L直流电机驱动设计原理图及例程.docx

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L直流电机驱动设计原理图及例程

L6203直流电机控制驱动器

【简要说明】

一、尺寸：

长66mmX宽33mmX高28mm

二、主要芯片：

L6203

三、工作电压：

控制信号直流4.5~5.5V;驱动电机电压7.2~30V

四、可驱动直流（7.2~30V之间电压的电机）

五、最大输出电流4A

六、最大输出功率20W

七、特点：

1、具有信号指示

         2、转速可调

         3、抗干扰能力强

         4、具有续流保护

         5、可单独控制一台直流电机

        6、PWM脉宽平滑调速（可使用PWM信号对直流电机调速）

        7、可实现正反转

        8、此驱动器非常时候控制飞思卡尔智能车，驱动器压降小，电流大，驱动能力强。

【标注图片】

直流电机的控制实例

使用驱动器可以控制一台直流电机。

电机分别为OUT1和OUT2。

输入端EN可用于输入PWM脉宽调制信号对电机进行调速控制。

（如果无须调速可将EN使能端，接高低电平，高电平启动，低电平停止。

也可由单片机输出直接控制）实现电机正反转就更容易了，输入信号端IN1接高电平输入端IN2接低电平，电机正转。

（如果信号端IN1接低电平，IN2接高电平，电机反转。

）可参考下图表：

电机

旋转方式

控制端IN1

控制端IN2

EN使能端

M

正转

高

低

高

反转

低

高

高

调速

*

*

输入PWM信号

直流电机测试程序

【原理图】

【测试程序】

/********************************************************************

汇诚科技

实现功能:

调试程序

使用芯片：

AT89S52或者STC89C52

晶振：

11.0592MHZ

编译环境：

Keil

作者：

zhangxinchun

淘宝店：

汇诚科技

*********************************************************************/

#include

#defineucharunsignedchar//宏定义无符号字符型

#defineuintunsignedint//宏定义无符号整型

sbitP2_0=P2^0;//启动

sbitP2_1=P2^1;//停止

sbitP2_2=P2^2;//正转

sbitP2_3=P2^3;//反转

sbitP1_0=P1^0;//使能

sbitP1_1=P1^1;//IN1

sbitP1_2=P1^2;//IN2

/********************************************************************

延时函数

*********************************************************************/

voiddelay（uchart）//延时程序

{

ucharm,n,s;

for（m=t;m>0;m--）

for（n=20;n>0;n--）

for（s=248;s>0;s--）;

}

/********************************************************************

主函数

*********************************************************************/

main（）

{

while

（1）

{

if（P2_0==0）{delay（3）;if（P2_0==0）//启动

{

P1_0=1;

P1_1=1;

P1_2=0;

}}

if（P2_1==0）{delay（3）;if（P2_1==0）//停止

{

P1_0=0;

}}

if（P2_2==0）{delay（3）;if（P2_2==0）//正转

{

P1_1=1;

P1_2=0;

}}

if（P2_3==0）{delay（3）;if（P2_3==0）//反转

{

P1_1=0;

P1_2=0;

}}

}

}

/********************************************************************

结束

*********************************************************************/

L6203

DMOS（消耗型金属氧化物半导体）全控桥驱动器

⏹供电电压：

48V

⏹最大峰值电流5A（L6021最大2A）

⏹电流有效值：

⏹L6201:

1A;L6202:

1.5A;L6203/L6201PS:

4A

⏹RDS（ON）电阻值0.3Ω（室温25︒C）

⏹击穿电压保护

⏹兼容TTL电路

⏹运行最高频率100KHz

⏹热滞

⏹集成逻辑电路使用

⏹高效

概述

L6201是一种应用多源BCD（Bipolar,CMOS,DMOS）技术来控制电机的全控桥驱动器芯片，这种芯片能将独立的DMOS场效应晶体管和CMOS以及二极管集成在一块芯片上。

