直流电机驱动电路设计

直流电机驱动电路

直流电动机驱动电路可以像图中所示的板子一样封装在小模块中。

电机驱动器，顾名思义，是用来驱动电机和控制其速度和旋转方向。电机驱动ic是基本的电流放大器，负责向电机输送所需的功率。然而，术语“电机驱动”也可以统称为控制各种电机运动的整体系统。这些系统也可以由分立组件构建，特别是当需要更高功率时。

在本文中，我们将研究系统级别的电机驱动电路，其中驱动组件与电机和控制电路集成到同一个系统中。驱动部分本身通常是具有特定驱动配置的桥接电路;我们将在本文中研究这些驱动配置。

高电平直流电机驱动电路

电机驱动电路和系统将多个组件集成到一个包或组件中。在最高层次上，电机驱动包括如下图所示的一组功能块。

直流电机驱动电路设计当驱动电路开始工作时，微控制器部分触发，它可以处理从驱动电路接收到的数据，如果有任何关于位置或速度的反馈(如与电机解析器)。驱动电路包括激励驱动电路所需的所有电路，尽管如果驱动电路可以在逻辑级别上触发，则可以由微控制器提供激励。在功率输出适中的MOSFET电机驱动电路中也是如此。

h桥电机驱动拓扑

最常见的直流电机驱动电路拓扑是h桥电路。该电路如下图所示，其h型拓扑结构为其命名。通过控制电路中每个mosfet的驱动电流的方向，直流电机可以在顺时针和逆时针方向使用h桥进行操作。

直流电机驱动电路设计

mosfet是用于实现h桥设计的最常用组件。转动Q1和Q4 ON使电机向一个方向运行，而关闭Q2和Q3使电机向相反的方向移动。同样的驱动电路也可以操作脉宽调制，可在运行过程中动态控制速度。

可选电机驱动与控制器

h桥驱动电路由连接PWM或类似数字控制输入到MOSFET门的电子元件组成。它有两个主要功能:

通过将输入电压转换到适当的电平来驱动闸。
给足够的电流快速充电和放电门。

此外，一些驱动电路还有其他功能，如:

驱动模式规定了输入命令如何转换为驱动门的信号。
加入额外的安全功能，如过电流保护
调节fet开启和关闭的时间长度。

常用的驱动控制器电路如下表和图所示。值得一提的是，所有在低侧使用的mosfet都是n通道，但p通道和n通道器件都可以在高侧使用。

下部的司机	它们专门用于驱动上述h型桥的Q2或Q4
高端的司机	它们专门用于驱动上述h型桥中的Q1或Q3
网格状的司机	由一个单一的低侧和高侧驱动器组成，它们协同工作以控制Q1和Q2(或Q3和Q4)。
全桥驱动	由两个高侧和低侧驱动器组成，可以共同驱动所有四个mosfet

直流电机驱动电路设计

h桥电机驱动器设计的挑战

虽然设计基于h桥的电机驱动器的过程乍一看似乎很容易，但它并非没有困难。这些可能发生在电路设计阶段或固件开发阶段。在h桥电路中，fet以对角线模式打开和关闭，但这种开关不能在所有fet之间同时发生。

死时间:总会有一个时间点，当所有的晶体管都是打开的。如果上下开关同时打开，将会有短暂的电压和功率损失，或者可能是短路。可以通过实现死时间来防止这种情况的发生。这是h桥中所有fet都处于ON状态的短暂时间。死时间允许程序员延迟打开最上面的开关，直到最下面的开关关闭。

PWM频率:在设计电机驱动器时必须正确设置的另一个关键因素是PWM频率。在较低的频率会损失更多的功率，反之亦然。然而，如果PWM频率过高，微控制器可能难以在所需的偏置下提供必要的PWM信号。此外，门驱动器和晶体管开关可能会由于与非常高的频率不兼容而失效。为了保证电机控制器的正常工作，必须在固件中设置合适的PWM频率。

电磁干扰:最后,极端EMI也是某些类型的电机可能出现的问题，如刷直流电机。这是由换向器的频繁开关引起的，这可以向附近的组件注入噪声。在极端情况下，传导电流会损坏附近的部件。过滤器和铁氧体常用于屏蔽电缆可以接收到这种电磁干扰，特别是在较低频率下，大部分功率会集中在那里。