電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片LMD18200原理及應(yīng)用
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[摘要] LMD18200是美國國家半導(dǎo)體公司(NS)推出的專用于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的H橋組件。同一芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件，利用它可以與主處理器、電機(jī)和增量型編碼器構(gòu)成一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。LMD18200廣泛應(yīng)用于打印機(jī)、機(jī)器人和各種自動(dòng)化控制領(lǐng)域。本文介紹了LMD18200芯片的結(jié)構(gòu)、原理及其典型應(yīng)用
1、 主要性能
l 峰值輸出電流高達(dá)6A，連續(xù)輸出電流達(dá)3A；
l 工作電壓高達(dá)55V；
l Low RDS(ON) typically 0.3W per switch；
l TTL/CMOS兼容電平的輸入；
l 無 “shoot-through” 電流；
l 具有溫度報(bào)警和過熱與短路保護(hù)功能；
l 芯片結(jié)溫達(dá)145℃，結(jié)溫達(dá)170℃時(shí)，芯片關(guān)斷；
l 具有良好的抗干擾性。
2、 典型應(yīng)用
l 驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)、步機(jī)電機(jī)
l 伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)位置與轉(zhuǎn)速
l 應(yīng)用于機(jī)器人控制系統(tǒng)
l 應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)
l 應(yīng)用于電腦打印機(jī)與繪圖儀
3、 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳說明
LMD18200外形結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)部電路框圖2如圖所示。它有11個(gè)引腳,采用TO-220和雙列直插式封裝。
各引腳的功能如下：
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引腳 |
名稱 |
功能描述 |
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1、11 |
橋臂1，2的自舉輸入電容連接端 |
在腳1與腳2、腳10與腳11之間應(yīng)接入10uF的自舉電容 |
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2、10 |
H橋輸出端 |
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3 |
方向輸入端 |
轉(zhuǎn)向時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)電流方向見表1。該腳控制輸出1與輸出2（腳2、10）之間電流的方向，從而控制馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的方向。 |
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4 |
剎車輸入端 |
剎車時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)電流方向見表1。通過該端將馬達(dá)繞組短路而使其剎車。剎車時(shí)，將該腳置邏輯高電平，并將PWM信號(hào)輸入端（腳5）置邏輯高電平，3腳的邏輯狀態(tài)決定于短路馬達(dá)所用的器件。3腳為邏輯高電平時(shí)，H橋中2個(gè)高端晶體管導(dǎo)通；3腳呈邏輯低電平時(shí)，H橋中2個(gè)低端晶體管導(dǎo)通。腳4置邏輯高電平、腳5置邏輯低電平時(shí)，H橋中所有晶體管關(guān)斷，此時(shí)，每個(gè)輸出端只有很小的偏流（1.5mA）。 |
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5 |
PWM信號(hào)輸入端 |
PWM信號(hào)與驅(qū)動(dòng)電流方向的關(guān)系見表1。該端與3腳（方向輸入）如何使用，決定于PWM信號(hào)類型。 |
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6、7 |
電源正端與負(fù)端 |
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8 |
電流取樣輸出端 |
提供電流取樣信號(hào)，典型值為377 µA/A。 |
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9 |
溫度報(bào)警輸出 |
溫度報(bào)警輸出，提供溫度報(bào)警信號(hào)。芯片結(jié)溫達(dá)145℃時(shí)，該端變?yōu)榈碗娖剑唤Y(jié)溫達(dá)170℃時(shí)，芯片關(guān)斷。 |
表1 LMD18200邏輯真值表
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PWM |
轉(zhuǎn)向 |
剎車 |
實(shí)際輸出驅(qū)動(dòng)電流 |
電機(jī)工作狀態(tài) |
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H |
H |
L |
流出1、流入2 |
正轉(zhuǎn) |
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H |
L |
L |
流入1、流出2 |
反轉(zhuǎn) |
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L |
× |
L |
流出1、流出2 |
停止 |
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H |
H |
H |
流出1、流出2 |
停止 |
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H |
L |
H |
流入1、流入2 |
停止 |
|
L |
X |
H |
NONE |
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LMD18200工作原理：
內(nèi)部集成了四個(gè)DMOS管，組成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的H型驅(qū)動(dòng)橋。通過充電泵電路為上橋臂的2個(gè)開關(guān)管提供柵極控制電壓，充電泵電路由一個(gè)300kHz左右的工作頻率。可在引腳1、11外接電容形成第二個(gè)充電泵電路，外接電容越大，向開關(guān)管柵極輸入的電容充電速度越快，電壓上升的時(shí)間越短，工作頻率可以更高。引腳2、10接直流電機(jī)電樞，正轉(zhuǎn)時(shí)電流的方向應(yīng)該從引腳步到引腳10；反轉(zhuǎn)時(shí)電流的方向應(yīng)該從引腳10到引腳2。電流檢測輸出引腳8可以接一個(gè)對(duì)地電阻，通過電阻來輸出過流情況。內(nèi)部保護(hù)電路設(shè)置的過電流閾值為10A，當(dāng)超過該值時(shí)會(huì)自動(dòng)封鎖輸出，并周期性的自動(dòng)恢復(fù)輸出。如果過電流持續(xù)時(shí)間較長，過熱保護(hù)將關(guān)閉整個(gè)輸出。過熱信號(hào)還可通過引腳9輸出，當(dāng)結(jié)溫達(dá)到145度時(shí)引腳9有輸出信號(hào)。
4、 典型應(yīng)用
LMD18200典型應(yīng)用電路如圖3所示。
LMD18200提供雙極性驅(qū)動(dòng)方式和單極性驅(qū)動(dòng)方式。雙極性驅(qū)動(dòng)是指在一個(gè)PWM周期里，電動(dòng)機(jī)電樞的電壓極性呈正負(fù)變化。雙極性可逆系統(tǒng)雖然有低速運(yùn)行平穩(wěn)性的優(yōu)點(diǎn)，但也存在著電流波動(dòng)大，功率損耗較大的缺點(diǎn)，尤其是必須增加死區(qū)來避免開關(guān)管直通的危險(xiǎn)，限制了開關(guān)頻率的提高，因此只用于中小功率直流電動(dòng)機(jī)的控制。本文中將介紹單極性可逆驅(qū)動(dòng)方式。單極性驅(qū)動(dòng)方式是指在一個(gè)PWM周期內(nèi),電動(dòng)機(jī)電樞只承受單極性的電壓。
該應(yīng)用電路是Motorola 68332CPU與LMD18200接口例子，它們組成了一個(gè)單極性驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的閉環(huán)控制電路。在這個(gè)電路中，PWM控制信號(hào)是通過引腳5輸入的，而轉(zhuǎn)向信號(hào)則通過引腳3輸入。根據(jù)PWM控制信號(hào)的占空比來決定直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。采用一個(gè)增量型光電編碼器來反饋電動(dòng)機(jī)的實(shí)際位置，輸出AB兩相，檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置，形成閉環(huán)位置反饋，從而達(dá)到精確控制電機(jī)。
5、 結(jié)束語
電動(dòng)機(jī)的數(shù)字控制是電動(dòng)機(jī)控制的發(fā)展趨勢，用單片機(jī)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制的最常用的手段。使用專門的電機(jī)控制芯片LMD18200可以減輕單片機(jī)負(fù)擔(dān)，工作更可靠。
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