簡析直流有刷電機的驅動設計

呂曉春

摘要：在自動化或者智能控制領域，動力源的種類繁多，但從源頭上大體可以分為氣動動力與電動動力兩大類;在電動動力方面，有電機或者電磁鐵等電能到動能轉換部件;電機的細分種類，大致又可分為：直流有刷電機（BDC）與直流無刷電機（BLDC），步進電機（STEP MOTOR）;伺服電機（SERVO MOTOR），與交流電機（AC MOTOR）。有刷直流電機雖然有結構與可靠性上的一些缺點，但是有刷直流電機價格在性價比上，即滿足必要的性能，相對合適的成本，有刷電機依舊是一個很好的選擇;直流有刷電機的驅動看似簡單，但實際有很多問題，主要在于：電機啟動、停止、換向時容易損壞驅動器，在啟動停止換向瞬間的沖擊電流比正常工作電流大十倍以上;這就要求驅動器的負載能力與各種保護措施都要求強壯才能保證驅動器可靠。

關鍵詞：直流電機;驅動器;電機驅動器;通用驅動器

1.直流有刷電機驅動器的設計概述

方案1，使用繼電器實現電機驅動、或者換向和制動;這種方式由于繼電器開合次數壽命非常有限，在開合時觸點上產生電弧，以及在電流較大時觸點接觸電阻導致觸點發熱，導致觸點加速氧化導致接觸不良，這種方案用在課堂教學中問題不大，但如果頻繁換向或者制動的工業應用場合，繼電器就很容易損壞，這種方案就不是一個可靠方案。

方案2，驅動器使用半導體功率器件來實現全橋，如下圖所示：

這種控制方式，在啟動或者負載電流較大時，功率器件進入完全導通或者完全關斷的狀態是有一個過程的，功率器件處于半導通的狀態的過程，在功率器件上的壓降大，而導致功率器件發熱嚴重;另外這種方案還有上下橋臂的功率管直通的過程出現，雖然在整個控制啟停過程中可能直通過程很短暫，但即便短暫也很有可能直接就導致燒毀;

方案3，基于MOS管的H橋。這種類型的驅動電路有很多的經典電路，甚至都有很多現成H橋集成電路芯片可選，比如MC33HB2000等，舉例的這個芯片負載電流可以到3A，峰值電流能到16A，電機工作電壓可以高達28V;集成過熱保護，短路保護，可以說能滿足很大部分中小額定電流的直流電機驅動的應用場合;但這種方案也不是本設計要討論的重點，因為RdsOn的典型值為235mOhm，這個值還是有點偏大;在可靠性要求比較苛刻的工業控制環境下，對于需要頻繁啟動停止與換向的應用場合，發熱還是偏大，這個可靠性無法保證;

另外如果需要驅動的直流電機的額定電流接近3A甚至是超過3A，設計出的驅動器額定功率與負載功率接近，功率余量不足，甚至不夠，這個場合就不能采用這個芯片方案;基于MOS管的非集成芯片的H橋驅動方案，更普遍地應用到直流電機的驅動方案中，而基于MOS管的H橋分立驅動方案有兩大類：A方案，上下橋臂都使用NMOS管，上橋臂通過一個電荷泵升電路控制通斷; B方案，上橋臂采用PMOS管，下橋臂采用NMOS管;在A方案的設計中，可以考慮采用IR2104S半橋驅動器去驅動H橋功率電路，該芯片廠商也提供了經典的設計方案;A方案的最大問題是怎么確保上下橋臂不出現橋臂直通現象;功率管開關通斷時，會產生比較大的電源振鈴波動，這個波動會影響IR2104S的驅動波形，這個方案對供電的電源要求相對較高;為規避上述這些方案的問題，在當前芯片制造工藝下PMOS造價與導通電阻都與NMOS接近情況下，采用B方案的是本方案設計的討論重點。

2.設計目標

設計的直流有刷電機驅動器，要求穩定，可靠，相對高的性價比;H橋臂絕對避開單邊直通情況;更低的RdsOn;對供電電源要求相對不苛刻，對各種工作電壓工作電流的直流有刷電機能夠很好適應。

2.1設計原理圖，如圖b：

2.2原理解釋

本設計H橋臂有兩個輸入，分別為Rz與Rf;如上圖，Rz接左橋臂的上下橋臂，Rf接右橋臂的上下橋臂，從圖上看，注意左右橋臂的比較器的基準是設置值不同，用比較器做電平切換是因為切換翻轉速度足夠快，另外因為上下橋臂的基準設置不同，驅動器在啟動或者換向以及停止時，控制邏輯電平的切換理論上非常快，可以做到uS級別，但是考慮控制邏輯輸入線路上的分布電容，結電容的影響，這個uS級會被遲滯放大，就是邏輯電平在高低電平切換期間，有一個危險電平，這個上下橋臂不同基準的設計，可以保證這個危險電平期間，上下橋臂的MOS管不會同時導通，從而保證在切換的整個周期，都不會出現上下橋臂直通的情況;即便在電機啟停換向期間電機的反電動勢反饋回輸入電源導致電源的波動疊加在輸入電平的的各種干擾都會被這種上下橋臂錯位基準設計給過濾掉，這樣的設計對供電電源的要求比較低。

