BTN7970在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

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，以及過溫、過壓、欠壓、過流和短路保護(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。針對此問題，各半導(dǎo)體廠商推出了直流電機(jī)控制專用集成電路，無需驅(qū)動(dòng)便可以與MCU接口，且無需另外添加電機(jī)電流檢測電路，外圍器件少，電機(jī)控制簡單。
    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信號驅(qū)動(dòng)且PWM信號的頻率和占空比有一定限制；沒有光電隔離電路，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PWM頻率為1～25 kHz。由于功率和驅(qū)動(dòng)信號占空比的限制，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、直流有刷或無刷電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)電路中，不僅可以簡化電路設(shè)計(jì)，而且使得控制更加簡單。在過溫、過壓、欠壓、過流和短路的情況下，芯片自動(dòng)關(guān)斷輸入；當(dāng)電流超過標(biāo)定的最大電流時(shí)，通過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端檢測的電流為經(jīng)過上背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。

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    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MOTORCURRENT端間接采集并計(jì)算得到的電流，為通過左或右半橋上背P溝道MOSFET管的電流；SR引腳通過下拉電阻接地，用于調(diào)節(jié)MOSFET管開關(guān)頻率，這里接5.1 kΩ電阻，BTN7970的開／關(guān)時(shí)間分別為4.4／3.4μs。另外，由于BTN7970內(nèi)部沒有光電隔離，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。對應(yīng)的引腳通過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I／0引腳控制大電流繼電器來控制。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，通過采集IS端電壓可間接計(jì)算出通過電機(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)信號引腳，開發(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。接下來使能PWMA／B輸出配置如下：

    在控制程序中通過調(diào)用輸出函數(shù)來配置數(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)。[!--empirenews.page--]

3．3 A／D初始化
    首先，通過SIU．PCR[29]．R=0x2400操作將PIN42引腳配置為A／D輸入引腳，通過采集IS端電壓間接計(jì)算出通過電機(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ADCl的1路硬件監(jiān)控電路對每次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ADC_1．THRHLR0．R設(shè)定的上下限時(shí)，將產(chǎn)生中斷。通過中斷服務(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)過流保護(hù)。初始化和中斷服務(wù)函數(shù)注冊如下：

    在SIR服務(wù)函數(shù)中，通過SIU．GPD0[43]．R=O；即可關(guān)閉驅(qū)動(dòng)芯片。接下來發(fā)送A／D通道轉(zhuǎn)換命令并查詢狀態(tài)標(biāo)志位，轉(zhuǎn)換完畢后即可通過讀?。瓵DC_1．CDR[O]．B．CDATA寄存器得到采集的IS端電壓值，并通過計(jì)算公式IL=19 500×VIS／470 Ω計(jì)算得到通過電機(jī)的電流，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制。

結(jié)語
    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，無需外加控制信號驅(qū)動(dòng)電路和電機(jī)電流檢測電路，可直接和MCU接口，并可通過IS引腳輸入電壓計(jì)算直接得到通過電機(jī)的電流。