使用 DRV8874 具有集成电流检测和调节功能的 H 桥电机驱动器

接线图 2024年11月08日 18:37 1 admin

过去，我们为各种项目发布了许多有刷直流电机驱动板，通常它们有一些限制，因为其中一些尺寸很大，需要大尺寸散热器，没有电流反馈，它们没有有过载保护，有些需要外部大尺寸分流电阻，毕竟，最近我们发现了来自德州仪器的令人惊叹的DRV8874芯片，它具有一些令人惊叹的功能和保护功能。它具有小型封装，无需散热器即可处理高电流。我们很快就成为了这款芯片的粉丝，经过一些测试和实验，我们正在分享这个开源模块。该芯片可与 PWM/DIR 输入、PWM 输入和 2 x 半桥一起使用，用于双电机控制。我们已经使用 PWM/DIR 输入测试了该项目，并且可以使用插头连接器访问芯片的所有输入和输出。请参阅DRV8874的数据表来探索其他功能并根据要求配置该板。下面提供了示例 Arduino 代码。
　　电机电源 4.5V 至 24V（最大输入 37V DC）负载电流 0.5A/1A（最大 3.7A）峰值负载电流 6 安培脉宽调制频率 10Khz 至 20Khz脉宽调制占空比 0-100%比例电流输出（IPROPI）负载电流0.5A时1.5V输出无需散热器用于设置过载保护的微调电位器带 I Trip 的过载保护逻辑电源3.3V所需的 PWM 和 DIR 信号具备刹车功能欠压锁定 (UVLO)热关断（TSD）故障自动恢复所有输入信号均为 3.3V 电压电平（支持 1.8V、3.3V 和 5V 逻辑输入）故障输出（通常为高电平 3.3V，发生故障时为低电平）使能输入（高输入使能，低输入禁用输出）PCB 尺寸 40.64 x 26.19 毫米
　　在主要应用示例中，我们配置并测试了该项目，以使用 H 桥配置驱动通过外部负载（例如有刷直流电机）的双向电流。 H 桥极性和占空比由Arduino 等外部控制器的 PWM 和 I/O 资源控制，连接到 EN/I1 (PWM) 和 PH/I2 (DIR) 引脚。通过将 PMODE 引脚连接至 GND，将该器件配置为 PH/EN 控制模式。限流阈值 (ITRIP) 由微调电位器 PR1 从控制逻辑电源电压 (3.3V) 生成。通过将 IMODE 引脚连接到 GND，可以将该器件配置为固定关断时间电流调节方案，或者通过保持该引脚悬空 (Hi-Z) 来锁定过流/负载输出。负载电流通过控制器的 ADC 进行监控，以检测 R2 RIPROPI 两端的电压。电流设置为0.5A。工作频率1 0至20Khz。脉宽调制0 至 100%。
　　控制电机速度和方向接口类型所需的以下信号/输入（CN1 = 10 针接头连接器）

　　引脚 1：接地引脚2：PM，将此引脚连接到GND（低电平信号/GND）引脚 3：VC（3.3V/100mA 逻辑电源）引脚 4：I1（PWM 输入 0-100% 占空比，频率 10 至 20Khz）引脚5：I2（高低电平控制电机方向）高=3.3V，低=GND引脚 6：SL（睡眠模式，将该引脚拉至低电平，芯片进入睡眠模式，高电平输入使能电路板）高电平=3.3V，低电平=GND引脚 7：FL（故障输出，这是一个输出引脚，通常为高电平，当发生故障情况时变为低电平）引脚 8：IP（电机负载电流反馈输出引脚提供模拟电压输出以与 ADC 连接）引脚 9：IM（通过将 IMODE 引脚连接到 GND，该器件被配置为固定关断时间电流调节方案）引脚10：接地