由于使用模块化扩展技术，L6201可以实现逻辑电路及功率级的优化。

DMOS场效应管能在42V的电压下运行，同时具备高效、高速的切换性能。

兼容所有的TTL,CMOSandμC输入。

每个独立的逻辑输入能控制一个沟道（半桥），而公共的使能端可以控制两个沟道。

L6201共有3中不同的封装型号。

多源BCD技术

分类数据：

L6201（SO20表面贴片）

L6201PS（PowerSO20）

L6202（双列直插封装18引脚）

L6203（Multiwatt封装）

结构图

引脚连接图（俯视）

引脚功能

芯片

名称

功能

L620

L6201PS

L6202

L6203

1

16

1

10

SENSE

外接电阻，提供电机反馈控制电流

2

17

2

11

ENABLE

高电平有效，选择IN1或者IN2接口

3

2,3,9,12

18,19

3

N.C.

不接线

4.5

—

4

6

GND

公共接地端

—

1,10

5

GND

公共接地端

6,7

—

6

GND

公共接地端

8

—

7

N.C.

不接线

9

4

8

1

OUT2

第二个半桥的输出口

10

5

9

2

Vs

电源端

11

6

10

3

OUT1

第一个半桥的输出口

（续）

12

7

11

4

BOOT1

引脚外接自举电容来确保第一级DMOS场效应管有效

13

8

12

5

IN1

电机的数字信号输入

14,15

—

13

6

GND

公共接地端

—

11,20

14

GND

公共接地端

16,17

—

15

GND

公共接地端

18

13

16

7

IN2

电机的数字信号输入

19

14

17

8

BOOT2

引脚外接电容来确保第一级DMOS场效应管有效

20

15

18

9

Vref

内置参考电压，通过电容充电。

含有内置电阻，最大电源输出2mA

绝对最大额定值

符号

参数

数值

单位

VS

电源端

52

V

VOD

不同的输出端的电压（在Out1到Out2之间）60V

60

V

VIN,VEN

输入或者是使能电压

-0.3到+7

V

IO

脉冲输出电流对于L6201PS/L6202/L6203（注1）

–无重复对于L6201

对于6201PS/L6202/L6203

直流输出电流对于L6201（注1）

5

5

10

1

A

A

A

A

Vsense

SensingVoltage检测电压

-0.1到+4

V

Vb

BoostrapPeakVoltage自举电容峰值电压

60

V

Ptot

总功耗

Tpins=90°C对于L6201

对于L6202

Tcase=90°C对于L6201PS/L6203

Tamb=70°C对于L6201（注2）

对于L6202（注2）

对于L6201PS/L6203（注2）

4

5

20

0.9

1.3

2.3

W

W

W

W

W

W

TstgTj

储能端节点

-40到+150

°C

注1：

脉冲宽度仅受节点及电热阻抗的影响（详见热特征参数表）

注2：

配置最小面积的铜片

热特征参数

符号

参数

数值

单位

L6201

L6201PS

L6202

L6203

Rthj-pins

Rthj-case

Rthj-amb

节点引脚热电max最大值

节点内热阻max.最大值

节点外热阻max.最大值

15

—

85

—

—

13（*）

12

—

60

—

3

35

°C/W

（*）安装铝制基片电路板

电气特性（测试电路参数：

温度=25︒C,，电压42V，传感电压0V，无别的特殊要求）

符号

参数

测试条件

最小

典型值

最大

单位

Vs

电源端

12

36

48

V

Vrel

参考电压

IREF=2mA

13.5

V

IREF

输出电流

2

mA

Is

静态电流

EN=HVIN=L

