吕晓春

摘要：在自动化或者智能控制领域，动力源的种类繁多，但从源头上大体可以分为气动动力与电动动力两大类;在电动动力方面，有电机或者电磁铁等电能到动能转换部件;电机的细分种类，大致又可分为：直流有刷电机（BDC）与直流无刷电机（BLDC），步进电机（STEP MOTOR）;伺服电机（SERVO MOTOR），与交流电机（AC MOTOR）。有刷直流电机虽然有结构与可靠性上的一些缺点，但是有刷直流电机价格在性价比上，即满足必要的性能，相对合适的成本，有刷电机依旧是一个很好的选择;直流有刷电机的驱动看似简单，但实际有很多问题，主要在于：电机启动、停止、换向时容易损坏驱动器，在启动停止换向瞬间的冲击电流比正常工作电流大十倍以上;这就要求驱动器的负载能力与各种保护措施都要求强壮才能保证驱动器可靠。

关键词：直流电机;驱动器;电机驱动器;通用驱动器

1.直流有刷电机驱动器的设计概述

方案1，使用继电器实现电机驱动、或者换向和制动;这种方式由于继电器开合次数寿命非常有限，在开合时触点上产生电弧，以及在电流较大时触点接触电阻导致触点发热，导致触点加速氧化导致接触不良，这种方案用在课堂教学中问题不大，但如果频繁换向或者制动的工业应用场合，继电器就很容易损坏，这种方案就不是一个可靠方案。

方案2，驱动器使用半导体功率器件来实现全桥，如下图所示：

这种控制方式，在启动或者负载电流较大时，功率器件进入完全导通或者完全关断的状态是有一个过程的，功率器件处于半导通的状态的过程，在功率器件上的压降大，而导致功率器件发热严重;另外这种方案还有上下桥臂的功率管直通的过程出现，虽然在整个控制启停过程中可能直通过程很短暂，但即便短暂也很有可能直接就导致烧毁;

方案3，基于MOS管的H桥。这种类型的驱动电路有很多的经典电路，甚至都有很多现成H桥集成电路芯片可选，比如MC33HB2000等，举例的这个芯片负载电流可以到3A，峰值电流能到16A，电机工作电压可以高达28V;集成过热保护，短路保护，可以说能满足很大部分中小额定电流的直流电机驱动的应用场合;但这种方案也不是本设计要讨论的重点，因为RdsOn的典型值为235mOhm，这个值还是有点偏大;在可靠性要求比较苛刻的工业控制环境下，对于需要频繁启动停止与换向的应用场合，发热还是偏大，这个可靠性无法保证;

另外如果需要驱动的直流电机的额定电流接近3A甚至是超过3A，设计出的驱动器额定功率与负载功率接近，功率余量不足，甚至不够，这个场合就不能采用这个芯片方案;基于MOS管的非集成芯片的H桥驱动方案，更普遍地应用到直流电机的驱动方案中，而基于MOS管的H桥分立驱动方案有两大类：A方案，上下桥臂都使用NMOS管，上桥臂通过一个电荷泵升电路控制通断; B方案，上桥臂采用PMOS管，下桥臂采用NMOS管;在A方案的设计中，可以考虑采用IR2104S半橋驱动器去驱动H桥功率电路，该芯片厂商也提供了经典的设计方案;A方案的最大问题是怎么确保上下桥臂不出现桥臂直通现象;功率管开关通断时，会产生比较大的电源振铃波动，这个波动会影响IR2104S的驱动波形，这个方案对供电的电源要求相对较高;为规避上述这些方案的问题，在当前芯片制造工艺下PMOS造价与导通电阻都与NMOS接近情况下，采用B方案的是本方案设计的讨论重点。

2.设计目标

设计的直流有刷电机驱动器，要求稳定，可靠，相对高的性价比;H桥臂绝对避开单边直通情况;更低的RdsOn;对供电电源要求相对不苛刻，对各种工作电压工作电流的直流有刷电机能够很好适应。

2.1设计原理图，如图b：

2.2原理解释

本设计H桥臂有两个输入，分别为Rz与Rf;如上图，Rz接左桥臂的上下桥臂，Rf接右桥臂的上下桥臂，从图上看，注意左右桥臂的比较器的基准是设置值不同，用比较器做电平切换是因为切换翻转速度足够快，另外因为上下桥臂的基准设置不同，驱动器在启动或者换向以及停止时，控制逻辑电平的切换理论上非常快，可以做到uS级别，但是考虑控制逻辑输入线路上的分布电容，结电容的影响，这个uS级会被迟滞放大，就是逻辑电平在高低电平切换期间，有一个危险电平，这个上下桥臂不同基准的设计，可以保证这个危险电平期间，上下桥臂的MOS管不会同时导通，从而保证在切换的整个周期，都不会出现上下桥臂直通的情况;即便在电机启停换向期间电机的反电动势反馈回输入电源导致电源的波动叠加在输入电平的的各种干扰都会被这种上下桥臂错位基准设计给过滤掉，这样的设计对供电电源的要求比较低。