　　提供了一个示例 Arduino 代码来测试该板。 Arduino 生成PWM信号和DIR信号。检查上面的连接图并相应地连接所有连接。将I TRIP微调电位器置于中间，连接电机和电源，电机应以半速正转，反向2秒后循环。
　　Arduino 数字引脚D9连接到 I2/PH/DIR，Arduino 数字引脚D10连接到 I1/EN/PWM，SL-nSleep=3.3V，VC=3.3V，GND=GND，PMode=GND，IMODE=GND 或如果需要，Fault 引脚可以悬空连接到 Arduino 的任意数字引脚，电流反馈 IP 可以连接到 Arduino 的模拟输入来测量电机负载电流。
　　VREF 电位器 PR1
　　设置0V 和 3.3V之间的参考电压。 IPROPI 信号电压将与 IPROPI 引脚流出的电流成正比。有关 IPROPI 的更多信息，请参阅下面的DRV8874数据表。电流斩波阈值 (ITRIP) 通过 VREF 电压 (VVREF) 和 IPROPI 输出电阻器 R2 (RIPROPI) 的组合来设置。这是通过使用内部比较器将外部 RIPROPI 电阻器上的电压降与 VVREF 进行比较来完成的。
　　ITRIP (A) x AIPROPI (μA/A) = VVREF (V) / RIPROPI (Ω)
　　例如：
　　如果 VVREF = 2.5V、RIPROPI = 5.6K 欧姆且 AIPROPI = 450μA/A，则 ITRIP 约为 0.5A。如果 VVREF = 2.5V、RIPROPI = 1.5K 欧姆且 AIPROPI = 450μA/A，则 ITRIP 约为 3.7A。
　　IMODE 引脚（IM 引脚 9，CN5）
　　IMODE 引脚：使引脚悬空 (Hi-Z)，在发生过流情况时输出锁存
　　IMODE 引脚：低/GND 这允许器件在电机失速、高扭矩或其他高电流负载事件时限制输出电流。
　　该项目可以通过多种方式进行配置（有关更多信息，请参阅 DRV8874）
　　PMODE 功能，逻辑低电平=PWM/DIR，逻辑高电平=PWM，开路/浮动高阻抗 = 两个独立的半桥
　　DRV8874 – 具有集成电流感应和反馈功能的 37V、6A H 桥电机驱动器
　　采用HTSSOP封装的 DRV8874
　　电流检测和调节
　　器件集成了电流感应、调节和反馈。这些功能使器件无需外部检测电阻或检测电路即可检测输出电流，从而减少系统尺寸、成本和复杂性。这还允许设备在电机失速或高扭矩事件的情况下限制输出电流，并通过电流比例输出向控制器提供有关负载电流的详细反馈。
　　IPROPI 引脚输出模拟电流，该模拟电流与流经 H 桥中低侧功率 MOSFET 的电流成比例，并由 AIPROPI 缩放。 IPROPI 输出电流可通过公式 1 计算。公式 1 中的 ILSx 仅当电流从低侧 MOSFET 的漏极流向源极时才有效。如果电流从源极流向漏极，则该通道的 ILSx 值为零。例如，如果电桥处于制动、慢衰减状态，则 IPROPI 输出的电流仅与低侧 MOSFET 之一的电流成正比。 IPROPI (μA) = (ILS1 + ILS2) (A) x AIPROPI (μA/A) (1) 电流通过内部电流镜架构测量，无需外部功率检测电阻。此外，电流镜架构允许在驱动和制动低侧慢衰减周期中感测电机绕组电流，从而允许在典型情况下进行连续电流监控。
　　双向有刷直流电机应用。在惯性模式下，电流是续流的，无法被感测到，因为它从源极流向漏极。然而，可以通过在驱动或慢衰减模式下短暂地重新启用驱动器并在再次切换回滑行模式之前测量电流来对电流进行采样。在独立 PWM 模式且两个低侧 MOSFET 都承载电流的情况下，IPROPI 输出将是两个低侧 MOSFET 电流之和。 IPROPI 引脚应连接到接地的外部电阻 (RIPROPI)，以便在 IPROPI 引脚上生成与 IIPROPI 模拟电流输出成比例的电压 (VIPROPI)。这样就可以使用标准模数转换器 (ADC) 将负载电流测量为 RIPROPI 电阻器上的压降。 RIPROPI 电阻器的大小可以根据应用中的预期负载电流来确定，以便利用控制器 ADC 的全部范围。此外，DRV887x-Q1 器件还实施内部 IPROPI 电压钳位电路，以根据 VREF 引脚上的 VVREF 限制 VIPROPI，并在输出过流或意外高电流事件时保护外部 ADC。输出电流对应的 IPROPI 电压可通过公式 VIPROPI (V) = IPROPI (A) x RIPROPI ( Ω )计算得出
　　电流调节
　　DRV887x-Q1 系列器件使用固定关断时间或逐周期 PWM 电流斩波方案集成电流调节。电流斩波方案可通过 IMODE 四电平输入进行选择。这使得器件能够在电机停转、高扭矩或其他高电流负载事件时限制输出电流。 IMODE 电平可以通过使引脚悬空 (Hi-Z)、将引脚连接到 GND 或在 IMODE 和 GND 之间连接一个电阻来设置。当器件通过 nSLEEP 引脚启用时，IMODE 引脚状态被锁存。可通过以下方式更改 IMODE 状态：将 nSLEEP 引脚置于逻辑低电平，等待 tSLEEP 时间，更改 IMODE 引脚输入，然后通过将 nSLEEP 引脚置于逻辑高电平来启用器件。 IMODE 输入还用于选择器件对过流事件的响应。请参阅保护电路部分的更多详细信息，请参阅数据表。
　　通过将 IPROPI 连接到 GND 并将 VREF 引脚电压设置为大于 GND（如果不需要电流反馈），可以禁用内部电流调节。如果需要电流反馈且不需要电流调节，请设置 VVREF 和 RIPROPI，以使 VIPROPI 永远不会达到 VVREF 阈值。为了使电流调节电路正常工作，VVREF 必须在推荐工作条件表中指定的 VREF 引脚范围内。在独立半桥控制模式 (PMODE = Hi-Z) 下，内部电流调节自动禁用，因为输出独立运行，并且电流检测和调节在半桥之间共享。
　　DRV8874-Q1是一款集成电机驱动器，具有 N 通道 H 桥、电荷泵、电流感应和比例输出、电流调节和保护电路。电荷泵通过支持 N 沟道 MOSFET 半桥和 100% 占空比驱动来提高效率。该器件系列采用引脚对引脚 RDS (on) 变体，以最小的设计更改支持不同的负载。 IPROPI 引脚上的内部电流镜架构实现电流检测和调节。这样就无需使用大功率分流电阻器，从而节省了电路板面积并降低了系统成本。 IPROPI 电流检测输出允许微控制器检测电机停转或负载条件的变化。使用外部电压基准引脚 VREF，这些器件可以在启动和高负载事件期间调节电机电流，而无需与微控制器交互。低功耗睡眠模式通过关闭大部分内部电路来实现超低静态电流消耗。内部保护功能包括电源欠压锁定、电荷泵欠压、输出过流和器件过热。故障情况在 nFAULT 上指示。
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