前電流)。在實(shí)際應(yīng)用中通常將2片或3片BTN7970組合起來(lái)構(gòu)成電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路,。
2 電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
主控制器選用Freescale公司基于PowerPC構(gòu)架的32位處理器MPC5604P,。通過(guò)I／0口,、PWM輸出引腳、A／D采集引腳直接和BTN7970接口,。下面介紹2相直流電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)方法,。
采用2片BTN7970組成一個(gè)完整的H橋驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)l路有刷直流電機(jī)，如圖1所示,。其中,，0UT端分別接電機(jī)的兩端；IS端接下拉電阻,，用于配置IS端輸出電壓的范圍,；MOTOR_PWM_A與MOTOR_PWM_B，分別輸出非零占空比的PWM和零占空比的PWM,，保證左右半橋上下背各有一個(gè)導(dǎo)通,，組成一個(gè)回路；通過(guò)MOTORCURRENT端間接采集并計(jì)算得到的電流,，為通過(guò)左或右半橋上背P溝道MOSFET管的電流,；SR引腳通過(guò)下拉電阻接地，用于調(diào)節(jié)MOSFET管開(kāi)關(guān)頻率,，這里接5.1 kΩ電阻,，BTN7970的開(kāi)／關(guān)時(shí)間分別為4.4／3.4μs。另外,，由于BTN7970內(nèi)部沒(méi)有光電隔離,，故在與MCU接口時(shí)串聯(lián)10 kΩ電阻，防止驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生擊穿等故障時(shí)損壞與其相連接的MCU等器件,。
2片BTN7970組成的H橋和MPC5604P之間的接口如圖2所示,。對(duì)應(yīng)的引腳通過(guò)4個(gè)網(wǎng)絡(luò)變量連接。將MPC5604P的55引腳直接配置為I／0輸出,，接H橋的INH引腳,，控制BTN7970的運(yùn)行模式。當(dāng)INH為低電平時(shí),，BTN7970處于Sleep模式,，但此時(shí)芯片仍處于工作狀態(tài)，故其供電應(yīng)該由MPC5604P通過(guò)I／0引腳控制大電流繼電器來(lái)控制,。MPC5604P的53和54引腳配置為FlexPWM0模塊,，PWMA、PWMB輸出分別接左,、右半橋的IN引腳,。42引腳配置為A／D輸入接左、右半橋的IS引腳,，通過(guò)采集IS端電壓可間接計(jì)算出通過(guò)電機(jī)的電流：
式中,，VIS和RIS分別為IS端的電壓和電阻值,。這里，RIS為470 Ω,。
3 電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)使用了MPC5604P的4個(gè)信號(hào)引腳,，開(kāi)發(fā)和編譯環(huán)境為Code Warrior for MPC55xx V2．3，調(diào)試下載工具為USB Power PC Nexus Multilink調(diào)試器,。
3．1 MOTOR_CON控制引腳的初始化
通過(guò)配置SIU．PCR[43]寄存器將MPC5604P的55引腳配置為I／O輸出引腳,，即SIU．PCR[43]．R=0x0202。通過(guò)賦值操作SIU．GPDO[43].R=O／1,，即可讓該引腳輸出高／低電平,。
3．2 MOTOR_PWM_A／B的PWM初始化
首先，通過(guò)配置PSMI寄存器將flexpwm0 A[O],、B[0]分配到53,、54引腳，配置如下：
SIU．PSMI[20]．B．PADSEL=1,；
SIU．PSMI[24]．B．PADSEL=1,；
然后,，通過(guò)SIU．PCR寄存器的配置將53,、54多功能引腳配置為PWM輸出，配置如下：
通過(guò)調(diào)用函數(shù)FlexPWM_Init(O)即可將本設(shè)計(jì)中使用的flexpwm0模塊初始化,。接下來(lái)使能PWMA／B輸出配置如下：
在控制程序中通過(guò)調(diào)用輸出函數(shù)來(lái)配置數(shù)據(jù)重載,、PWM輸出和BTN7970使能，即可按設(shè)定的方向和占空比驅(qū)動(dòng)電機(jī),。
3．3 A／D初始化
首先,，通過(guò)SIU．PCR[29]．R=0x2400操作將PIN42引腳配置為A／D輸入引腳，通過(guò)采集IS端電壓間接計(jì)算出通過(guò)電機(jī)的電流,。本設(shè)計(jì)中使用了MPC5604P片內(nèi)ADCl模塊的AN[O]通道,，初始化配置如下：
在本設(shè)計(jì)中通過(guò)ADCl的1路硬件監(jiān)控電路對(duì)每次A／D采集的值和預(yù)先設(shè)置的值進(jìn)行比較。當(dāng)采集的值超出通過(guò)ADC_1．THRHLR0．R設(shè)定的上下限時(shí),，將產(chǎn)生中斷,。通過(guò)中斷服務(wù)程序?qū)OTOR_CON輸出低電平使驅(qū)動(dòng)IC進(jìn)入Sleep模式，即可實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù),。初始化和中斷服務(wù)函數(shù)注冊(cè)如下：
在SIR服務(wù)函數(shù)中,，通過(guò)SIU．GPD0[43]．R=O；即可關(guān)閉驅(qū)動(dòng)芯片,。接下來(lái)發(fā)送A／D通道轉(zhuǎn)換命令并查詢狀態(tài)標(biāo)志位,，轉(zhuǎn)換完畢后即可通過(guò)讀取．ADC_1．CDR[O]．B．CDATA寄存器得到采集的IS端電壓值,，并通過(guò)計(jì)算公式IL=19 500×VIS／470 Ω計(jì)算得到通過(guò)電機(jī)的電流,，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制,。
結(jié)語(yǔ)
本文介紹了基于BTN7970的2相直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路典型設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)外圍電路少,，無(wú)需外加控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路和電機(jī)電流檢測(cè)電路,，可直接和MCU接口，并可通過(guò)IS引腳輸入電壓計(jì)算直接得到通過(guò)電機(jī)的電流,。