电机驱动原理与电路分析-电机驱动电路设计与发展现状

电机驱动简介

电机(ji)(ji)驱动(dong)Motor drive是(shi)组装在(zai)胶片(pian)式照相(xiang)机(ji)(ji)内的微型(xing)电机(ji)(ji)或(huo)弹簧及(ji)其附件的总(zong)称，借助微型(xing)电机(ji)(ji)自动(dong)地卷取胶片(pian)，大多是(shi)指35毫(hao)米单镜(jing)头反光相(xiang)机(ji)(ji)所用的。

拍(pai)一(yi)片格(ge)和连(lian)(lian)拍(pai)可(ke)以(yi)交替，连(lian)(lian)拍(pai)时(shi)(shi)一(yi)般一(yi)秒钟(zhong)拍(pai)3—5片格(ge)。视照相机的(de)种类，将背部盖子换为(wei)长胶卷(juan)用片盒(he)，即可(ke)拍(pai)250片格(ge)。除供(gong)利用软线的(de)遥(yao)控摄(she)影外，亦(yi)可(ke)借连(lian)(lian)接到(dao)定时(shi)(shi)器上的(de)间隔控拍(pai)器自动地拍(pai)摄(she)，或靠(kao)控制快(kuai)门等，应(ying)用面较(jiao)广。倘不需连(lian)(lian)拍(pai)时(shi)(shi)，使用自动卷(juan)片器亦(yi)可(ke)。

电机驱动的发展现状

电机(ji)驱动的发展现(xian)状如下：

(1)交流异(yi)步(bu)(bu)电机驱动系统(tong)我国已建立(li)了(le)具有自主知(zhi)识产(chan)权异(yi)步(bu)(bu)电机驱动系统(tong)的开(kai)发平(ping)台，形成了(le)小(xiao)批量生产(chan)的开(kai)发、制造、试验及服务(wu)体(ti)系;产(chan)品(pin)性(xing)能基(ji)本(ben)满足整车需求，大(da)功(gong)率异(yi)步(bu)(bu)电机系统(tong)已广泛(fan)应(ying)用于各类电动客车;通过示范运行和小(xiao)规(gui)模市场化应(ying)用，产(chan)品(pin)可靠性(xing)得(de)到了(le)初步(bu)(bu)验证。

(2)开(kai)关磁阻电(dian)机驱动系统已(yi)(yi)形成优(you)化设计和自主研(yan)发能力，通过合理设计电(dian)机结构(gou)、改进控制技术(shu)，产品性能基本满足(zu)整车需求;部分公司(si)已(yi)(yi)具备年(nian)产2000套的生产能力，能满足(zu)小批量(liang)配(pei)套需求，目(mu)前部分产品已(yi)(yi)配(pei)套整车示范(fan)运行(xing)，效果(guo)良好。

(3)无刷(shua)直流(liu)电机驱动系统国内企业通过(guo)合理设计及改进控制技术(shu)，有(you)效提高了无刷(shua)直流(liu)电机产品性能，基本满足电动汽车需求(qiu);已初(chu)步具(ju)有(you)机电一体化设计能力。

(4)永(yong)磁同步电(dian)机(ji)(ji)驱动系(xi)统(tong)已形(xing)成了一定的研发和生(sheng)产(chan)能(neng)力，开发了不同系(xi)列(lie)产(chan)品，可(ke)应用于各类电(dian)动汽车(che);产(chan)品部分技(ji)术指标接近国际先进水平，但总(zong)体(ti)水平与国外仍有一定差距;基本(ben)具(ju)备(bei)永(yong)磁同步电(dian)机(ji)(ji)集(ji)成化(hua)设计能(neng)力;多数(shu)公(gong)司(si)仍处于小规模试制(zhi)生(sheng)产(chan)，少数(shu)公(gong)司(si)已投资建(jian)立车(che)用驱动电(dian)机(ji)(ji)系(xi)统(tong)专用生(sheng)产(chan)线(xian)。

电机驱动原理与电路分析
电机驱动电路原理

电机驱动电路原理如(ru)下图：

上(shang)图(tu)(tu)中Header 4X2为4排2列插针(zhen)，FM0~3为FPGA芯片I/O输出口，加(jia)入的插针(zhen)给予(yu)一个可动的机制，在需要使用(yong)(yong)时(shi)才用(yong)(yong)跳线(xian)帽进行相连，提高(gao)I/O口的使用(yong)(yong)效率。RES5是(shi)五端(duan)口排阻，内部集成了4个等阻值且(qie)一端(duan)公(gong)(gong)共连接的电(dian)阻，PIN 1是(shi)公(gong)(gong)共端(duan)，PIN2~5为排阻的输出端(duan)，排阻原理图(tu)(tu)，如下图(tu)(tu)所示(shi)：

