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  • 45--三态双向驱动器

    2020-04-26 21:22:14
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    1 结构及工作原理

    1.1 结构组成

    多合一电驱动系统由EM,G-BOX,IPU,DCDC,OBC,HV-BOX,VCU,ACP,PUMP共9部分组成,如图1所示。整体采用四段式结构,分别为减速器左端盖、减速器右端盖、电机定子壳体、电机后端盖,其中减速器右端盖为电机和减速器共用端盖。ACP固定在电机左端盖上,PUMP固定在电机右端盖上。IPU,DCDC,OBC,HV-BOX,VCU布置在控制器系统壳体中,DCDC,OBC布置在同一层,称之为电源层;HV-BOX和IPU,VCU布置在同一层,称之为电机控制层,电源层和电机控制层共同组成控制器系统,布置在EM正上方。该多合一电驱动系统为原有长安量产的三合一电驱动系统和电源系统的进一步集成产品,提高了能量密度和冷却效率。

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    图1 多合一电驱动系统三维数模

    1.2 系统原理

    该多合一电驱动系统的系统原理图如图2所示,主要包括高压电传输、低压电信号传输、热量交换、动力传递等,其中高压电包括高压直流电、高压交流电、家用220 V交流电;低压电信号包括12 V直流电信号、CAN信号、高压互锁信号、电子锁位置信号、制动踏板位置信号等共62个电信号。

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    图2 多合一电驱动系统原理简图

    动力电池输出高压直流电,经过HV-BOX中叠层铜排将高压直流电分配成4部分,包括控制器系统内部IPU中的INV功率模块、DCDC模块,外部的ACP,PTC。INV功率模块将高压直流电转换成高压交流电输送到EM,驱动EM旋转;DCDC模块将高压直流电转换成低压直流电输送给12 V蓄电池,实现对12 V蓄电池进行动态充电,12 V蓄电池输出低压直流电给IPU中的INV控制模块和VCU控制模块[10]。OBC模块经过HV-BOX中叠层铜排与动力电池相连,OBC可将输入的家用220 V交流电转换成高压直流电,输入到动力电池中,此过程为动力电池慢充过程。

    该电驱动系统的冷却水路、PUMP和电驱动系统外部的冷却控制系统可组成封闭的回路。PUMP为回路中冷却液循环提供动力,冷却控制系统完成回路中冷却液的热交换,对电驱动系统中EM,IPU,DCDC,OBC进行冷却[11-12]。EM和G-BOX采用机械连接,通过花键轴、花键套结构实现动力传递。

    2 数值建模

    2.1 模型建立

    将多合一电驱动系统三维数模进行简化处理,导入到仿真软件中进行预处理,得到模型如图3所示,利用此模型进行有限元分析。

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    图3 预处理模型

    2.2 材料属性

    该多合一电驱动系统中各部件的材料不同。控制器壳体、上下盖板、电机端盖、减速器壳体及支架的材料为ADC12,定子铁心材料为硅钢,电机壳体材料为A365.0-T6,轴材料为20CrMnTi,屏蔽板材料为Q195,具体的材料属性如表1所示。

    表1 材料及物理属性

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    3 CAE仿真分析

    3.1 模态分析

    在进行模态分析时,低阶固有频率对振动影响较大,无需表示出全部阶次下的固有频率,根据经验选取前八阶模态进行分析。仿真分析结果表示,一阶模态为108.2 Hz,发生在控制器系统中屏蔽板(以下简称屏蔽板)处,如图4(a)所示;二阶模态为157.1 Hz,依然发生在屏蔽板处;控制器系统的整体模态发生在第七阶,如图4(b)所示,大小为437.8 Hz;八阶模态为443.9 Hz,发生在屏蔽板处。

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    (a) 一阶模态

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    (b) 七阶模态 图4 模态分析结果

    3.2 静力学分析

    对多合一电驱动系统进行静力学分析,根据整车运行工况确定载荷值,将其分解到X,Y,Z三轴上,用g的倍数表示大小,具体载荷值如表2所示。

    表2 静力学分析载荷值

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    在此工况下进行静力学分析,结果显示,屏蔽板处的最大应力较大,因此结果分析时分别表示多合一电驱动系统、屏蔽板两个部分(下同),具体结果如表3所示。

    表3 静力学分析结果

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    由表3可知,在沿Z轴-26g载荷下,多合一电驱动系统、屏蔽板产生的最大应力最大,分别为13.704MPa和132.162MPa,如图5所示,均满足要求。

