电机驱动模块

型号
最大电流
漏源最大压差
Qg
Rds(on) Vgs=10V
封装
IRF540
33A
100V
65 nC
50mΩ
TO-220
IRF3205
110A
55V
146 nC
8mΩ
TO-220
IRF7821
14A
30V
9.1 nC
4.5mΩ
SO-8
表1：MOS管参数对比
上述表格中的3款都是美国国际整流公司（IR）的MOS管，在MOS管选型时，最大电流和漏源最大压差都满足电机驱动设计的要求，从性能上对比主要是两个参数：Rds（on）和Qg。
根据上面对PWM技术的介绍，利用PWM技术与电力电子开关相结合就能达到直流斩波的效果，下面重点介绍全桥和半桥的原理。
（1）全桥
在电机驱动中由MOS管搭建的驱动电路主要分为全桥（H桥）和半桥。全桥的拓扑结构，如图2所示：
图2 H桥拓扑结构
如上图所示，全桥驱动由4个MOS管组成，因为形状类似英文字母“H”，故也成为H桥。控制H桥就是控制4个MOS管，控制电机M的正反转只需控制相应的MOS管就可以实现了。控制MOS-1与MOS-4导通，MOS-2与MOS-3关断就实现了电机的正转，反之即反转，如图3、4所示：
Rds（on）：MOS管导通内阻。理想的MOS管在完全导通时内阻为0，不过在实际情况下Rds（on）是存在的，Rds（on）越小代表该MOS管导通时能通的电流越大（这里忽略了温升）。
Qg：栅极总电荷量。Qg这个参数在以往的设计中往往被忽略，不过在实际应用中Qg对效率的影响非常大，Qg越小，开关时间越短，MOS管的反应更快，在这个参数指标上IRF7821的性能就凸显出来了。
3.4.4电机驱动设计总结
整个电机驱动主要包括了：半桥、MOS Driver、Boost电源（在电源模块已经仔细介绍），这三个模块组成了一个高效、稳定、快速的电机驱动，配合单片机的PWM控制，组成一个完整的智能循迹车调速系统。在设计过程中，曾经也测试过集成芯片如LM298、MC33886等，最终确定以独立元件搭建半桥的方式进行驱动是经过考量后的选择，为整个车的动力系统做了很好的保障。
图3电机正转
图4电机反转
利用PWM技术结合H桥进行电机调速主要就是控制对应MOS管的栅极。实现电机正转可调速，需将MOS-4完全导通（单路PWM方式），然后把PWM信号加到MOS-1的栅极，通过调节PWM的占空比就实现正向调速，反向亦如此。
（2）半桥
半桥与全桥的区别从名字上可以看得出来，半桥只有全桥的一半，即两个MOS管，如图5所示：
如图6所示，利用半桥控制电机的速度，需将MOS-2关断，PWM信号加到MOS-1的G级，通过调节PWM的占空比就实现调速。
图7所示的是半桥驱动的制动功能。当电机处于制动状态时，MOS-1关断，PWM信号控制MOS-2，使其完全导通，使电机两端短路，电机内部的转子实际上是线圈，当线圈两端瞬间短路时会产生非常大的感应电流，根据毕奥-萨伐尔定律和楞次定律，如此大的感应电流会产生与内部磁铁反向的磁场，从而实现制动的效果。在制动状态下，电机转速越快产生的感应电流越大，所以车速越高刹车力度越强，不过这种制动方式在低速时刹车力度很小，无法让车模立即停下来，因此也被称为“软刹车”。
图5半桥拓扑结构
由于半桥驱动只有一半的MOS管，电机的转动方向只有一个，但是在智能车整个运行过程中，不具备后退的功能（H桥的反转是用来辅助刹车，利用反转刹车使得车子能更快的减速），因此半桥驱动也满足智能车的需求。虽然不具备反转刹车的功能，但是半桥也具备了强制制动的效果，如图6、7所示：
图6半桥调速拓扑结构图7半桥制动拓扑结构
常见的直流电机，其磁场都是固定的，内部是不可调的永磁体，所以调节励磁电流ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ方法不可行，下面重点介绍调节电枢电压的调速方式。
调节电枢电压的方式也分为两种：可控硅调压和PWM调节。对于小功率的直流电机最方便、应用最广泛的调速方式就是PWM调节配合H桥或半桥。
