大功率直流马达的驱动——ABU ROBOCON 2005比赛之动力方案 -

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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：


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2010-2-23 16:52:07 上传
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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。


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2010-2-23 16:52:08 上传
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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：


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2010-2-23 16:52:08 上传
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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：


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2010-2-23 16:52:07 上传
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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。

来源：RobotDIY