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    (a) 多合一电驱动系统

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    (b) 屏蔽板 图5 沿Z轴-26g载荷下的最大应力

    3.3 扫频振动分析

    对多合一电驱动系统进行扫频振动分析,输入频率、振幅、加速度3个参数,确定其中任意2个参数,即可进行求解计算。根据整车运行工况确定Z轴方向的振动工况,如表4所示,X轴方向和Y轴方向振动工况的加速度应该减半。频率25 Hz以下为低频段,不选取与之对应的加速度[13-17]。

    表4 Z轴方向振动工况

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    经过扫频振动分析计算后,多合一电驱动系统、屏蔽板的最大应力及频率如表5所示。

    表5 扫频振动分析结果

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    由表5可知,多合一电驱动系统的最大应力为23.440 MPa,如图6(a)所示,满足要求。屏蔽板的最大应力为254.087 MPa,如图6(b)所示,大于屏蔽板材料Q195的屈服强度195 MPa,不满足要求。

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    (a) 多合一电驱动系统

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    (b) 屏蔽板 图6 扫频振动分析最大应力

    3.4 随机振动分析

    对多合一电驱动系统进行随机振动分析,输入频率和加速度谱密度(ASD)两项,根据整车运行工况选取频率分别为10Hz,100Hz,300Hz,500Hz,2 000 Hz,与之对应的ASD值分别为10 m2·s-4/Hz,10 m2·s-4/Hz,0.51 m2·s-4/Hz,5 m2·s-4/Hz,5 m2·s-4/Hz。仿真分析结果如表6所示[18-20]。

    表6 随机振动分析结果

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    由表6可知,多合一电驱动系统最大3σ应力为68.307 MPa,如图7(a)所示,满足要求。屏蔽板最大3σ应力为268.182 MPa,如图7(b)所示,大于Q195的屈服强度195 MPa,不满足要求。

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    (a) 多合一电驱动系统

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    (b) 屏蔽板 图7 最大3σ应力

    综上所述,多合一电驱动系统(除屏蔽板外)静力学分析、扫频振动分析、随机振动分析结果均满足要求。屏蔽板静力学分析结果满足要求,扫频振动分析、随机振动分析结果不满足要求。因此,需要对屏蔽板进行改进设计,具体措施如下:

    1) 增加屏蔽板安装孔个数;

    2) 将屏蔽板的材料更改为Q235,Q235的屈服强度为235 MPa,抗拉强度为375~500 MPa。

    4 改进后CAE仿真分析

    4.1 模态分析

    根据仿真分析结果及经验选取前十五阶模态进行分析。仿真分析结果表示,一阶模态为58.16 Hz,发生在屏蔽板处;二阶模态为85.42 Hz,依然发生在屏蔽板处;控制器系统的整体模态发生在第十五阶,大小为437.7 Hz,较改进前一阶模态和模态密度均降低。

    4.2 静力学分析

    借用上文中的载荷值作为输入并对其进行简化,取消表3中序号4、序号5表示的载荷,具体结果如表7所示。

    表7 改进后静力学分析结果

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    由表7可知,多合一电驱动系统、屏蔽板的最大应力分别为13.704MPa和170.481 MPa,均满足要求。

    4.3 扫频振动分析

    借用上文的表4作为输入进行仿真分析计算,具体结果如表8所示。

    表8 改进后扫频振动分析结果

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    由表8可知,多合一电驱动系统、屏蔽板的最大应力分别为23.440MPa和65.752MPa,均满足要求。

    4.4 随机振动分析

    借用上文中的输入条件进行仿真分析计算,具体结果如表9所示。

    表9 改进后随机振动分析结果

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    由表9可知,多合一电驱动系统、屏蔽板的最大3σ应力分别为68.307 MPa和171.309 MPa,均满足要求。

    4.5 耐冲击分析

    对多合一电驱动系统进行耐冲击分析,对其施加半正弦冲击载荷,载荷值大小分别为沿Z轴方向25g、X轴方向12.5g及Y轴方向12.5g,持续时间为6 s。评价标准为最大应力是否满足σmax≤σb,仿真分析结果如表10所示。

    表10 耐冲击分析结果

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    由表10可知,多合一电驱动系统最大应力为21.704 MPa,如图8(a)所示,满足要求。屏蔽板最大应力为173.414 MPa,如图8(b)所示,小于Q235的抗拉强度375~500 MPa,满足要求。