EN=HVIN=HIL=0

EN=L（图.1,2,3）

10

10

8

15

15

15

mA

mA

mA

fc

通信频率（*）

30

100

KHz

Tj

热关断

150

︒C

Td

死区时间

100

ns

晶体管

关断

IDSS

漏电流

图。

11

1

mA

导通

RDS

0.3

0.55

Ω

VDS（ON）

漏电压

图。

9

IDS=1AL6201

IDS=1.2AL6202

IDS=3AL6201PS/03

0.3

0.35

0.9

V

V

V

VSENS

检测电压

-1

4

V

二极管源极，漏极

VSD

正向偏置

图。

6a和b

0.9（**）

0.9（**）

1.35（**）

V

V

V

trr

反向偏置

IF=1AL6201

IF=1.2AL6202

IF=3AL6203

300

ns

tfr

正向导通时间

200

ns

逻辑电平

VINLVENL

输入低电平

-0.3

0.8

V

VINHVENH

输入高电平

2

7

V

IINLIENL

输入低电平

Vin，Ven=L

-10

μA

IINHIENH

输入高电平

Vin，Ven=H

30

μA

电气特性（续）

芯片控制逻辑时序

符号

参数

试验条件

最小

典型

最大

单位

t1（Vi）

源电流关断延迟时间

图12

300

ns

t2（Vi）

源电流关下降间

图12

200

ns

t3（Vi）

源电流导通延迟时间

图12

400

ns

t4（Vi）

源电流上升时间

图12

200

ns

t5（Vi）

反向电流关断延迟时间

图13

300

ns

t6（Vi）

反向电流下降时间

图13

200

ns

t7（Vi）

反向电流导通延迟时间

图13

400

ns

t8（Vi）

反向电流上升时间

图13

200

ns

（*）受限于功耗

（**）在同步整流中的（L6202//03）VSD压降如图4所示;一般L6201的电压值是0.3V

图1。

典型和Tj的示意图

图2。

典型静态电流和频率的示意图

图3。

典型Is和Vs的示意图

图4。

典型Rds和Vref的示意图（Vref从Vs到Vref）

图5。

正常状态（25°C）Rds的阻止与温度变化的示意图

图6（a），同步整流下二极管的状态（L6201）

图6（b），同步整流下二极管的状态（L6201PS/02/03）

图7（a）。

典型功耗与IL的示意图（L6201）

图7（b）。

典型功耗与IL的示意图（L6201PS/02/03）

图8（a）。

两相斩波

图8（b）。

单项斩波

图8（c）。

使能端斩波

测试电路

图9。

饱和电压

图10。

静态电流

图11。

漏电流示意图

图12。

源电流延迟时间及输入斩波示意图

图13。

反偏电流延迟时间及斩波

电路概述

L6201/1PS/2/3是一种应用多源BCD（Bipolar,CMOS,DMOS）技术，用于电机切换驱动的整块全桥芯片。

多源BCD技术是集成多个或者单独的DMOS场效应晶体管，另外还混合MOS管/二极管的控制电路。

通过使用这种技术使得这类芯片具备兼容所有TTL,COMS和μC并且可以消除外部MOS设备的驱动问题。

逻辑驱动图如表1所示。

表1

输入

场效应管的输出（*）

VEN=L

IN1

IN2

L

L

H

H

L

H

L

H

Sink1，Sink2

Sink1,Source2

Source1,Sink2

Source1.Source2

VEN=L

X

X

所有场效应管关断

L表示低电平H表示高电平X表示任意状态

（*）INPUT1和INPUT2是控制器的数字输出级

虽然L6201/1PS/2/3这类芯片能保证被击穿的情况的发生，但是不能避免由于DMOS管配置二极管的内部结构而引起的强电流产生的检测热量。

这种现象的产生主要是由于与节点组合的C1和C2两个电容充放电（如图14）。

