教你设计一个电机驱动电路

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假如你手里有个小电机和1节电池，用导线连上他们，电机就会立即转动；拆下来，把电池极性调换下，电机就会朝着另一个方向转动，这就是电机最简单的应用场景。

但是在我们实际复杂的项目中，常常需要电机实现速度控制，时间控制等功能，比如汽车的自动车窗电机控制。这时，如何设计电机驱动电路呢？

资深电机控制工程师冯坚栋作为达尔闻的特邀讲师，用一个案例，为大家讲解电机设计技巧：

完整视频点击阅读原文

当我们有一个明确的控制对象时，该如何设计电机驱动并利用这个电机驱动来控制电机？

设计目标：以类似智能小车的直流有刷电机为例，进行电机控制电路设计与控制方法

控制对象：24V，5A直流电机，自带100线光栅编码器

实现功能：正反转；速度控制；过流保护

为了完成上面这个设计目标，我们需要设计的电路方案里就要包含以下几个部分：

供电电路设计是电机控制电路的保障。假设外部供电电源24V，MCU一般供电电压5V/3.3V，MOS管门级驱动芯片供电和门级供电一般为12V，所以需要采用BUCK降压电路。

供电就基本有两种电源转换的方案：

方案1：24V转12V，24V转5V/3.3V；

方案2：24V转12V，12V转5V/3.3V

根据方案选择电源就非常容易了，这里就推荐三个常用的高效率的降压转换芯片给大家：

MP2314：MPS，高效2A，24V，500kHz，带AAM（轻载模式），TSOT23-8中的同步降压转换器；

TPS5430：TI，5.5V至36V输入，3A，500kHz降压转换器；

LM1117：TI，低压差线性稳压器，可以实现12V转5V或者3.3V的输出。

为了实现电机的正反转，H桥主电路是我们常用的典型电路，电机主电路正常采用的是H桥设计，共4个MOS管，如下图所示。电路得名于“H 桥驱动电路”是因为形状酷似字母 H。4 个MOS管组成 H 的 4 条垂直腿，而电机就是 H 中的横杠上的M。

要使电机运转，必须导通对角线上的一对MOS管。根据2对MOS管的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的正反转。如上图绿色路径，就是Q1和Q4同时导通，实现电机运转，红色路径Q2和Q3的导通使得电机反转。 

在H桥中，MOS起到了决定性的作用。如何选择MOS管呢，我们主要关心下面几个参数：

Vds：最大耐压（加在MOS管两端的最大电压），电机是24v供电，所以Vds应该是24v的1.5倍-2倍左右；

Vgs：门级导通电压；

Id：最大导通电流；

Rdson：等效导通阻抗，原则上阻值越小越好。

在驱动电机时，保证 H 桥上两个同侧的MOS管不会同时导通非常重要。假如Q1 和 Q2 同时导通，那么电流就会从正极穿过两个MOS管直接回到负极。此时，电路中除了MOS管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值，甚至烧坏MOS管。因此需要有一个死区的概念，也就是说当上管关断之后下管不能立马打开，而是要等待个几微秒，然后再将下管打开。

由于控制器/单片机IO的电流输出能力不够，并且达不到12伏的门极驱动电压，因此，就需要设计预驱动电路。在上述H桥，我们选用的是NMOS，它的导通条件是门级电压要高于栅极电压。对于上桥臂来说，其中如果一个导通，另外一个一定要关断。通过门级驱动电路，把门级电压抬升至一定的压差，另外，有的门级驱动芯片可以保证上下桥臂的MOS不能同时导通。

常用门级驱动芯片IR2104，VCC为12V电压，IN为控制信号输入，一对反向的输出HO、LO保证了两个MOS管不会同时导通。

这个驱动设计单从信号逻辑上分析比较容易理解，但要深入的理解和更好的应用，就需要对电路做较深入的分析，对一些外围元件的参数确定做理论分析计算。详细的分析方法可点击阅读原文，查看第26:50视频。

电机驱动的设计，离不开模电的知识，尤其是MOS管原理，另外由于电机驱动系统对电压的要求比较高，驱动电路也将是学习的一大难点，这些都可以点击阅读原文，在视频中学习电机驱动设计。

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