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    (a) 多合一电驱动系统

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    (b) 屏蔽板 图8 耐冲击分析最大应力

    4.6 疲劳分析

    借用上文中扫频振动分析时X,Y,Z三个方向的输入条件,分别历时8 h;随机振动分析时的输入条件扩展到沿X,Y,Z三个方向各历时22 h,将所有结果叠加作为疲劳分析的最终结果。结果显示,多合一电驱动系统最大疲劳损伤值为5.279×10-4,小于标准值1,满足要求;屏蔽板最大疲劳损伤值为0.255,大于标准值0.2,根据经验对此进行评估认为风险可忽略[21-22]。

    综上所述,对改进后的多合一电驱动系统依次进行模态分析、静力学分析、扫频振动分析、随机振动分析、耐冲击分析和疲劳分析,模态分析结果表明,较改进前一阶模态和模态密度均降低,其余五项分析结果均满足要求。

    4.7 讨论

    改进后多合一电驱动系统模态分析结果显示,一阶模态和模态密度均降低,带来的影响为屏蔽板同整车其他零部件发生共振的风险增大。针对该多合一电驱动系统模态分析结果进行评价时,在目前开发研究阶段,尚无定量的频率范围判定优劣。因此,目前不对屏蔽板再次进行结构优化,而采取在屏蔽板安装孔处增加软垫的方式减小共振风险。

    5 结 语

    本文设计了一款由EM,G-BOX,IPU,DCDC,OBC,HV-BOX,VCU,ACP,PUMP共9部分组成的多合一电驱动系统,该系统可实现性能的提升和成本的降低。该多合一电驱动系统及屏蔽板的静力学分析、扫频振动分析、随机振动分析、耐冲击分析、疲劳分析结果均满足要求。

    参考文献

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    来源 | EDC电驱未来

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    这篇文章是出自荷兰代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)机器人研究所(Delft Robotics Institute)团队,16年底发表在机器人学界顶级刊物: Transaction on Robotics (TRO)的工作。一篇侧重机械设计类的文章能够被顶刊收录,足以证明其设计的创新性和实用性。

    我在阅读这篇文章之后,觉得本身是一个很新颖的点子,并且有一定的实际应用意义和背景,再加上良好的硬件实现,最终实验验证性能优异,所以特地写到专栏分享一下~

    (注:这篇文章的阅读会需要一定的机器人硬件与驱动器相关的背景知识)

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    应用背景

    首先来谈谈应用背景——极其适用于在Rest-to-Rest Motion中提高能量效率,而Rest-to-Rest Motion在机器人或工业自动化中的典型应用有:

    • Pick-and-Place robots,即基于机械臂的分拣机器人;
    • Intermittently moving belts, 即需要间歇性停顿或者换向的传送带;

    以上两个典型应用可以说是在当前自动化工业生产、物流等领域能够具体“落地”的机器人应用场景,如果能够有符合此类场景的高能量效率的新驱动器出现,将会是有很大的推广价值和经济效益。

    创新贡献

    首先说明提升能量效率的原理还是基于机械结构上平行弹性元件的应用,因此这个驱动器的本质还是一个平行弹性驱动器即PEA(Parallel Elastic Actuator)。

    区别于当前主流PEA的被动储能单向储能等缺陷,这个新驱动器的设计是能够精确主动控制平行弹性储能元件的储能时间和储能方向(双向)

    样机展示

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    BIC-PEA Prototype

    这里特地说明一下,上图的名为BIC-PEA的样机,只是一个单纯结构上的“储能单元”,并不包含驱动器模块中的减速箱和电机部分。但即便如此,整体样机重202克,并且尺寸能够容纳在一个51毫米长、45毫米为直径的圆柱体中,可以算的是非常紧凑和高集成度的设计和硬件实现。

    代尔夫特团队的文章称其为“actuator”——我们需要尊重作者,因此后文即称呼BIC-PEA为驱动器

    核心原理

    那么这款新型基于PEA原理的驱动器,是如何做到精确主动控制平行弹性储能元件的储能时间和储能方向的呢?

