基于N通道和P通道MOSFET的音圈电机高速驱动系统

摘要

基于N通道和P通道MOSFET的音圈电机高速驱动系统，涉及一种音圈电机的驱动系统，解决现有采用高压领域的集成桥驱动器存在资源浪费，且导致电机无法工作等问题，主要是针对音圈电机工作电压较低工作频率高的特点，采用两个N通道和两个P通道MOSFET及相关器件组成H桥电机驱动电路。该发明采用逻辑电路避免出现上电时桥的上下臂导通，采用高速CCD驱动器输出高频强驱动信号；根据N和P通道MOSFET的开通及关闭时间不同的特点，控制器输出的驱动逻辑信号避免了在动态变化过程中上下臂同时导通；另外对驱动系统上电顺序进行了规定。本发明避免在音圈电机的动态驱动过程中驱动桥的上下臂导通功耗增大。

说明书

技术领域

本发明涉及一种音圈电机的驱动系统，具体涉及一种航天应用满足高可靠 性要求的音圈电机高速驱动系统。

背景技术

目前，频带要求较高的快速控制反射镜大多采用压电陶瓷驱动，其结构谐 振频率可以高达几百，甚至上千赫兹，但所需的驱动电压一般要几百伏，并且 驱动器的行程小，一般只有十几到几十微米。而音圈电机的行程比压电陶瓷高 出两个数量级，驱动电压通常低于二十伏。音圈电机(VCM)是通过考虑扬声 器是由根据在扬声器的音圈中流动的音频电流和由永磁体产生的磁力之间的弗 莱明左手定则所产生的力来回振动的事实开发的。直流电机或者步进电机进行 旋转运动，然而，音圈电机能进行短距离直线往复运动，因而音圈电机可用于 快速控制反射镜。

现今的电机集成桥驱动器如IR2130功能强大，但通常是针对高压如最高可 达600V的领域内应用，桥驱动器的工作电压不低于12V，还需要采用外部电容 进行H桥栅极电压的自举升压，当电容参数选择不合理，可能导致电机无法工 作甚至造成损坏。对应快速控制反射镜，需要的力矩小，工作电压较低如5V， 使用应用于高压领域的集成桥驱动器不仅存在资源浪费，还可能出现因反馈电 压过低导致芯片出现保护而无法工作，而且采购满足航天应用要求的低压应用 产品困难，因此需要对音圈电机的驱动电路进行精细设计。

发明内容

本发明为解决现有采用高压领域的集成桥驱动器存在资源浪费，且导致电 机无法工作等问题，提供一种基于N通道和P通道MOSFET的音圈电机高速驱 动系统。

基于N通道和P通道MOSFET的音圈电机高速驱动系统，包括控制器、组 合逻辑保护电路、集成驱动器和H桥驱动电路；所述控制器输出四路逻辑信号 Ain、Bin、Cin和Din经组合逻辑保护电路处理后形成四路驱动逻辑信号A、B、 C和D，将所述四路驱动逻辑信号A、B、C和D送入集成驱动器进行功率放大， 获得四路驱动信号A_BUF、B_BUF、C_BUF和D_BUF，所述四路驱动信号 A_BUF、B_BUF、C_BUF和D_BUF用于驱动H桥驱动电路，所述H桥驱动电 路通过对所述四路驱动信号的高低电平和占空比进行调节，实现对音圈电机的 方向和速度的控制；所述组合逻辑保护电路输出的四路驱动逻辑信号要求满足 以下条件：驱动逻辑信号A和C相位相反，驱动逻辑信号B和D正脉冲宽度小 于A和C的正脉冲宽度；所述驱动逻辑信号B上升沿滞后驱动逻辑信号A的上 升沿，驱动逻辑信号D的上升沿滞后驱动逻辑信号C的上升沿，且滞后的时间 大于P型MOSFET从导通到截止的时间，所述驱动逻辑信号B的下降沿超前驱 动逻辑信号A的下降沿，驱动逻辑信号D的下降沿超前驱动逻辑信号C的下降 沿，且超前的时间大于N型MOSFET从导通到关断的过渡时间。

