电机驱动入门简述与应用电路

V1.0目录一、电机 (2)二、PWM (2)三、电机驱动 (3)1、原理介绍 (3)2、H桥 (3)3、电机驱动保护 (4)四、场效应管 (4)五、集成驱动芯片及应用电路 (5)1、L298 (5)2、MC33886 (6)3、BTS/BTN系列 (6)4、集成驱动芯片的问题 (7)六、分立元件驱动电路 (8)1、2PMOS+2NMOS (8)2、4NMOS (9)七、PCB注意事项 (11)一、电机电机（马达）是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置（电能转化为机械能）。

在电路中用字母M表示。

按工作电源种类划分可分为直流电机和交流电机。

直流电动机按结构及工作原理可划分无刷直流电动机和有刷直流电动机……等等。

分类巨多，用处各不同。

智能车用的电机是比较简单的永磁直流电机。

对于这样的电机，给其正负端加上正电压，向前转，加上负电压，向后转。

这就像从前玩过的四驱车，打开开关，车就开了，但是问题是这样没法实现调速。

智能车控制中加速减速是必须的，所以我们需要一个模块对电机进行加减速甚至正反转的控制，这个模块就是电机驱动。

二、PWM1、原理介绍(本文档原理全部为帮助理解，并不是准确的电路理论)由以上的说明我们可以得到这样一个直观认识：电机驱动可以视为一个可以由电路控制的开关。

所以理论上一切有开关特性的电子元器件皆可用来构成电机驱动（但是要考虑功率等的问题）。

比如继电器、三极管、场效应管等。

但其中继电器的控制频率受很大限制，一般三极管的功率达不到要求，所以现在的智能车电机驱动多采用场效应管（不管是分立元件还是集成芯片）。

再回到电机操作上，你可以发现，有一个可控开关（现在姑且这么称呼）的电机驱动的却可以实现对电机速度的控制，但是有时候在急弯前需要刹车，即给车一个反向加速度，制动力让车迅速减速，这时候上述方案就不行了，因为上面的电路电机对车的力反向只是从0到最大，而如果希望倒转，则需要从负值最大到正值最大。

实现这个想法的电路叫做H桥，又称为全桥驱动。

2、H桥状态1 状态2 桥是如何实现控制电机的正转倒转调速的请看表2的状态1与状态2中，左上角和右下角的可控开关导通，左下角和右上角的开关断开，此时电机正端（规定此图中左端为正）加上正电压，负端接地，电流正向流过，电机正转。

中，左下角和右上角的可控开关导通，左上角和右下角此时电机正端接地，负端加上正电压，电流负向流过，这样就实现了控制电机正转倒转。

调速的方式和之前一样，输信号，使之每周期导通的时间受控，实现速度调节。

桥的四个控制臂可以输入多种状态的信号，状态1和状态2只是其中两种，而有一种特殊的状态需要特别注意：某一边的控制端同时让开关导通（右图）。

这时，很明显，相当于正负极短路了，正如上文所述，在驱动电路中，由于它有上下二只可控开关：一只一端直接电源（上）和一只一端直接地（下），正常时这上下二只开关不应该同时导通，因在这种种情况时就相把电源和地短路了，可实际中多半由于电路设计或器件原因，这种现象出现了，只是时间很短没造成大故障，这种现象我们就称为共态导通，它的坏处会多耗很多功率，并让开关（场效应管等）很快发热导致损坏。

所以一定要注意避免这种情况的发生。

现在的驱动芯片多集成了共态导通保护功能，有死区时间和欠压保护等。

死区时间是PWM输出时，为了使H桥或半H桥的上下管不会因为开关速度问题发生同时导通而设置的一个保护时段。

通常也指PWM响应时间。

欠压保护是防止供电电压不足时产生意想不到的情况（共态导通、电流回灌等）驱动芯片控制开关断开的保护方式。

除此之外还有过流保护、过压保护、过热保护等，可以查阅相关资料了解。

四、场效应管上文中我们一直在用可控开关来代替真实的电子元件，而我们也提到了现在的智能车电机驱动多采用场效应管。

场效应管是魔电的内容，这里仅讲其应用。

场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管，也称为单极型晶体管。

它属于电压控制型半导体器件。

具有输入电阻高（10^8～10^9Ω）、噪声小、功耗低、可驱动高功率器件、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点。

场效应管分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOS管）两大类。

按沟道材料型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种；按导电方式：耗尽型与增强型，结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。

场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管，而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。

我们这里使用的是增强型MOS管（如表三）。

表三NMOS的特性V GS（栅源电压）大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况。

低端驱动只要栅极电压达到4V或10V就可以了。

PMOS的特性V GS小于一定的值就会导通适（适用于源极接VCC时的情况）。

虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动。

但由于导通电阻大、价格贵替换种类少等原因在高端驱动中通常还是使用NMOS。

导通电阻R DS(on)可以在Datasheet上查到。

所以我们就可以把NMOS等效成一个高控制电压控制其导通的开关，把PMOS等效成一个低控制电压导通的开关。

栅极相当于控制端。

但是要注意的是这里的“导通”，并不是一达到某一个值就立即R DS降到最低，而是一个连续的过程，所以中间肯定会出现“不完全导通”的情况，也就是控制电压不够高或者不够低，这时，驱动会发热，甚至烧毁驱动（不完全断开亦然）。

所以为防止这种情况，最好能给控制电压升压。

最好能达到栅源电压甚至更高。

我们可以得到的驱动方式是4NMOS驱动（常用，效果最好，导通电阻最低但是容易出现共态导通，需要专门芯片控制），2PMOS+2NMOS（常用，效果较好，导通电阻不高，不容易出现共态导通），4PMOS（不常用，效果最差，导通电阻最高，容易出现共态导通，这个方案直接淘汰）。