当输出有高电平向低电平转换的时候，一股的尖峰电流注入电容C1。

在低电平向高电平转化的过程中同样有一股大的尖峰电流注入电容C2，底部DMOS场效应管的输入电容的充电导致在尖峰电流之前有电极性的跳变（如图15）。

图14.DMOS场效应管的内部结构

图15.在检测引脚的尖峰电流刘示意图

晶体管的运转

导通状态

当DMOS的其中一端处于到通的状态，那么可以说电阻RDS（ON）始终处于能操控的范围。

在此期间的功耗的表达式：

PON=RDS（ON）⋅IDS2（RMS）

多源BCD过程的低阻态电阻RDS（ON）在低功耗的情况选能提供高电流

关断状态

当DOMS的其中一端关断的时候，那么VDS的电压等于电压源的电压，同时只有漏电流IDSS存在。

此间的功耗有如下的公式：

POFF=VS⋅IDSS

此时的功耗十分低，较导通时候的功耗是可以被忽略的

晶体管

几乎可以发现，上述的晶体管的源极和沟道间内置二极管，二极管运行在一种快速，任意方向的切换模式。

在下次循环之前，使能端处于与高电平的状态，电压降等于电阻（RDS（ON））电流（ID）的乘积直到达到二极管的正向偏置电压。

当使能端是低电平时，场效应管关断，同时所有电流施加于二极管。

在反复循环的过渡时期的功率取决于电压—电流的波形以及驱动方式（如图7（a）,（b）,图8（a），（b）,（c））

Ptrans.=IDS（t）⋅VDS（t）

自举电容

只有所有的N沟道在10V的栅极电压下才能够确保DMOS晶体管的正确驱动。

对于底部的接地晶体管来说很容易证明，但是上部的晶体管显然需要一个更高的驱动电压。

当达到内置充电电流的达到峰值的时候能结合自举电容正确驱动。

为了充电能够有效的进行，自举电容的值应当大于1nF的晶体管的输入电容。

所以自居电容至少是10nF的。

如果自居电容的取值过小会引起场效应管的充电不充分，并导致RDS（ON）呈高阻态。

另一方面来说如果使用一个高容抗的电容那么在检测电阻上会产生尖峰电流。

参考电压

对于一个内部含有阻抗，电压的电路来说，应该在引脚和接地端放置一个电容。

容抗为0.22μF的电容是以满足条件。

引脚可以被最大为2mA的电流击穿，所以必须加以保护。

死区时间

为了保护桥臂中的同步电容引起的轨对轨短路电流，集成芯片提供了长于40ns的死区时间

热电阻的保护

热保护电路是必须具备的，一旦在节点温度达到150摄氏度的时候，那么它就失效了。

只有当温度降到安全的范围之内，重置驱动器，输入和使能信号才能被控制。

应用信息

循环电路

使能端置高电平时，电路是循环的。

晶体管的电压降可以通过RDS（ON）⋅IL的乘积表示，电压降的大小取决于珊源极的二极管特性。

虽然驱动器受传导的保护，尖峰电流还是能够通过内置的珊源级电容的充放电现象到达检测引脚端。

那么在这样的一个设备中，这不是引起任何的问题的，因为检测电阻能够承受的电压是被设计好的。

上升时间Tr（如图16.）

在电桥的对桥臂上的电容经上升时间充电达到最大值电流IL时，此时的能量表达式：

EOFF/ON=[RDS（ON）⋅IL2⋅Tr]⋅2/3

负载时间TLD（如图16）

在此期间的功率主要是由电阻也折算侧的功率组成，电阻消耗的功率：

ELD=IL2⋅RDS（ON）⋅2⋅T负载

折算侧的功率：

E折算=VS⋅IL⋅TCOM⋅fSWITCH⋅T负载

其中：

折算侧的计算时间等于导通和关断的时间，选择频率等于斩波频率

由上升时间可以推导，下降时间应该有类似的公式：

EON/OFF=[RDS（ON）⋅IL2⋅Tf]⋅2/3

静态功耗

驱动器能耗的最后组成部分是静态功耗，公式如下：

E静态=I静态⋅Vs⋅T

图16

一个周期内的能耗

ETOT=EOFF/ON+E负载+E折算+EON/OFF+E静态

总功耗的计算中的变量符号含义：

功耗等于能除以周期时间

Tr表示上升时间

TLD表示负载驱动时间

Tf表示下降时间

Td表示死区时间

T表示一个时间段

T=Tr+TLD+Tf+Td

直流电机速度控制

L6201/1PS/2/3自从制造成H全桥的封装芯片就被用作直流电机的控制。