该(gai)排阻(zu)(zu)公(gong)共(gong)端(duan)接(jie)(jie)电(dian)(dian)(dian)(dian)源，即上拉电(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)形式，作用是(shi)(shi)增强FPGA芯(xin)片I/O口(kou)（以下简称(cheng)I/O口(kou)）的驱动能力，实际(ji)上就是(shi)(shi)增加(jia)I/O输(shu)出高电(dian)(dian)(dian)(dian)平(ping)时(shi)输(shu)出电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)的大(da)小(xiao)。当I/O输(shu)出高电(dian)(dian)(dian)(dian)平(ping)时(shi)，+5V电(dian)(dian)(dian)(dian)源经(jing)排阻(zu)(zu)与IN1~4相(xiang)(xiang)连，相(xiang)(xiang)当于为(wei)I/O提供一(yi)个额(e)外(wai)的电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)输(shu)出源，从(cong)而提高驱动能力。当I/O输(shu)出低(di)电(dian)(dian)(dian)(dian)平(ping)时(shi)，可将(jiang)I/O近(jin)似看做接(jie)(jie)地，而IN1~4因与I/O由导线直接(jie)(jie)相(xiang)(xiang)连，因此直接(jie)(jie)接(jie)(jie)受了I/O的低(di)电(dian)(dian)(dian)(dian)平(ping)输(shu)出信(xin)号。此时(shi)，+5V电(dian)(dian)(dian)(dian)源经(jing)排阻(zu)(zu)R、I/O内部电(dian)(dian)(dian)(dian)路（电(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)(zu)近(jin)似为(wei)零）后接(jie)(jie)地，因此该(gai)路的电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)不能大(da)于I/O的拉电(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)（Ii）最大(da)值，如下公(gong)式：

由公式2-2可以得(de)出排阻的取值范(fan)围。

该(gai)上(shang)拉(la)电(dian)阻(zu)除了提高(gao)驱动(dong)能力(li)外，还(hai)有(you)一个作用，就(jiu)是(shi)进行电(dian)平转换。经查(cha)，ULN2003的(de)(de)接(jie)口(kou)(kou)逻(luo)辑为：5V-TTL, 5V-CMOS逻(luo)辑。而在(zai)3.3V供电(dian)的(de)(de)情况下，I/O口(kou)(kou)可(ke)以(yi)提供3.3V-LVTTL，3.3V-LVCMOS，3.3V-PCI和(he)SSTL-3接(jie)口(kou)(kou)逻(luo)辑电(dian)平。因(yin)此，需要(yao)外接(jie)5V的(de)(de)上(shang)拉(la)电(dian)阻(zu)将I/O电(dian)平规格变成5V电(dian)平逻(luo)辑。

芯片ULN2003内部集(ji)成(cheng)7组达林顿管，专(zhuan)门用于提高驱动电流，芯片引(yin)脚间(jian)逻辑如下(xia)图所示(shi)：

于I/O电(dian)流(liu)远远不足以驱动电(dian)机，因此需要外接该(gai)芯片驱动电(dian)机，ULN2003内部集成(cheng)的(de)达林顿管电(dian)路如下图(tu)所(suo)示。达林顿管的(de)形式具有将弱点信号(hao)转化(hua)成(cheng)强(qiang)电(dian)信号(hao)的(de)特点，I/O电(dian)平逻(luo)辑从(cong)PIN IN输(shu)入，通(tong)过达林顿管控制PIN 9(COMMON)端输(shu)入的(de)强(qiang)电(dian)信号(hao)按(an)照I/O信号(hao)规律变(bian)化(hua)。值得注(zhu)意的(de)是(shi)：ULN2003输(shu)出逻(luo)辑将与(yu)输(shu)入逻(luo)辑相反，编程时应该(gai)注(zhu)意该(gai)特点。

RES6是六(liu)端(duan)口排(pai)阻(zu)(zu)，内部集成(cheng)了5个等阻(zu)(zu)值(zhi)且一(yi)端(duan)公(gong)共连(lian)接的(de)电(dian)阻(zu)(zu)，PIN 1是公(gong)共端(duan)，PIN2~6为(wei)排(pai)阻(zu)(zu)的(de)输出端(duan)，原理图(tu)与接法(fa)说明可(ke)参考上(shang)述图(tu)2-2，排(pai)阻(zu)(zu)取值(zhi)范围(wei)计算(suan)参见公(gong)式2-2，此(ci)处不(bu)再赘述。值(zhi)得注意的(de)是：RES6的(de)PIN 1与PIN 2相连(lian)，是因为(wei)多出了一(yi)个不(bu)使(shi)用的(de)电(dian)阻(zu)(zu)，为(wei)了避免PIN 2悬(xuan)空(kong)，因此(ci)将PIN 2与PIN 1（公(gong)共端(duan)）相连(lian)，即(ji)PIN 2对应(ying)的(de)电(dian)阻(zu)(zu)被(bei)短路，从而既避免的(de)悬(xuan)空(kong)的(de)引脚，又能使(shi)该电(dian)阻(zu)(zu)失效。

