基于STM32单片机的电机驱动设计

宋玉宏，周定艺，詹金远，黄创业

（顺德职业技术学院 电子与信息工程学院，广东 佛山 528333）

直流电机具有运转平稳、噪音低等优点，广泛用于电动类产品中。电机的起停、转向及转速等控制策略是电机驱动的关键问题。

传统的电机驱动控制采用模拟方式，模拟控制电路复杂，精确性不高，功能扩展性受限，使得基于单片机的数字控制成为一种趋势。本文研究以H桥电机驱动电路为工作电路，单片机把电机的起停、转向和转速指令发给逻辑控制电路，产生合理的信号作为H桥的四个控制端信号，防止H桥共态导通，保证电机的正常驱动。

驱动模块的控制电路主要由单片机、逻辑电路、放大电路、H桥驱动电路、光电编码测速以及电机六大部分构成，其总体设计方框图如图 1所示［1］。单片机发出的主要控制信号有电机转向控制信号dir、电机转速控制信号pwm、电机制动信号ret。这三路信号对电机动作的控制存在特定的逻辑关系，故由逻辑电路实现逻辑运算得到电机驱动的控制信号。控制信号经过放大后接到H 桥电路的四个控制端，从而实现对电机的启停、正反转及速度的控制。利用光电编码电路采集电机的实时转速信号，反馈到单片机进行判断后调整电机转速控制信号pwm，实现闭环控制。

图1 方案整体结构图

本设计中的难点和重点是逻辑运算处理，H桥的选择与光电编码器的信号处理。

1 H桥电路设计

1.1 H桥电路的选取

在直流电机驱动中，可以采用电力晶体管（GTR） 集电极输出型或射极输出型驱动电路实现。但是这种驱动电路不能实现直流电机的四象限运行，电流不能反向，无制动能力，不能反向驱动。为实现电机的正、反转控制，使用 H 型桥式电路。

H桥电路是一个典型的直流电机控制电路，因为它的电路形状酷似字母H，故得名与“H桥”。4个三极管或场效应管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠。H桥电路在电机驱动电路中逐渐成为必不可少的一部分。这种驱动电路能方便地实现电机的四象限运行，即正转、正转制动、反转、反转制动。H 桥功率驱动原理图如图 2 所示，组成 H桥驱动电路的4 只开关管工作在开关状态，G1、G4为一组，G2、G3为一组，这两组状态为互补。

因本设计的电机驱动电路的功率较大，采用功率开关器件场效应管（MOSFET）组成H桥电路。MOSFET 是电压控制型晶体管器件，具有输入阻抗大、开关速度快、无二次击穿现象等特点。

图2 H 桥驱动电路的3种方式

H 桥的开关管组合主要有 3 种方式［2］。如图2所示，图 2a中 H 桥的 4 个桥臂都使用 N 沟道增强型MOSFET 管；图 2b中 H 桥的 4 个桥臂都使用 P 沟道增强型 MOSFET 管；图 2c中上下桥臂分别使用 P 沟道增强型 MOSFET 管和 N沟道增强 MOSFET 管。

PMOS 管和 NMOS 管制造工艺不同，控制方法也不同。PMOS 管导通要求为栅极电压小于源极电压；NMOS管导通要求为栅极电压大于源极电压。

N沟道MOS管品种多，开关速度快，成本较低等特点，表面上看H 桥 4 个桥臂易于使用 N 沟道MOS 管即图 2a类电路。 假如电机正转，即Q1和 Q4导通，栅极G4电压应该高于源极S4电压，G1电压应该高于源极S电压。由于此时 Q1 的源极电压近似等供电电压VCC，因此就要求 G1电压 必须大于（VCC+Vgs），除非作一个升压电路，否则是比较难实现的，因此2a类电路这种连接方式反而比较少见，故H桥电路不采用此种设计。

图2b类电路中若要使电机正转，G4 电压就必须低于0 V- Vgs，所以可不用采取升压电路等措施从而降低电路复杂程度，但 P 沟道 MOSFET 管的品种少，价格较高，导通电阻和开关速度等都不如 N 沟道 MOSFET 管，考虑到成本，性能等方面，所以本文不采用该电路进行设计。

图2c类电路结合了上述两种电路各自的优点，使用方便。本文采用此方案设计H桥，即利用两个N 沟道增强型MOSFET管和两个P沟道增强型MOSFET管驱动电机的方案，控制电路简单、成本相对较低。

1.2 电路设计

该设计中H桥上臂MOSFET为 P沟道增强型MOS管。下臂 MOSFET为N沟道增强型MOS管。专用集成芯片FDS8958B内部集成了NMOS管与PMOS管，故采用两块芯片，可以组成所要求的H桥，且组成的电路简单，集成度高，抗干扰能力强。电路如图3所示。