    代尔夫特大学团队使用了液压系统原理图来做更加清晰明了的解释:

    598ed0635346d6a6338db35f68863228.png
    主动可控双向储能液压原理图

    整个液压系统原理图由一个差速器(Differential),弹簧(Spring)和两个带有锁定结构(Locking Mechanisms)的阀门(Valves)组成。差速器的作用既是使得关节活塞输出速度等于两输入活塞速度之和,即:

    ,而阀门(Valves)则能够在外界可控信号下控制活塞
    的通断。

    具体的动态工作原理和流程用如下这个视频更容易解释明白:

    f5bbfadd844ce6754023b7008e866d2e.png
    https://www.zhihu.com/video/994443029465436160

    具体解读:

    • 0-8s:动态展示了液压系统原理图的结构,和上图微小差别在于活塞
      的位置互换;
    • 9-21s:当我们主动控制关闭
      的阀门,弹簧在机器人关节(Robot Joint)
      向右移动时被压缩,即机器人关节向右移动时储能
    • 21-35s:当我们主动控制关闭
      的阀门,弹簧在机器人关节(Robot Joint)
      向左移动时被压缩,即机器人关节向左移动时储能
    • 35-49s:动态展示了当我们主动控制
      的通断时,机器人关节(Robot Joint)的能量能够在任何位置、任意方向、任意时刻被储存和释放出来。

    机械实现

    当驱动器的基本原理通过液压系统了解了之后,如何才能用具体的机械结构去实现这样的工作原理呢?具体解读如下:

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    BIC-PEA 机械结构原理实现图

    整个机械结构由如下主要结构组成:

    • 行星差速器(Planetary differential): 使得输出轴的速度为两个内齿圈的平均速度,即
      ,文中选中的是理想差速器的配置,即
      ;
    • 扭簧(Torsion Spring): 实际机械系统中的储能装置;
    • 刹车片(Brake Pad)x 2:能够锁死内齿圈(Internal Gear),相当于之前提到液压系统的阀门;

    对于核心的行星差速器结构,这里还需要再具体解读一下:

    78effb8585181d8576c26b6338e7f271.png
    行星差速器结构

    经典的行星差速器结构:同色间齿轮-内齿圈传动,刹车片通过锁死内齿圈来控制

    的运动。注意:蓝色内齿圈和红色内齿圈间通过扭簧连接在一起。

    实验验证

    为了验证机械设计的有效性,需要进行相关实验检验其能量效率。

    之前提及到这个所谓的“驱动器”并不包含相应的驱动电机,只是单纯的一个可控的“储能单元”,相关的实验台搭建如下:

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    实验台搭建相关

    这里需要特别注明的是:

    上图中的Maxon RE-30 DC motor为这个系统中实际的驱动电机,通过相应的带传动(Belt Transmission)与BIC-PEA的Robot Joint相连接(图中被铝合金板挡住)。

    同时,Robot Joint的末端直接与输出端Arm相连接。

    因此,如果我们仔细考究BIC-PEA与电机Maxon相对输出端Arm的关系:实际上BIC-PEA和电机Maxon都是直接与输出端相连,呈现一个“并联”的关系,这也是这个储能概念——平行弹性驱动器(Parallel Elastic Actuator, PEA)名称的由来。

    具体的实验也很简单,其实就是一个输出端Arm的Rest-to-rest motion,即Arm的旋转角位置从0变换到

    ,相关的实验数据:角位置、角速度、力矩和能量消耗如下图:

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    Rest-to-rest motion的能量消耗数据图

    根据代尔夫特团队的实验数据:仿真中的能量效率能够达到惊人的73%提升,实际实验中能量效率则达到提升65%,而在现实的任务也能达到53%的能量效率的提升。

    总结

    总体而言,BIC-PEA的设计概念的创新性、样机的良好实现性和未来的实际价值都毋庸置疑,这是一篇顶刊TRO级别的工作,赞美之词我这里就不再多说了。

    但本着实事求是的原则,学术上没有任何的工作是完美无暇的,因此还是想在这斗胆来说说critical的评价:

    • 由于实际样机中没有引入减速箱,峰值扭矩只能达到致命的1.5Nm级别,因此只能适合轻负载的应用场合;
    • 现阶段Maxon驱动电机和BIC-PEA的带传动连接方式,注定了在机电系统高集成度上的欠缺(输出轴与电机轴不同轴),不适合于驱动器集成密度高的腿足式机器人的应用场合;
    • 由于是使用电磁铁和刹车片(Solenoid+Brake Pad)的方案锁死内齿圈,因此基于这个原理,即使未来能够引入适当的减速箱,但峰值力矩的上限仍然会被通过电磁铁产生的最大锁死力所限制,峰值力矩的上升空间不足。

    但无论如何,精巧的原理设计和机械实现还是很让人耳目一新。一些原理上的设计也希望能够给大家的实际项目带来一些灵感和启发。

    如果有做机器人科研领域偏硬件相关的同行,也可以读一读这篇文章——大致心理有数,顶刊级别的硬件文章应该按照什么路子和标准去撰写。

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    参考文献

    Plooij, Michiel, Martijn Wisse, and Heike Vallery. "Reducing the energy consumption of robots using the bidirectional clutched parallel elastic actuator."IEEE Transactions on Robotics 32, no. 6 (2016): 1512-1523.

