直流电机驱动电路设计

 直流电机驱动电路可以封装在小模块中,如图所示

顾名思义,电机驱动器用于驱动电机并控制其速度以及旋转方向。电机驱动器 IC 的核心是电流放大器,负责为电机提供所需的功率。然而,术语“电机驱动器”也可以统称为电机驱动系统,旨在控制各种电机的动作。这些系统也可以由分立元件构建,特别是在需要更高功率时。
在本文中,我们将研究系统级的电机驱动电路,其中驱动器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式电路;我们将在本文中介绍这些驱动配置。
01、高级直流电机驱动电路
电机驱动电路和系统将多个组件集成到单个封装或组件中。完整的系统中,电机驱动器包括下图所示的一组功能块。

微控制器部分在驱动电路开始运行时触发,它主要处理从驱动电路接收到的数据,如关于位置或速度的反馈(例如使用电机旋转变压器)。驱动器电路包括激励驱动所需的所有电路,但如果驱动电路可以在逻辑电平上触发,则可以由微控制器直接提供激励。在具有中等功率输出的 MOSFET 电机驱动器电路中可能会出现这种情况。
02、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,以它的 H 形拓扑为其命名。通过控制电路中每个 MOSFET 中驱动电流的方向,直流电机可以使用 H 桥在顺时针或逆时针方向上运行。

MOSFET 是用于实现 H 桥设计的最常见组件。接通 Q1 和 Q4 会使电机沿一个方向运行,而接通 Q2 和 Q3 会使电机沿相反方向运行。相同的驱动电路可以使用脉宽调制 (PWM)进行操作,这使得可以在电机运行期间动态控制电机的速度。
03、带控制器的替代电机驱动器
H 桥驱动电路由将 PWM 或类似数字控制输入连接到 MOSFET 栅极的电子元件电路组成。它有两个主要功能:
  • 通过将输入电压转换为适当的电平来驱动栅极。
  • 提供足够量的电流以快速对栅极进行充电和放电。

此外,一些驱动电路还具有其他特点,例如:

  • 驱动模式决定了如何将输入命令转换为驱动门的信号。

  • 包含额外的安全功能,例如过流保护。

  • 调节 FET 开启和关闭的时间长度。

下表和图片总结了常见的驱动器控制器电路。此时值得一提的是,低边使用的所有 MOSFET 都是 N 型的,但 P型和 N型MOSFET都可以用于高边。
低边驱动器这些专门用于驱动上述 H 桥中的 Q2 或 Q4
高边驱动器这些专门用于驱动上述 H 桥中的 Q1 或 Q3
半桥驱动器由一个低边和高边驱动器组成,它们串联运行以控制 Q1 和 Q2(或 Q3 和 Q4)。
全桥驱动器由两个高边和低边驱动器组成,可以共同驱动所有四个 MOSFET

04、H桥电机驱动器设计中的挑战
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,但并非没有困难,特别是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,但这种切换不能在所有 FET 之间同时发生。

终止时间:总会有一个时间点,所有晶体管都会打开。如果顶部和底部开关都打开,则会出现电压和功率的瞬间损失,或者可能发生短路。可以使用终止时间来防止这种情况发生。这是 H 桥中所有 FET 开启的短暂时间。终止时间允许程序员延迟打开最顶部的开关,直到最底部的开关关闭。

PWM 频率:设计电机驱动器时必须正确设置的另一个关键要素是 PWM 频率。在较低频率下会损失更多功率。但是,如果 PWM 频率太高,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,栅极驱动器和晶体管开关可能由于与高频率开关不兼容而失效。所以必须在固件中设置正确的 PWM 频率,以保证电机控制器的正常运行。

EMI:最后,极端EMI也是某些类型的电机可能出现的问题,例如有刷直流电机。这是由换向器的频繁切换引起的,这会将噪声注入附近的组件。在极端情况下,传导电流会损坏附近的组件。滤波器和铁氧体通常用于屏蔽可能吸收这种 EMI 的电缆,尤其是在大部分功率集中的较低频率下。

05、H桥电机驱动电路的MOSFET选择
如果要在电机驱动电路中使用 MOSFET,它们应该具有一些重要的参数:
  • 高电压和电流处理能力
  •  低导通电阻
  • 尽可能低的引线电感
引线电感和 PCB 布局对于确定驱动路径上的总电感都很重要。在启动期间,过大的电感会导致驱动电路中的欠阻尼振荡,从而损坏或毁坏 MOSFET。因此,MOSFET 需要做瞬态电压保护。这可以像一个TVS 二极管和一个与栅极串联的小电阻一样简单,并且应该在电机两端放置一个快速恢复二极管。
总结

当您准备好设计和仿真直流电机驱动电路时,请确保使用Cadence的PSpice中业界最佳的电路设计和仿真工具。PSpice 用户可以访问强大的 SPICE 模拟器以及专业设计功能,如模型创建、图形和分析工具等等。如果您想了解更多产品信息,请关注我们,欢迎您的留言。