下面详细分析一下本设计的桥臂电平切换过程，由于本设计的电路桥臂是对称的，所以我们先只看如图的左桥臂的上下臂控制与切换过程。一般情况下，VCC=5V，Rz开始在高电平（逻辑1），TTL逻辑高电平是5V，比较器同向输入为上桥臂的逻辑电平输入，比较器的反向输入为基准电平输入;如图所示，上桥臂基准电压Vjz=5*15/（10+15）V=3V;此时，比较器输出为高电平，LM293的高电平输出是OC输出，Q3的基极，被R5+R12上拉到VCtr，Q3截止，PMOS管CEM4435（M2）的栅极G，被R9与R18分压到二分之一VCtr电平，PMOS管导通;对于左下桥臂而言，同样的比较器在Rz为逻辑高电平时，也为OC输出，Q6被R22上拉完全导通，左下桥臂的NMOS管CEM4410的栅极G被Q6下拉到近似0电平而截止;但Rz为逻辑低电平时，上下桥臂的比较器都输出低电平，即Q3和Q6的基极都被下拉到地，此时Q3导通，PMOS管CEM4435（M2）的栅极G被Q3上拉到近似VCtr电平，此时M2截止，同时，因为Q6截止，NMOS管CEM4410的栅极G被R25与R31分压到二分之一VCtr电平，此时N1导通;在逻辑高电平与逻辑低电平，保证了桥臂要么上桥臂通，要么下桥臂通，不会出现上下桥臂同时通的情况;现在再分析一下Rz在逻辑电平切换期间，即Rz从逻辑0到逻辑1（5V）或者从逻辑1（5V）切换到逻辑0时，由于Rz逻辑输入线路上的分布电容以及逻辑输入到最终功率MOS管之间结电容等的影响下，最终体现在功率MOS管栅极的控制电平不可能发生0时序阶跃变化，总是有一个渐变过程，为了确保不出现哪怕是极其短暂的直通状态出现，上下桥臂的功率MOS管的栅极控制电路必须确保PMOS与NMOS不会同时导通，本设计以输入逻辑电平在切换过程的中点为例再分析一下电路的工作结果。当Rz=2.5V时，上桥臂PMOS前级比较器U2A输出低电平，Q3导通，M2的栅极G被拉高导致M2截止，下桥臂NMOS前级比较器U2B输出高电平，Q6导通，导致N1的栅极G被下拉到接近0的电平而导致N1截止，这个情况下，上下桥臂的功率MOS管都截止，没有出现直通情况;本设计的这种栅极驱动方式，保证了上下桥臂在不确定的逻辑电平状态下不出现直通情况，该截止的，提前进入截止期，保证了在2～3V之间的一个危险电平期间，上下桥臂都截止，这样设计的驱动器，无论是冷启动还是热关机，还是换向，还是电源波动串入干扰，都不会出现上下桥臂直通的情况发生。

2.3参数分析

按原理图的元器件设计，功率MOS管上桥臂PMOS管为CEM4435，根据资料RdsOn约为20mOhm，下桥臂也约为20mOhm，合计约为40mOhm，与用集成芯片方案的RdsOn为235mOhm小很多，可以减少功率MOS管的发热，另外CEM4435的Id高达±8A，CEM4410更高，达±10A，上下桥臂的功率MOS管的|Vds|达30V，考虑足够余量，本设计的驱动器在24V供电下，驱动4A以下的额定电流的直流电机，能够稳定可靠运行。

3.驱动器的延伸设计

本驱动器的设计，是基于分立器件的方案设计，在需要更高的驱动电压以及更高的额定电流时，可以选用Vdss与Id参数更好的功率MOS管，比如，上桥臂的PMOS管改为IRF5305，这个功率MOS的Vdss达-55V，而Id在25℃时达-31A;当然，同时下桥臂功率MOS也必须重新选择，比如改为IRF1205，这个NMOS的Vdss=55V，Id=41A;这种功率MOS的配对使用情况下，驱动能力可以大幅增加，这种方案的直流有刷驱动器，可以驱动市面上绝大多数的的直流有刷电机;在分布式控制系统中，为实现模块化控制，电机驱动器模块一般都以控制器形式存在，而非单纯的电机驱动器，控制器与驱动器的区别就是控制器在驱动器的基础上在外加了控制CPU，电源转换电路，位置检测电路，通讯电路与各种保护电路等等。

总结

直流有刷电机的驱动器/控制器的整体设计大致如上文所述，经过分析可知该驱动器的思路是可行的;本文讲述的延伸版本的直流有刷电机控制器的设计已经通过量产验证，量产的模块从未出现过烧毁或者温度太高停止工作等问题;由上述可知本设计的驱动器能够适应各种类型的直流有刷电机，本设计的驱动器工作效率较高，负载能力大，同时自身温升极低，这样有利于驱动器/控制器长期稳定运行。