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    直流电机驱动电路的设计目标

    在直流电机驱动电路的设计中,主要考虑以下几点:

    功能:电机是单向还是双向转动?需不需要调速?对于单向的电机驱动,只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可,当电机需要双向转动时,可以使用由4个功率元件组成的H桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。如果不需要调速,只要使用继电器即可;但如果需要调速,可以使用三极管,场效应管等开关元件实现PWM(脉冲宽度调制)调速。

    性能:对于PWM调速的电机驱动电路,主要有以下性能指标:

    输出电流和电压范围,它决定着电路能驱动多大功率的电机。
    效率,高的效率不仅意味着节省电源,也会减少驱动电路的发热。要提高电路的效率,可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通(H桥或推挽电路可能出现的一个问题,即两个功率器件同时导通使电源短路)入手。
    对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的信号隔离,防止有高电压大电流进入主控电路,这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。
    对电源的影响。共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染;大的电流可能导致地线电位浮动。
    可靠性。电机驱动电路应该尽可能做到,无论加上何种控制信号,何种无源负载,电路都是安全的。

    1. 输入与电平转换部分:

    输入信号线由DATA引入,1脚是地线,其余是信号线。注意1脚对地连接了一个2K欧的电阻。当驱动板与单片机分别供电时,这个电阻可以提供信号电流回流的通路。当驱动板与单片机共用一组电源时,这个电阻可以防止大电流沿着连线流入单片机主板的地线造成干扰。或者说,相当于把驱动板的地线与单片机的地线隔开,实现“一点接地”。

    高速运放KF347(也可以用TL084)的作用是比较器,把输入逻辑信号同来自指示灯和一个二极管的2.7V基准电压比较,转换成接近功率电源电压幅度的方波信号。KF347的输入电压范围不能接近负电源电压,否则会出错。因此在运放输入端增加了防止电压范围溢出的二极管。输入端的两个电阻一个用来限流,一个用来在输入悬空时把输入端拉到低电平。

    不能用LM339或其他任何开路输出的比较器代替运放,因为开路输出的高电平状态输出阻抗在1千欧以上,压降较大,后面一级的三极管将无法截止

    1. 栅极驱动部分:

    后面三极管和电阻,稳压管组成的电路进一步放大信号,驱动场效应管的栅极并利用场效应管本身的栅极电容(大约1000pF)进行延时,防止H桥上下两臂的场效应管同时导通(“共态导通”)造成电源短路。

    当运放输出端为低电平(约为1V至2V,不能完全达到零)时,下面的三极管截止,场效应管导通。上面的三极管导通,场效应管截止,输出为高电平。当运放输出端为高电平(约为VCC-(1V至2V),不能完全达到VCC)时,下面的三极管导通,场效应管截止。上面的三极管截止,场效应管导通,输出为低电平。

    上面的分析是静态的,下面讨论开关转换的动态过程:三极管导通电阻远小于2千欧,因此三极管由截止转换到导通时场效应管栅极电容上的电荷可以迅速释放,场效应管迅速截止。但是三极管由导通转换到截止时场效应管栅极通过2千欧电阻充电却需要一定的时间。相应的,场效应管由导通转换到截止的速度要比由截止转换到导通的速度快。假如两个三极管的开关动作是同时发生的,这个电路可以让上下两臂的场效应管先断后通,消除共态导通现象。

    实际上,运放输出电压变化需要一定的时间,这段时间内运放输出电压处于正负电源电压之间的中间值。这时两个三极管同时导通,场效应管就同时截止了。所以实际的电路比这种理想情况还要安全一些。

    场效应管栅极的12V稳压二极管用于防止场效应管栅极过压击穿。一般的场效应管栅极的耐压是18V或20V,直接加上24V电压将会击穿,因此这个稳压二极管不能用普通的二极管代替,但是可以用2千欧的电阻代替,同样能得到12V的分压。

    3.场效应管输出部分:

    大功率场效应管内部在源极和漏极之间反向并联有二极管,接成H桥使用时,相当于输出端已经并联了消除电压尖峰用的四个二极管,因此这里就没有外接二极管。输出端并联一个小电容(out1和out2之间)对降低电机产生的尖峰电压有一定的好处,但是在使用PWM时有产生尖峰电流的副作用,因此容量不宜过大。在使用小功率电机时这个电容可以略去。如果加这个电容的话,一定要用高耐压的,普通的瓷片电容可能会出现击穿短路的故障。

    输出端并联的由电阻和发光二极管,电容组成的电路指示电机的转动方向.

