基于H桥控制直流电机驱动电路设计

1 引言

直流电机具有良好的启动性能和控制性能，能在较宽的调速范围内实现均匀、平滑的无级调速，适用于启、停控制频繁的控制系统。[1]

市场上直流电机驱动的专用集成芯片层出不穷，但由于其输出功率有限，满足不了大功率直流电机驱动需求。因此巧妙地运用H桥控制技术，实现大功率直流电机驱动及控制，是从事电机设计、制造、调试、维修人员必须掌握的一项专业技能。

2 电路工作原理

2.1 系统框图

电路系统框图如图1所示，系统主要由7部分组成。AC输入电压范围为100V～240V，频率范围为50Hz～60Hz。单片机生产PWM信号和换向信号，经光电隔离电路处理后，进入逻辑控制电路，经由逻辑电路对时序进行巧妙控制后，再提供给H桥驱动电路，达到了遏制H桥驱动直通的目的。电流采样电路和速度采样电路则对电机工作过程进行实时控制，当检测到电机转速变化时，采样到的信号经过检波滤波电路与线性放大隔离电路处理之后，反馈给单片机，单片机对输出量做出相应变化，完成一次直流电机电压闭环负反馈调节过程。

2.2 H桥电路设计

图2示出了现有技术中典型的H桥直流电机驱动电路。H桥电路由4个N沟道功率MOS管构成，外加两个专用芯片IC1、IC2驱动来控制调速和换向。工作原理：单片机提供两路开关脉冲PWM1和PWM2，输出 PWM1（PWM2置低）时，FET1、FET4导通，与FET2、FET3截止，电机正转；输出PWM2（PWM1置低）时，FET2、FET3导通，与FET1、FET4截止，电机反转。通过改变PWM1、PWM2的占空比，达到调整电动机转速的目的。

该方案优点：换向速度快，无电磁式继电器机械触点所产生的干扰，电磁兼容性较好；缺点：每路电机需要占用2个PWM接口，对单片机选型要求高，成本高。

与现有技术不同，本设计方案如图3所示。H桥电路的上桥臂由2个P沟道功率MOS管构成，下桥臂由2个N沟道功率MOS管构成；外加一个逻辑控制电路来控制时序。工作原理：单片机产生1个PWM信号和2个方向控制信号；PWM信号经由高速光耦隔离放大后，进入逻辑芯片IC1，主要控制下桥臂MOSFET管的调速；2个方向控制信号经由普通光耦隔离后，对电机的换向进行控制，同时，信号进入逻辑芯片IC1，与PWM信号配合控制下桥臂MOS管的调速。

本方案优点：每路电机只需占用1个PWM接口，控制电路简单，成本低。同时具有换向速度快，无电磁式继电器的机械动作所产生的噪声，以及电磁兼容性较好等优点。

2.3 工作过程分析

H桥直流电机驱动原理图如图3所示，工作时，MCU（单片机）PI/O（输入/输出）端口中的P1.0与P1.1为方向相反的0V与VDD的高低电平信号，即P1.0与P1.1的相位差为90°；当P1.0为“1”、P1.1为“0”时，三极管Q1导通，A点电压为电源VCC经电阻R1、R5和R9的分压，左上臂PMOS管FET1的VGS满足导通要求的开启电压，左上臂PMOS管FET1导通；同时，P1.0为“1”信号作为逻辑或非门电路的一个输入端（引脚8），无论逻辑或非门的另一个输入端PWM（引脚9）输入信号“0”或“1”，逻辑或非门的输出端（引脚10）为低电平，C点电压为低电平，左下臂NMOS管FET3的VGS不满足导通要求的开启电压，左下臂NMOS管FET3截止；P1.1为“0”，三极管Q2截止，B点电压为电源VCC，右上臂PMOS管FET2的VGS不满足导通要求的开启电压，右上臂PMOS管FET2截止；同时，P1.1为“0”信号作为逻辑或非门电路的一个输入端（引脚12），此时逻辑或非门的另一个输入端PWM（引脚13）输入0V～VDD，逻辑或非门的输出端（引脚11）为高电平，D点电压为高电平，右下臂NMOS管FET4的VGS满足导通要求的开启电压，右下臂NMOS管FET4导通；形成直流电机绕组RL由a到b的电流流向，电机正转。

同理，可知FET2和FET3导通；形成直流电机绕组RL由b到a的电流流向，电机反转。

合肥市轨道交通1号线车站建筑方案设计的思路及探讨………………………………………………………… 闫阳（10-44）

工作过程中，利用稳压二极管ZD1、ZD2的稳压特性，控制了PMOS管夹断电压的值，满足了器件使用的降额要求。跨接直流电机两端的双向瞬态抑制二极管MOV1，遏制了直流电机绕组的电压过冲现象。通过P1.0与P1.1高低电平控制，可以实现桥臂两个方向有序导通，实现电机正反转功能；再通过单片机送出的PWM脉宽调制波去实现电机的电压调速。

2.4 H桥驱动的续流

电机的组成部件含有线圈，在接通电源或断开电源的一瞬间，会产生反向电动势电压。该电压的峰值远远大于驱动器所能承受的电压值，影响驱动器的使用寿命甚至损坏驱动器，因此，本文电路在H桥各开关器件接了二极管D1～D4进行续流。