图3 电机驱动电路图

当电源瞬间断开或者电机瞬间反转时，由于电机属于感性负载，电机会阻碍电流的变化，表现为电机的两端产生反向电动势。由于大部分的MOSFET管内部集成了续流二极管，因此可以将该电流旁路到电源回路，但是这样会造成主板电压的瞬变或噪声，故在在电源输入端并联一个100 pF的高耐压低ESR的电容C1（瓷质电容或钽电容）到地，同时再并联一个0.1 uF的电解电容C2，通过如上电容吸收电机反向电动势的能量，避免对系统电源的冲击。

2 电机驱动逻辑电路设计

在逻辑运算电路中采用了四门或非运算集成芯片74hc02d［3］。相对于单门或非芯片来说。集成度高，降低了电路上的复杂程度，抗干扰能力强，在成本上也得到了控制。

电机驱动逻辑电路如图 4 所示，单片机送来的控制信号 dir、pwm、ret作为输入信号经过一系列或非运算得到输出控制信号提供给H桥的四个栅极G1，G2，G3和G4，从而实现电机的正反转和制动。

三个输入信号、四个输出信号的逻辑关系与电机工作状态如图5所示。

dir与ret通过或非运算后的结果为H桥驱动电路中G4的控制信号；

dir与ret的运算结果再与ret进行或非运算后的结果为G3的控制信号，其运算结果再与pwm进行或非运算得到的结果为G1的控制信号；

dir与ret的运算结果与pwm进行或非运算后的结果为G2的控制信号。

再通过软件编程处理，即当制动开关ret信号为高电平（即高电平有效）时，脉冲调速信号pwm端口输出高电平经过或非运算与隔离间接控制G1、G2，即上桥臂截止，从而达到正反转的制动即刹车作用。

图4 电机驱动逻辑电路图

图5 信号关系及电机工作状态

逻辑电路的信号电平切换较快，可以满足不同频率的要求。在该逻辑电路中也可以达到从硬件上排除换向出现 H桥电路上下臂瞬间同时导通现象，即对MOSFET管起到了硬件上的保护作用，从而提高了MOSFET管的使用寿命与其性能保障。

3 转速采集反馈电路

光码盘具有分辨率高、输出精度优良以及寿命长等特点，因此这里采用光码盘测速，其示意图如图6所示。

图6 光码盘示意图

红外对管分别置于码盘的两侧，码盘随着电机转运时，码盘上的透光孔可以透过发射管的红外光，接收管接收到红外光从而导通，电动转动一圈，码盘透光孔的个数决定了透过红外线的次数，即接收管导通的次数。典型的光码盘有 TLP507A、T LP800等［4］。

红外对管接收红外信号的次数受码盘运动的控制，光线透过时，接收管导通；光线被遮挡时，接收管截止。接收管导通、关断的两种状态输出形成脉冲波形信号送到单片机，单片机计算单位时间内的脉冲数。因单位时间脉冲数与转数成正比，可以得到转速的实际值，进而判断是否达到转速期望值。判断后再调整在逻辑电路中转速控制信号pwm的占空比，依此开成闭环反馈，使转速达到稳定，软件设计流程图如图7所示。

图7 调速软件设计流程图

4 结论

本文采用单片机作为电机驱动的控制器，以FDS8958B 为驱动芯片实现了对直流电机启停、转向的控制［5］。设计了实用的 H桥电机驱动电路，以及电机驱动逻辑电路，不仅实现了对直流电机的方向及速度控制，也有效防止了H桥同侧的共态导通。设计中集成芯片的使用，简化了整个系统的结构，使得硬件调试方便，工作可靠性高，更为重要的是减少了数字控制的工作量，从而减少成本。

本文把设计方案运用到智能扫地机器人，采用以ARM Cortex-M3为内核的STM32单片机编程。通过实际测试，扫地机器人实现了快速清扫、避障转向或制动等智能功能，并且电路工作稳定可靠，满足实际工程应用要求。

［1］ 胡发焕，杨杰，邱小童.大功率直流电机驱动电路的设计［J］.机械与电子，2009（10）：77-80.

［2］ 曾国强，葛良全.机器人比赛中直流电机驱动电路的设计［J］.微计算机信息，2008，24（14）：236-238.

［3］ 阎石.数字电子技术基础［M］.5 版.北京：高等教育出版社，2006.

［4］ 宋玉锋，束慧.直流电动机测速装置的设计：基于2017年全国大学生电子设计竞赛项目［J］.南通职业大学学报，2017，31（3）：67-71.

［5］ 李雪艳.智能扫地车系统设计与研究［J］.机电信息，2015（33）：179-182.