本发明的有益效果：

一、本发明通过严格的上电顺序要求和组合逻辑保护电路，避免上电时出现 驱动桥的上下臂导通功耗增大，烧毁器件。

二、本发明通过使用P型和N型MOSFET的组合，两种类型的MOSFET 的源极都为固定电压，栅极的控制信号仅需要较小的幅度(大于门限电压)即 可实现驱动。

三、本发明通过对控制器输出的四路驱动逻辑信号进行限定，避免在音圈电 机的动态驱动过程中驱动桥的上下臂导通功耗增大。

附图说明

图1为本发明所述的基于N通道和P通道MOSFET的音圈电机高速驱动系 统中音圈电机驱动系统框图；

图2为本发明所述的基于N通道和P通道MOSFET的音圈电机高速驱动 系统中H桥驱动电路原理图；

图3为本发明所述的基于N通道和P通道MOSFET的音圈电机高速驱动系 统中组合逻辑保护电路原理图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，基于N通道和P通道 MOSFET的音圈电机高速驱动系统，包括控制器、组合逻辑保护电路、集成驱 动器和H桥驱动电路；其特征是，所述控制器输出四路逻辑信号Ain、Bin、Cin 和Din经组合逻辑保护电路处理后形成四路驱动逻辑信号A、B、C和D，将所 述四路驱动逻辑信号A、B、C和D送入集成驱动器进行功率放大，获得四路驱 动信号A_BUF、B_BUF、C_BUF和D_BUF，所述四路驱动信号A_BUF、B_BUF、 C_BUF和D_BUF用于驱动H桥驱动电路，所述H桥驱动电路通过对所述四路 驱动信号的高低电平和占空比进行调节，实现对音圈电机的方向和速度的控制； 所述驱动逻辑信号A和C相位相反，驱动逻辑信号B和D正脉冲宽度小于A 和C的正脉冲宽度；

本实施方式中所述的驱动逻辑信号B上升沿滞后驱动逻辑信号A的上升沿 (对应图3中n个非门的延迟时间+1个与门的延迟时间)，驱动逻辑信号D的 上升沿滞后驱动逻辑信号C的上升沿，且滞后的时间大于P型MOSFET从导通 到截止的时间，所述驱动逻辑信号B的下降沿超前驱动逻辑信号A的下降沿(对 应图3中n个非门的延迟时间－1个与门的延迟时间)，驱动逻辑信号D的下降 沿超前驱动逻辑信号C的下降沿，且超前的时间大于N型MOSFET从导通到关 断的过渡时间。

结合图2说明本实施方式，图2为本发明所使用的H桥驱动电路，由两组 推拉结构的N通道MOSFET和P通道MOSFET以及四个续流二极管组成。H 桥驱动电路的工作电压可根据电机和负载特性选取，设定不超过15V。H桥驱 动电路的高压为VCC(VCC≤15)，低压为0，对于音圈电机，一种控制方法是 控制器输出的四个TTL电平的控制信号，其中对应A_BUF和C_BUF的输入控 制信号Ain和Cin完全相反，为避免H桥上每臂上两MOSFET同时导通，留出 死区时间，规定对应B_BUF和D_BUF的输入控制信号Bin和Din正脉冲宽度 分别小于A_BUF和C_BUF的正脉冲宽度Ain和Cin，则此时音圈电机线圈在 两方向上的通电时间分别由对应B_BUF和D_BUF的输入控制信号Bin和Din 正脉冲宽度决定。

根据N和P通道MOSFET的工作特性，对于N通道MOSFET，当栅极高 于源极门限电压即可实现导通，考虑到可靠性，集成驱动器输出的低电平为低 于(门限电压(V_thn)－1)V，可直接设置为0V，输出的高电平高于(门限电 压(V_thn)+1)即可；对于P通道MOSFET，当栅极低于源极门限电压即可实 现导通，考虑到可靠性，集成驱动器输出的高电平设置为VCC，输出的低电平 低于(VCC－V_thn－1)即可。这样，可根据应用需要设定供电电源电压VCC(高 于MOSFET的门限电压，通常为4V)的值，而且不需要使用外部电容来进行自 举升压，更不需要和电机的电抗参数进行匹配，降低了设计难度。

结合图3说明本实施方式，本实施方式中采用组合逻辑电路，其作用是避 免上电时由于控制器的输出端处于逻辑不确定状态或者控制器处理逻辑错误从 而出现驱动桥的上下臂导通。输出的脉冲宽度的表达式如式(1)所示，通过组 合逻辑电路的互斥功能保证输出的A与B、C和D不同时为高，而且利用门电 路的延迟功能，可给H桥驱动电路留出足够的死区时间。

上式中n≥1。

本实施方式所述的驱动系统的上电顺序是首先是外部的主控系统进行控制 器、组合逻辑保护电路和集成驱动器的上电，当检测到控制器、组合逻辑保护 电路和集成驱动器的工作电压偏差小于5％，而且控制器能与主控系统通信，以 及集成驱动器输出能使四只MOSFET都处于关断状态的固定逻辑电平(如图2 中A_BUF和B_BUF为高，C_BUF和D_BUF为低)后方可进行H桥驱动电路 的上电。

本实施方式中所述的H桥驱动电路采用IR公司的P和N通道MOSFET器件 IRHM7250和IRHM9130组成；采用非门和与门组成组合逻辑保护电路；集成驱 动器采用CCD驱动器EL7212；音圈电机为定制产品，工作电压5V,峰值电流1.6A； 控制器采用TI公司的DSP芯片。