    4.性能指标:

    电源电压15~30 V,最大持续输出电流5A/每个电机,短时间(10秒)可以达到10A,PWM频率最高可以用到30KHz(一般用1到10KHz)。电路板包含4个逻辑上独立的,输出端两两接成H桥的功率放大单元,可以直接用单片机控制。实现电机的双向转动和调速。

    5.PCB的布局布线:

    大电流线路要尽量的短粗,并且尽量避免经过过孔,一定要经过过孔的话要把过孔做大一些(>1mm)并且在焊盘上做一圈小的过孔,在焊接时用焊锡填满,否则可能会烧断。另外,如果使用了稳压管,场效应管源极对电源和地的导线要尽可能的短粗,否则在大电流时,这段导线上的压降可能会经过正偏的稳压管和导通的三极管将其烧毁。在一开始的设计中,NMOS管的源极于地之间曾经接入一个0.15欧的电阻用来检测电流,这个电阻就成了不断烧毁板子的罪魁祸首。当然如果把稳压管换成电阻就不存在这个问题了。

    电机驱动电路的PCB 需要采用特殊的冷却技术,以解决功耗问题。印刷电路板 (PCB) 基材(例如 FR-4 环氧树脂玻璃)的导热性较差。相反,铜的导热性非常出色。因此,从热管理角度来看,增加 PCB 中的铜面积是一个理想方案。厚铜箔(例如:2 盎司(68 微米厚))的导热性优于较薄的铜箔。然而,使用厚铜箔的成本较高,并且难以实现精细的几何形状。

    因此,使用 1 盎司(34 微米)铜箔变得很常见。外层通常使用½ 盎司到1 盎司的铜箔。多层电路板内层使用的固体铜面具有良好的散热性。然而,由于这些铜面通常都置于电路板叠层的中央,因此热量会聚集在电路板内部。增加 PCB 外层的铜面积,并经由许多通孔连接或“缝接”至内层,有助于将热量转移到内层外部。

    由于存在走线和元件,双层 PCB 的散热可能会更加困难。因此,尽可能多地提供固体铜面,并实现与电机驱动器 IC 的良好热连接显得非常必要。在两个外层上都增加覆铜区,并将其与许多通孔连接在一起,有助于由走线和元件分割的各区域间散热。

    a、走线宽度:越宽越好

    由于电机驱动器 IC 的进出电流较大(在一些情况下超过 10 A),因此应谨慎考虑进出器件的 PCB 走线宽度。走线越宽,电阻越低。必须调整走线尺寸,以使走线电阻不会消耗过多功率,避免导致走线升温。太小的走线其实可以作为电熔丝,并且容易烧断!

    设计师通常使用 IPC-2221 标准来确定适当的走线宽度。这一规范针对各种电流电平和允许的温升提供了显示铜横截面积的相应图表,可转换为给定铜层厚度条件下的走线宽度。例如 1 盎司铜层中承载 10 A 电流的走线需要稍宽于 7 mm,以实现 10℃的温升。针对 1-A 电流,走线宽度只需为 0.3 mm。

    鉴于此,10 A 电流似乎不可能通过微型 IC 板。

    需要理解的是,IPC-2221 中建议的走线宽度适用于等宽长距离 PCB 走线。如果采用更短的PCB 走线也有可能通过更大得多的电流,且不会产生任何不良作用。这是因为短而窄的 PCB 走线电阻较小,且产生的任何热量都将被吸收至更宽的铜区域,而该区域则起到了散热片的作用。

    加宽 PCB 走线,
    以使 IC 板能够更好地处理持续电流。
    参见图中的示例。尽管该器件的 IC 板只有 0.4 mm 宽,但它们必须承载高达 3 A 的持续电流。所以我们需要尽可能地将走线加宽,并靠近器件。