最后的两个方案是4NMOS和2PMOS+2NMOS，这些方案的电路在之后分立元件驱动电路中进行展示。

五、集成驱动芯片及应用电路电机驱动如此常用，当然会有厂家推出集成芯片供使用，常用的集成驱动芯片有：L298、MC33886、BTS(BTN)7960/7970/7971（BTS/BTN这些芯片同属一个系列大同小异）。

L298L298是双全桥（两个H桥）集成电路，可以驱动两个电机。

既可以驱动直流电机也可以驱动步进电机，每路的最大电流是2A。

实际使用中，如果驱动一个电机，可以将两路并联已获得最大4A的驱动能力。

应用电路如下：IN1-4对应OUT1-4的电平状态，一般用来控制正转倒转。

ENA和ENB 是使能端，一般用来输入PWM。

MC33886MC33886是全桥驱动，可支持最大3A驱动电流（120mΩ）。

根据查阅的资料，使用单片MC33886时易发生发热、噪声等问题，对电源电压影响过大等问题，所以可以使用两片并联，如下所示：该接法降低了MOS管的导通内阻，增大了驱动电流，可以起到增强驱动能力、减小芯片发热的作用，但是起始频率受限，电机噪声大且发热严重。

MC33886没有使用过，这里不做详细介绍，想使用的大家可以多查阅资料。

BTS/BTN系列这个是在比赛中非常常用的驱动芯片，是半桥驱动，所以要实现正反转控制需要两片。

7960单片的驱动能力43A,7970单片的驱动能力68A。

采用2个半桥智能功率驱动芯片BTS7960B组合成一个全桥驱动器，驱动直流电机转动。

BTS7960B是应用于电机驱动的大电流半桥集成芯片，它带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道的低边MOSFET和一个驱动IC。

P沟道高边开关省去了电荷泵的需求，因而减少了电磁干扰(EMI)。

集成的驱动IC具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和超温、过压、欠压、过流、堵转及短路保护功能。

BTS7960B的通态电阻典型值为16mΩ，驱动电流可达43 A，调节SR引脚外接电阻的大小可以调节MOS管导通和关断时间，具有防电磁干扰功能。

IS引脚是电流检测输出引脚。

INH引脚为使能引脚，IN 引脚用于确定哪个MOSFET导通。

当IN=1 且INH=1时，高边MOSFET导通，输出高电平；当IN=0且INH=1时，低边MOSFET导通，输出低电平。

通过对下桥臂开关管进行频率为20 kHz的PWM信号控制BTS7960B的开关动作，实现对电机的正反向PWM驱动、反接制动、能耗制动等控制状态。

这块芯片开头频率可以达到25 kHz，可以很好地解决前面提到的MC33886使电机噪声大和发热的问题，同时驱动能力有了明显的提高，响应速度快。

但是，电机变速时会使电源电压下降10%左右，控制器等其他电路容易产生掉电危险，从而使整个电路系统瘫痪，需要加大电容抑制。

集成驱动芯片的问题集成驱动芯片使用简单，资料全面，是新手的最佳选择，但是对于想要提速的队伍或者是使用B车的队伍，使用集成驱动芯片还不够，主要是两个方面：驱动能力和成本。

BTS/BTN系列的驱动能力已经不错了，但是在B车电机上使用下半桥（PMOS）仍会发烫。

而BTS/BTN系列的原装价格单价都在4美元以上，相当于一个驱动其中芯片的价格至少要50。

如果想用两个全桥驱动并联或者是直立组（两个电机）那么成本将会非常高。

而L298（18元左右）和MC33886（25元左右）的驱动能力不尽人意，所以我们需要介绍驱动能力更强而且价格更加低廉的分立元件驱动电路。

六、分立元件驱动电路正如之前所说，分立元件驱动电路驱动能力更强而且价格更加低廉。

而我们在MOS管介绍中最后得到两个方案是4NMOS和2PMOS+2NMOS，我们进行一一介绍。

1、2PMOS+2NMOS桥臂上的4个场效应管相当于四个开关，P型管在栅极为低电平时导通，高电平时关闭；N型管在栅极为高电平时导通，低电平时关闭。

场效应管是电压控制型元件，栅极通过的电流几乎为“零”。

正因为这个特点，在连接好下图电路后，控制臂1置高电平（U=VCC）、控制臂2置低电平（U=0）时，Q1、Q4关闭，Q2、Q3导通，电机左端低电平，右端高电平，所以电流沿箭头方向流动。

设为电机正转。

控制臂1置低电平、控制臂2置高电平时，Q2、Q3关闭，Q1、Q4导通，电机左端高电平，右端低电平，所以电流沿箭头方向流动。

设为电机反转。

当控制臂1、2均为低电平时，Q1、Q2导通，Q3、Q4关闭，电机两端均为高电平，电机不转；当控制臂1、2均为高电平时，Q1、Q2关闭，Q3、Q4导通，电机两端均为低电平，电机也不转，所以，此电路有一个优点就是无论控制臂状态如何（绝不允许悬空状态），H桥都不会出现共态导通。

下面是由与非门CD4011组成的栅极驱动电路，因为单片机输出电压为0~5V，而我们小车使用的H桥的控制臂需要0V或7.2V电压才能使场效应管完全导通，PWM输入0V或5V时，栅极驱动电路输出电压为0V或7.2V，前提是CD4011电源电压为7.2V。