下面詳細分析一下本設計的橋臂電平切換過程，由于本設計的電路橋臂是對稱的，所以我們先只看如圖的左橋臂的上下臂控制與切換過程。一般情況下，VCC=5V，Rz開始在高電平（邏輯1），TTL邏輯高電平是5V，比較器同向輸入為上橋臂的邏輯電平輸入，比較器的反向輸入為基準電平輸入;如圖所示，上橋臂基準電壓Vjz=5*15/（10+15）V=3V;此時，比較器輸出為高電平，LM293的高電平輸出是OC輸出，Q3的基極，被R5+R12上拉到VCtr，Q3截止，PMOS管CEM4435（M2）的柵極G，被R9與R18分壓到二分之一VCtr電平，PMOS管導通;對于左下橋臂而言，同樣的比較器在Rz為邏輯高電平時，也為OC輸出，Q6被R22上拉完全導通，左下橋臂的NMOS管CEM4410的柵極G被Q6下拉到近似0電平而截止;但Rz為邏輯低電平時，上下橋臂的比較器都輸出低電平，即Q3和Q6的基極都被下拉到地，此時Q3導通，PMOS管CEM4435（M2）的柵極G被Q3上拉到近似VCtr電平，此時M2截止，同時，因為Q6截止，NMOS管CEM4410的柵極G被R25與R31分壓到二分之一VCtr電平，此時N1導通;在邏輯高電平與邏輯低電平，保證了橋臂要么上橋臂通，要么下橋臂通，不會出現上下橋臂同時通的情況;現在再分析一下Rz在邏輯電平切換期間，即Rz從邏輯0到邏輯1（5V）或者從邏輯1（5V）切換到邏輯0時，由于Rz邏輯輸入線路上的分布電容以及邏輯輸入到最終功率MOS管之間結電容等的影響下，最終體現在功率MOS管柵極的控制電平不可能發生0時序階躍變化，總是有一個漸變過程，為了確保不出現哪怕是極其短暫的直通狀態出現，上下橋臂的功率MOS管的柵極控制電路必須確保PMOS與NMOS不會同時導通，本設計以輸入邏輯電平在切換過程的中點為例再分析一下電路的工作結果。當Rz=2.5V時，上橋臂PMOS前級比較器U2A輸出低電平，Q3導通，M2的柵極G被拉高導致M2截止，下橋臂NMOS前級比較器U2B輸出高電平，Q6導通，導致N1的柵極G被下拉到接近0的電平而導致N1截止，這個情況下，上下橋臂的功率MOS管都截止，沒有出現直通情況;本設計的這種柵極驅動方式，保證了上下橋臂在不確定的邏輯電平狀態下不出現直通情況，該截止的，提前進入截止期，保證了在2～3V之間的一個危險電平期間，上下橋臂都截止，這樣設計的驅動器，無論是冷啟動還是熱關機，還是換向，還是電源波動串入干擾，都不會出現上下橋臂直通的情況發生。

2.3參數分析

按原理圖的元器件設計，功率MOS管上橋臂PMOS管為CEM4435，根據資料RdsOn約為20mOhm，下橋臂也約為20mOhm，合計約為40mOhm，與用集成芯片方案的RdsOn為235mOhm小很多，可以減少功率MOS管的發熱，另外CEM4435的Id高達±8A，CEM4410更高，達±10A，上下橋臂的功率MOS管的|Vds|達30V，考慮足夠余量，本設計的驅動器在24V供電下，驅動4A以下的額定電流的直流電機，能夠穩定可靠運行。

3.驅動器的延伸設計

本驅動器的設計，是基于分立器件的方案設計，在需要更高的驅動電壓以及更高的額定電流時，可以選用Vdss與Id參數更好的功率MOS管，比如，上橋臂的PMOS管改為IRF5305，這個功率MOS的Vdss達-55V，而Id在25℃時達-31A;當然，同時下橋臂功率MOS也必須重新選擇，比如改為IRF1205，這個NMOS的Vdss=55V，Id=41A;這種功率MOS的配對使用情況下，驅動能力可以大幅增加，這種方案的直流有刷驅動器，可以驅動市面上絕大多數的的直流有刷電機;在分布式控制系統中，為實現模塊化控制，電機驅動器模塊一般都以控制器形式存在，而非單純的電機驅動器，控制器與驅動器的區別就是控制器在驅動器的基礎上在外加了控制CPU，電源轉換電路，位置檢測電路，通訊電路與各種保護電路等等。

總結

直流有刷電機的驅動器/控制器的整體設計大致如上文所述，經過分析可知該驅動器的思路是可行的;本文講述的延伸版本的直流有刷電機控制器的設計已經通過量產驗證，量產的模塊從未出現過燒毀或者溫度太高停止工作等問題;由上述可知本設計的驅動器能夠適應各種類型的直流有刷電機，本設計的驅動器工作效率較高，負載能力大，同時自身溫升極低，這樣有利于驅動器/控制器長期穩定運行。