    走线较窄部分产生的任何热量被传导至较宽的铜区域,以使较窄走线的温升可以忽略不计。

    嵌入在 PCB 内层的走线无法像外层的走线一样充分散热,因为绝缘基板的导热性不佳。为此,内层走线应设计为外层走线的约两倍宽。

    作为一个大致的指导方针,下表显示了电机驱动器应用中较长走线(超过大约 2 cm)的建议走线宽度。

    如果空间允许,使用更宽走线或覆铜区的布线可使温升和压降达到最低。

    b、热通孔:尽可能多地使用

    通孔是小型的电镀孔,通常用于将一根走线从一层穿至另一层。虽然热通孔采用同样的方式制成,但却用于将热量从一层传至另一层。适当使用热通孔对于 PCB 的散热至关重要,但是必须考虑几个工艺性问题。

    通孔具有热阻,这意味着当热量流过通孔时,通孔之间会出现一些温降,测量单位为℃/W。为使这一热阻降至最低,并提高通孔传输热量时的效率,应使用大通孔,且孔内应含有尽可能多的铜面积。

    应使用大通孔(图为通孔的横截面),且孔内应含有尽可能多的铜面积,以使热阻降至最低。
    尽管在 PCB 的开口区域可以使用大通孔,但通孔往往置于 IC 板区域内,以直接从 IC 封装中转移热量。在这种情况下,无法使用大通孔。这是因为大型的电镀通孔可能会导致“渗锡”,即用于连接 IC 与 PCB 的焊料向下流入通孔中,从而导致焊接点质量不佳。

    可以通过几种方式来减少渗锡。其中一种是使用非常小的通孔,以减少渗入到孔中的焊料量。然而,小型通孔的热阻更高,因此为实现相同的热力性能,需要更多的通孔。

    另一种技术是在板的背面为通孔“搭帐篷”。这需要移除板背面阻焊层中的缺口,以使阻焊层材料盖住通孔。如果通孔较小,阻焊层将塞住通孔;因此,焊料就无法渗透 PCB。

    不过,这可能会产生另外一个问题:焊剂聚集。通孔被塞住后,通孔中可能会聚集焊剂(焊膏的一种成分)。一些焊剂配方可能具有腐蚀性,如不去除,时间一长会导致可靠性问题。不过,现代大多数免清洗焊剂工艺不具有腐蚀性,且不会导致问题。

    请注意,热通孔不得使用热风焊盘,它们必须直接连接至铜区域。

    热通孔应直接连接PCB 上的铜区域。

    建议 PCB 设计人员与表面贴装技术 (SMT) 工艺工程师一起检查 PCB 组装件,以选择适用于该组装件工艺的最佳通孔尺寸和结构,尤其是当热通孔置于 IC 板区域内时。

    c、电容的布放

    电机驱动器 IC 的元件布局指南与其他类型的电源 IC 类似。旁路电容器应尽可能地靠近器件电源引脚,而大容量电容器则置于其旁边。许多电机驱动器 IC 使用引导和/或电荷泵电容器,其同样应置于 IC 附近。

    大多数信号直接在顶层路由。电源从大容量电容器路由至底层的旁路和电荷泵电容器,同时在各层过渡之处使用多个通孔。

    TSSOP 和 QFN 封装的器件底层有一个较大的外露式 IC 板。该 IC 板连接至芯片的背面,用于去除器件中的热量。该 IC 板必须充分焊接至 PCB 上,以消耗功率。

    为沉积该 IC 板的焊膏而使用的模具开口并不一定会在 IC 数据表中详细说明。通常,SMT 工艺工程师对模具上应沉积多少焊料以及模具应使用何种图案有其自己的规则。

    如果使用类似于 IC 板大小的单个开口,则会沉积大量焊膏。这样可能会因焊料熔化时的表面张力而导致器件被抬起。另一个问题是焊料空洞(焊料区域内的空腔或缺口)。在回流焊过程中,焊剂的挥发性成分蒸发或沸腾时,就会出现焊料空洞。这可能会导致焊料被推出焊接点。

    为解决这些问题,针对面积大于约 2 平方毫米的 IC 板,焊膏通常沉积在几个小的方形或圆形区域。将焊膏分成更小的区域可使焊剂的挥发性成分更易于逸散出焊膏,而不会使焊料移位。
    QFN 封装的该焊料模有四个小开口,用于沉积中央IC 板上的焊膏。

    SOT-23 和 SOIC 封装

    标准的引线封装(如 SOIC 和 SOT-23 封装)通常用于低功率电机驱动器中。
    为了充分提高引线封装的功耗能力,采用“倒装芯片引线框架”结构。在不使用接合线的情况下,使用铜凸点和焊料将芯片粘接至金属引线,从而可通过引线将热量从芯片传导至 PCB。