前面提到MCU（单片机）PI/O（输入/输出）端口中的P1.0与P1.1的相位差为90°是电机工作的必要条件；那么，当P1.0与P1.1相位差为0°时，H桥电路会有以下两种状态：（1）P1.0与P1.1同时为高电平信号，则两个高端场效应管同时导通，低端场效应管截止；（2）P1.0与P1.1同时为低电平信号，则两个低端场效应管同时导通，高端场效应管截止。以上两种状态，电机线圈都会被短路，电流通过LR时间常数缓慢减小到0，其中，L是负载电机线圈电感，R是低边MOS管Rdson的两倍。本文选取第（2）种续流模式，即输入信号P1.0与P1.1同为低电平，规避了第（1）种刹车模式通过电源VCC到GND放电，有VCC压差导致H桥电路直通的风险。

图1 电路原理设计框图

图4 电流采样及滤波检波电路示意图

图5 线性光耦输入电压与输出电压关系图

图6 续流MOS管电流波形图

实际应用电路中，在两个NMOS管FET3、FET4的栅极电阻R3、R4上分别并接了一个高速开关二极管D5、D6，在MOS管截止时被用于吸收栅极反向电流，通过栅极与源极之间的内部电容放电，可以缩短MOS管的存储时间，提高关断速度，通常选用1N4148就够用了。

一般也会在D5和D6上分别串联一个4.7Ω～200Ω电阻，限制图腾三极管的峰值电流，防止开关速度过快，引起驱动干扰。同时对EMI也有帮助。

3 相关参数计算

3.1 检测电路采样电阻的设定

如图4所示，电机正常运行时，一般地，空载电流0.3A～1.5A，满载电流1.5A～4.0A，堵转电流5.0A～8.0A；依芯片PHC11要求，可设定一个基准电压VREF=VDD2=5.0V。采样电阻的设定必须满足条件：电机正常工作时，单片机AD采样得到的电压VOUT变化范围为0V～5.0V（基准电压选用5V后，它的电压范围应该小于等于5V）。

图5示出了芯片PHC11的放大倍数关系，并根据图5芯片规格书推荐的使用环境VIN+，VIN-，结合电路原理，VIN+与VIN-的差值在0到200mV之间，放大倍数约为β=5V/200mV=20，但考虑到曲线边沿值的一些影响因素及单片机精度，一般设定放大倍数为10倍左右。

电机正常工作时候，单片机做电流检测，并根据不同负载，实时调整PWM输出大小，使按摩效果达到最佳；当电机堵转时，单片机监测到大电流，必须停止输出PWM信号，对驱动电路进行保护。堵转电流设定为10A时，根据IMOTOR-DET×RS×β=VOUT得，RS=VOUT/IMOTOR-DET×β=64mΩ；因此RS取值为64mΩ。

3.2 开关器件的损耗计算

MOS管最显著的特性是开关特性好，所以被广泛应用在需要电子开关的电路中，常见的如开关电源和电机驱动，也有照明调光。但无论是NMOS还是PMOS，导通后都有导通电阻存在，这样电流就会在这个电阻上消耗能量，这部分消耗的能量叫做导通损耗。选择导通电阻小的MOS管会减小导通损耗。现在的小功率MOS管导通电阻一般在几十毫欧左右。MOS在导通和截止的时候，一定不是在瞬间完成的。MOS两端的电压有一个下降的过程，流过的电流有一个上升的过程，在这段时间内，MOS管的损失是电压和电流的乘积，叫做开关损耗。

3.2.1 MOSFET管的导通损耗

本案MOSFET用于开关状态，当元器件导通时，所流经的回路，其损耗分别由MOSFET的导通电阻RDS（ON）和二极管的正向导通电压决定。MOSFET的导通损耗（PCOND）近似等于导通电阻RDS（ON）、占空比（D）和导通时MOSFET的平均电流IMOSFET（AVG）的乘积。

利用IP和IV之间电流波形I2的积分替代简单的I2项，可以更准确的估算损耗的方法。

式中，IP和IV分别对应与电流波形的峰值和谷值，如图4所示，MOSFET电流从IV线性上升到IP，例如：IV为2.25A，IP为3.75A，RDS(ON)=0.020Ω，VOUT为VIN/2（D=0.9），基于平均电流（1A）的计算结果为PCOND=IMOSFET(AVG)2×RDS(ON)×D=32×0.020×0.9=0.162W。

利用波形积分进行更准确计算：

3.2.2 MOSFET管的开关损耗

通常开关损耗比导通损耗大得多，由于开关损耗和频率有很大的关系，工作在高频时，开关损耗将成为主要的损耗因素。下面结合IR公司提供的一款MOSFET管规格书列举MOSFET管的开关损耗计算方法：

已知：TA=25℃，TJ=150℃，RDS(ON)=20mΩ，tSW（ON）=20nS，tSW（OFF）=51nS，fS=20kHz；RθJA=40℃/W（以上参数正规厂家的规格书都会体现）；实测负载电流ILOAD=6.0A，设定占空比为D=0.9，通过计算得出所选用的MOSFET是否符合温升要求。利用公式如下：

计算步骤：

综上，TJ（实测）=47.3℃＜TJ=150℃，设计符合要求。

4 设计总结

本文结合实际产品，利用2个N沟道功率MOS管和2个P沟道功率MOS管设计出一款实用性较强的电机驱动电路。电路设计将前一个逻辑门信号的输出信号作为后两个逻辑门输入信号，结合软件的时序控制，分别控制H桥的左右下臂，巧妙遏制了H桥驱动的直通现象。利用更少的MCU资源来达到同等的驱动效果，与其他方案相比，本电路在节省MCU资源和调试等方面都有很大的优势。

参考文献

[1] 韩雪涛, 吴瑛, 韩广兴. 微视频全图讲解电动机[M]. 北京：电子工业出版社. 2015.

[2] 查普曼. 电机原理及驱动：电机学基础[M]. 北京：清华大学出版社.2008.