技術(shù)資訊 | 直流電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計

直流電機(jī)驅(qū)動電路可以封裝在小模塊中，如圖所示

顧名思義，電機(jī)驅(qū)動器用于驅(qū)動電機(jī)并控制其速度以及旋轉(zhuǎn)方向。電機(jī)驅(qū)動器 IC 的核心是電流放大器，負(fù)責(zé)為電機(jī)提供所需的功率。然而，術(shù)語“電機(jī)驅(qū)動器”也可以統(tǒng)稱為電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，旨在控制各種電機(jī)的動作。這些系統(tǒng)也可以由分立元件構(gòu)建，特別是在需要更高功率時。在本文中，我們將研究系統(tǒng)級的電機(jī)驅(qū)動電路，其中驅(qū)動器組件與電機(jī)和控制電路集成到同一個系統(tǒng)中。驅(qū)動部分本身通常是具有特定驅(qū)動配置的橋式電路；我們將在本文中介紹這些驅(qū)動配置。01高級直流電機(jī)驅(qū)動電路電機(jī)驅(qū)動電路和系統(tǒng)將多個組件集成到單個封裝或組件中。完整的系統(tǒng)中，電機(jī)驅(qū)動器包括下圖所示的一組功能塊。

微控制器部分在驅(qū)動電路開始運行時觸發(fā)，它主要處理從驅(qū)動電路接收到的數(shù)據(jù)，如關(guān)于位置或速度的反饋（例如使用電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器）。驅(qū)動器電路包括激勵驅(qū)動所需的所有電路，但如果驅(qū)動電路可以在邏輯電平上觸發(fā)，則可以由微控制器直接提供激勵。在具有中等功率輸出的 MOSFET 電機(jī)驅(qū)動器電路中可能會出現(xiàn)這種情況。02H橋電機(jī)驅(qū)動拓?fù)?/strong>最常見的直流電機(jī)驅(qū)動電路拓?fù)涫?H 橋電路。該電路如下圖所示，以它的 H 形拓?fù)錇槠涿Ｍㄟ^控制電路中每個 MOSFET 中驅(qū)動電流的方向，直流電機(jī)可以使用 H 橋在順時針或逆時針方向上運行。

MOSFET 是用于實現(xiàn) H 橋設(shè)計的最常見組件。接通 Q1 和 Q4 會使電機(jī)沿一個方向運行，而接通 Q2 和 Q3 會使電機(jī)沿相反方向運行。相同的驅(qū)動電路可以使用脈寬調(diào)制 (PWM)進(jìn)行操作，這使得可以在電機(jī)運行期間動態(tài)控制電機(jī)的速度。03帶控制器的替代電機(jī)驅(qū)動器H 橋驅(qū)動電路由將 PWM 或類似數(shù)字控制輸入連接到 MOSFET 柵極的電子元件電路組成。它有兩個主要功能：

通過將輸入電壓轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)碾娖絹眚?qū)動?xùn)艠O。

提供足夠量的電流以快速對柵極進(jìn)行充電和放電。

此外，一些驅(qū)動電路還具有其他特點，例如：

驅(qū)動模式?jīng)Q定了如何將輸入命令轉(zhuǎn)換為驅(qū)動門的信號。

包含額外的安全功能，例如過流保護(hù)。

調(diào)節(jié) FET 開啟和關(guān)閉的時間長度。

下表和圖片總結(jié)了常見的驅(qū)動器控制器電路。此時值得一提的是，低邊使用的所有 MOSFET 都是 N 型的，但 P型和 N型MOSFET都可以用于高邊。

04H橋電機(jī)驅(qū)動器設(shè)計中的挑戰(zhàn)雖然設(shè)計基于 H 橋的電機(jī)驅(qū)動器的過程乍一看似乎很容易，但并非沒有困難，特別是在電路設(shè)計階段或固件開發(fā)階段。在 H 橋電路中，F(xiàn)ET 以對角線模式打開和關(guān)閉，但這種切換不能在所有 FET 之間同時發(fā)生。

終止時間：總會有一個時間點，所有晶體管都會打開。如果頂部和底部開關(guān)都打開，則會出現(xiàn)電壓和功率的瞬間損失，或者可能發(fā)生短路。可以使用終止時間來防止這種情況發(fā)生。這是 H 橋中所有 FET 開啟的短暫時間。終止時間允許程序員延遲打開最頂部的開關(guān)，直到最底部的開關(guān)關(guān)閉。

PWM 頻率：設(shè)計電機(jī)驅(qū)動器時必須正確設(shè)置的另一個關(guān)鍵要素是 PWM 頻率。在較低頻率下會損失更多功率。但是，如果 PWM 頻率太高，微控制器可能難以在所需的偏置下提供必要的 PWM 信號。此外，柵極驅(qū)動器和晶體管開關(guān)可能由于與高頻率開關(guān)不兼容而失效。所以必須在固件中設(shè)置正確的 PWM 頻率，以保證電機(jī)控制器的正常運行。

EMI：最后，極端EMI也是某些類型的電機(jī)可能出現(xiàn)的問題，例如有刷直流電機(jī)。這是由換向器的頻繁切換引起的，這會將噪聲注入附近的組件。在極端情況下，傳導(dǎo)電流會損壞附近的組件。濾波器和鐵氧體通常用于屏蔽可能吸收這種 EMI 的電纜，尤其是在大部分功率集中的較低頻率下。

05H橋電機(jī)驅(qū)動電路的MOSFET選擇如果要在電機(jī)驅(qū)動電路中使用 MOSFET，它們應(yīng)該具有一些重要的參數(shù)：

高電壓和電流處理能力

低導(dǎo)通電阻

盡可能低的引線電感

引線電感和 PCB 布局對于確定驅(qū)動路徑上的總電感都很重要。在啟動期間，過大的電感會導(dǎo)致驅(qū)動電路中的欠阻尼振蕩，從而損壞或毀壞 MOSFET。因此，MOSFET 需要做瞬態(tài)電壓保護(hù)。這可以像一個TVS 二極管和一個與柵極串聯(lián)的小電阻一樣簡單，并且應(yīng)該在電機(jī)兩端放置一個快速恢復(fù)二極管。

總結(jié)

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