    倒装芯片引线框架结构有助于充分提高引线封装的功耗能力。

    通过将较大的铜区域连接至承载较大电流的引线,可优化热性能。在电机驱动器 IC 上,通常电源、接地和输出引脚均连接至铜区域。

    如下图所示为“倒装芯片引线框架”SOIC 封装的典型 PCB 布局。引脚 2 为器件电源引脚。请注意,铜区域置于顶层器件的附近,同时几个热通孔将该区域连接至 PCB 背面的铜层。引脚 4 为接地引脚,并连接至表层的接地覆铜区。引脚 3(器件输出)也被路由至较大的铜区域。

    倒装芯片 SOIC PCB 布局

    请注意,SMT 板上没有热风焊盘;它们牢牢地连接至铜区域。这对实现良好的热性能至关重要。

    QFN 和 TSSOP 封装

    TSSOP 封装为长方形,并使用两排引脚。电机驱动器 IC 的 TSSOP 封装通常在封装底部带有一个较大的外露板,用于排除器件中的热量。

    TSSOP 封装通常在底部带有一个较大的外露板,用于排除热量。

    QFN 封装为无引线封装,在器件外缘周围带有板,器件底部中央还带有一个更大的板。这个更大的板用于吸收芯片中的热量。

    为排除这些封装中的热量,外露板必须进行良好的焊接。外露板通常为接地电位,因此可以接入 PCB 接地层。

    在理想情况下,热通孔直接位于板区域。在的 TSSOP 封装的示例中,采用了一个 18 通孔阵列,钻孔直径为 0.38 mm。该通孔阵列的计算热阻约为 7.7°C/W。

    采用了一个 18 热通孔阵列的 TSSOP 封装 PCB 布局

    通常,这些热通孔使用 0.4 mm 及更小的钻孔直径,以防止出现渗锡。如果 SMT 工艺要求使用更小的孔径,则应增加孔数,以尽可能保持较低的整体热阻。
    除了位于板区域的通孔,IC 主体外部区域也设有热通孔。在 TSSOP 封装中,铜区域可延伸至封装末端之外,这为器件中的热量穿过顶部的铜层提供了另一种途径。

    QFN 器件封装边缘四周的板避免在顶部使用铜层吸收热量。必须使用热通孔将热量驱散至内层或 PCB 的底层。

    采用9个热通孔的 QFN 封装 PCB 布局

    图中的 PCB 布局所示为一个小型的 QFN (4 × 4 mm) 器件。在外露板区域中,只容纳了九个热通孔。因此,该 PCB 的热性能不及 TSSOP 封装。

    倒装芯片 QFN 封装

    倒装芯片 QFN (FCQFN) 封装与常规的 QFN 封装类似,但其芯片采取倒装的方式直接连接至器件底部的板上,而不是使用接合线连接至封装板上。这些板可以置于芯片上的发热功率器件的反面,因此它们通常以长条状而不是小板状布置。

    这些封装在芯片的表面采用了多排铜凸点粘接至引线框架。

    FCQFN 封装在芯片的表面采用了多排铜凸点粘接至引线框架

    小通孔可置于板区域内,类似于常规 QFN 封装。在带有电源和接地层的多层板上,通孔可直接将这些板连接至各层。在其他情况下,铜区域必须直接连接至板,以便将 IC 中的热量吸入较大的铜区域中。

    下图器件具有较长的电源和接地板,以及三个输出口。请注意,该封装只有 4 × 4 mm 大小。

    FCQFN封装IC的 PCB 布局
    器件左侧的铜区域为功率输入口。这个较大的铜区域直接连接至器件的两个电源板。

    三个输出板连接至器件右侧的铜区域。注意铜区域在退出板之后尽可能地扩展。这样可以充分将热量从板传递到环境空气中。

    同时,注意器件右侧两个板中的数排小通孔。这些板均进行了接地,且 PCB 背面放置了一个实心接地层。这些通孔的直径为 0.46 mm,钻孔直径为 0.25 mm。通孔足够小,适合置于板区域内。

    综上所述,为了使用电机驱动器 IC 实施成功的 PCB 设计,必须对 PCB 进行精心的布局。因此,本文提供了一些实用性的建议,以期望可以帮助 PCB 设计人员实现PCB板良好的电气和热性能。
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空空如也

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