主要用于直流电机速度和方向的功率级的控制。

如图17所示，L6201/1PS/2/3能够驱动像L6506的运用跨导放大器的电流整流器。

在这样一个实际的组态电路中中，L6506只有一半的借口呗用到，另一半可以用来驱动第二台电机。

L6506的检测电阻上的电流是镜像电流：

能够检测并比较电机的调速及制动的电压。

在L6506的两个检测端都配置了电阻RS。

如果L6506的输出和L6203的输入之间的连接过长的话，那么在L6203的输入端及接地端都要加电阻。

在输出端还应该配以RC保持器，同样型号为BYW98的二极管也被用在连接电源出入端和接地端之间。

如下的公式可以用来计算保持器的数值：

R≅VS/lp

C=lp/（dV/dt）

其中：

VS是源电压的最大值；IP是负载峰值电流；dv/dt受限于上升时间的输出电压（一般是V/μs）。

如果电源没有击穿电流保护，那么一个适当大一点的电容可以用在连接在L6203的供电端引脚。

在17号引脚的电容能够使得芯片更好的工作。

电机的的电流上线是2A。

L6202可用于同样电流，24V的电机。

图17：

双端电机控制

双极进电机

双极步进能在一片L6506或者L297，这两种BCD全桥驱动器，并加上一些外部设备。

综合上述三种芯片才能组成一个完整的微处理器电路接口。

如图18、19所示，控制器是直接连接两BCD驱动桥。

外部扩展设备用到的是最小化的电路:

一个斩波频率电路的RC网络，电阻（R1;R2）组成的比较器驱动，参考电压和保持电压是电阻和电容的串联。

（详见直流电机的速度控制）

图18。

两相双极步进电机斩波控制电路

图19。

两相双极步进电机斩波、晶体管控制电路

驱动电机的最小电压可以低于规定的最低12V的电压（详见电气特性表）；如此，可以有这样一个假设，适当减少电阻RDS（ON）的阻值，从而减少最后一级的供电电压，能从图20可以看出。

图20L6201/1P/2/3的电压范围为9—18V

热特性

基于此类驱动器的高效性能，往往不需要真正的热击穿或者就是很容易就能在P.C.B上做成斩波电路（L6201/2）。

在重载的时候，L6203需要适当的降温。

同样的情况，当斩波电路作用在L6201上时，如图23，图21指出该如何选择的基区面积。

L6201的功耗如上述表达式：

RThj-amb=（Tjmax.–Tambmax）/Ptot

图22能看出在一个脉冲宽度时间内电阻值与温度的关系。

图23和24涉及到L6202。

对于L6203还有一个附加的条件，图25（热电阻与周围温度的影响）及图26（峰值热电阻和脉冲宽度的关系），而图27则是单脉冲热阻值。

图21.L6201的RThJ-amb与基底面积示意图

图22。

典型电阻值与单脉冲示意图

图23.L6202的RThJ-amb与基底面积示意图

图24.L6202的典型电阻值与单脉冲示意图

图25.Multiwatt封装的功耗

图26.L6203的典型电阻值与重复脉冲示意图

图27.典型热电阻脉冲宽度与周期对比系数

L297

步进电机控制器

⏹常规波形驱动

⏹半/全步方式

⏹顺/逆时针转动方向

⏹规定的开关负载电流

⏹可编程负载电流

⏹外接设备少

⏹复位输入&基准输出

⏹使能端输入

概述

L297基于微处理器技术的集成电路芯片，用做两相双极性或四相单极性的步进电机控制器。

电机能在半步，标准波形下或者是PWM斩波电路的选择方式下的线圈电流下驱动。

这类芯片的特点：

值需要时钟信号，电机的旋转方向的输入信号。

自从微处理器的集成化和可编程化的运用，相角控制使用大量的减少。

封装在双列直插（20引脚）和表面贴片（20引脚）的L297被做成一整块全桥的驱动器，在L298N、L293E或者别的驱动器的驱动下使用。

分类数据：

L297/1（双列直插20引脚）

L297d（表面贴片20引脚）

绝对最大额定值

符号

参数

数值

单位

VS

电源端

10

V

Vi

输入信号

7

V

Ptot

功耗（Tamb=70°C）

1

W

Tstg,Tj

储能端和节点

-40到+150

°C

两相双