20世纪70年代以前，以晶闸管为基础组成的相控整流装置是运动控制系统直流传动中主要使用的变流装置，但由于晶闸管属于半控型器件，使其构成的V－M系统的性能受到一定的限制。20世纪70年代以后，随着电力电子技术的发展，出现了全控型器件－－门极可关断晶闸管（GTO）、电力场效应晶体管（Power－MOSFET）、绝缘栅极双极晶体管（IGBT），直流电机控制领域向高精度方向发展，PWM驱动装置在中小功率场合，有着晶闸管驱动装置无法比拟的优点，例如：调速范围宽、快速性好、电流波形系数好、功率因数好等。
虽然IRF7821的最大电流不如IRF3205和IRF540（在导通内阻比它们小的时候，为何最大电流比它们小，这个主要是因为IRF7821是SO-8封装，散热面积比较小，导致温升比较大），不过IRF7821的封装为SO-8，可以通过多片MOS管并联的方式搭建半桥驱动，既提高了驱动能力，解决了温升的问题，同时也减小了PCB板的面积，最终选择IRF7821作为半桥驱动的MOS管。
图8 IR2104电路
利用IR2104的两路输出驱动半桥的上下桥MOS管非常合适，IR2104的输出波形图，如图9所示：
图9 IR2104输出信号
如图9所示，在SD使能时（SD高电平使能），HO的输出逻辑与IN相同，LO与IN相反，这样可以保证半桥驱动的上下桥不会在同一时间导通，防止了电机驱动烧坏的现象。另外在IR2104的电路中涉及到的自举电路包括了二极管和自举电容，这个电路与开关电源中的自举电路原理一样，就不再阐述。
图1直流斩波原理
如图1所示，a）原理图中，S表示电力电子开关器件，VD表示续流二极管。当S导通时，直流电源电压Us加到电机上；当S关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢电流经VD续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形如图，好像是电源电压Us在ton时间内被接上，又在T–ton时间内被斩断，故称“斩波”。由此得电机两端的得到的平均电压为
（2）MOSDriver设计
MOS Driver的电源设计已经在电源部分详细阐述，这里就不加累赘。由于MOS管是压控型器件，G级电压直接决定了Rds（on），G级电压越高Rds（on）越小，性能更好。所以将单片机的PWM信号抬高就是MOS Driver的作用了。
MOS Driver芯片有很多，在这里我们采用美国国际整流公司（IR）的IR2104，这款芯片属于一款典型的MOS Driver芯片，电路如图8所示：
3.4电机驱动模块
车模原配的直流电机是智能循迹车的前进动力来源，使用7.2V电池直接为其供电，同时采用相应的调速设备对电机速度进行控制，实现智能循迹车的速度控制。
3.4.1电机驱动方式
智能循迹车使用的为直流电机，在这里只介绍直流电机的驱动方式。目前直流电机的调速方式主要有：调节励磁电流和调节电枢电压。
3.4.3实际电路选型
上一节已经分析了全桥和半桥的原理，经过对比最终确定半桥作为智能循迹车的电机驱动方式。下面重点介绍基于半桥的电机驱动路设计。
（1）MOS管选型
MOS管是半桥驱动的主体，MOS管的性能直接影响整个驱动模块的性能，所以在选择MOS管（在半桥驱动的MOS管选型，我只考虑了增强型N沟道MOS管）时也选取了几套方案，具体参数比较，如表1所示：
PWM（Pulse Width Modulation）控制——脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。
最终确定智能车电机驱动设计采用MOS管与PWM相结合实现了对电机的调速。
3.4.2全桥和半桥原理
全桥和半桥都是利用直流斩波的原理，直流斩波基本结构和原理，如图1所示：
半桥电路结构的好处是它可以比全桥少用一半的MOS管，或者说在相同体积内可以多并联一倍的MOS管来提升驱动能力。十年前的电子调速器调多采用TO-220封装的MOS管，用1到2片MOS管并联做制动，6片MOS管并联做驱动，而近几年的电调多采用SO-8或D -pak封装的MOS管。尽管SO-8封装的MOS管电流承载能力比不上TO-220封装的MOS管，然而由于其体积小，可以将更多片MOS管并联使用。