（一）电机驱动电路分析-电机指示灯电路原理

电机指示灯电路如下图所示：

电(dian)(dian)(dian)机(ji)部分指(zhi)(zhi)示(shi)灯(deng)用于指(zhi)(zhi)示(shi)各路信号的(de)逻辑电(dian)(dian)(dian)平(ping)状态，其中R106~109为(wei)(wei)限流电(dian)(dian)(dian)阻，防止发(fa)(fa)光二(er)(er)极管(guan)因电(dian)(dian)(dian)流过大烧毁。值得注(zhu)意的(de)是：该指(zhi)(zhi)示(shi)灯(deng)的(de)发(fa)(fa)光二(er)(er)极管(guan)接成共阳极，由(you)M0~3信号端口(kou)产生低电(dian)(dian)(dian)平(ping)点(dian)亮对(dui)应的(de)二(er)(er)极管(guan)，而ULN2003的(de)OUT与IN逻辑电(dian)(dian)(dian)平(ping)相(xiang)反(fan)(fan)，因此对(dui)于I/O口(kou)FM0~3来说，输出高电(dian)(dian)(dian)平(ping)就能点(dian)亮对(dui)应的(de)发(fa)(fa)光二(er)(er)极管(guan)，例如：FM0输出高电(dian)(dian)(dian)平(ping)，则对(dui)应LD17点(dian)亮，编程时应注(zhu)意此电(dian)(dian)(dian)路将I/O实际逻辑反(fan)(fan)相(xiang)了两次，对(dui)应关(guan)系为(wei)(wei)I/O口(kou)输出哪(na)路高电(dian)(dian)(dian)平(ping)则对(dui)应点(dian)亮哪(na)路指(zhi)(zhi)示(shi)灯(deng)。

（二）电机驱动电路分析-时钟电路原理

时钟(zhong)电路如下图所示(shi)：

采用(yong)(yong)50Mhz有(you)源晶振产生时(shi)(shi)钟(zhong)信号(hao)(hao)，接法采用(yong)(yong)有(you)源晶振的(de)典型接法：PIN 1悬空，PIN 2接地，PIN 3输出(chu)时(shi)(shi)钟(zhong)信号(hao)(hao)，PIN 4接电(dian)(dian)源。由于(yu)FPGA的(de)I/O供(gong)电(dian)(dian)为3.3V，而时(shi)(shi)钟(zhong)电(dian)(dian)路产生的(de)时(shi)(shi)钟(zhong)信号(hao)(hao)要由I/O口接收(shou)，因此时(shi)(shi)钟(zhong)信号(hao)(hao)最大值(zhi)不能超过3.3V，故(gu)时(shi)(shi)钟(zhong)电(dian)(dian)路电(dian)(dian)源采用(yong)(yong)3.3V供(gong)电(dian)(dian)。

（三）电机驱动电路分析-FPGA部分电路原理

FPGA部分电路原(yuan)理图(tu)如下图(tu)所示：

Header 18X2为18排(pai)2列排(pai)阵，两组排(pai)阵分别(bie)与PIN口、3.3V电源(yuan)、数字地(di)相(xiang)连，提供(gong)了可(ke)动的机制，使得PIN口可(ke)根(gen)据需要(yao)(yao)用排(pai)线与目标相(xiang)连，打到信号传输的目的。而(er)3.3V电源(yuan)以(yi)及数字地(di)针口则可(ke)以(yi)根(gen)据需要(yao)(yao)，用排(pai)线为目标提供(gong)逻辑高电平或(huo)逻辑低(di)电平。

U21D为(wei)FPGA芯片的时(shi)钟(zhong)信号接收部分，通过(guo)网络标号“CLK0~3”与对应的时(shi)钟(zhong)信号端口相(xiang)连。

U21C为FPGA芯片的(de)(de)供(gong)(gong)电(dian)(dian)及接(jie)地部分，含(han)有“GND”字样的(de)(de)是(shi)“地”端口(kou)，与数(shu)字地相连(lian)，VCCIO1~4为I/O口(kou)供(gong)(gong)电(dian)(dian)端口(kou)，采用3.3V电(dian)(dian)源(yuan)(yuan)供(gong)(gong)电(dian)(dian)，通过(guo)网(wang)络标(biao)号“+3.3V”与3.3V电(dian)(dian)源(yuan)(yuan)端口(kou)相连(lian)。VCCA_PLL1、VCCA_PLL2、VCCINT为内部运算器和(he)输入缓冲区的(de)(de)供(gong)(gong)电(dian)(dian)端口(kou)，采用1.5V电(dian)(dian)源(yuan)(yuan)供(gong)(gong)电(dian)(dian)，通过(guo)网(wang)络标(biao)号“+1.5V”与1.5V电(dian)(dian)源(yuan)(yuan)端口(kou)相连(lian)。

电机驱动电路设计

常见的(de)电(dian)机驱动有两(liang)种方式：1、采(cai)用(yong)集成电(dian)机驱动芯片(pian)。 2、采(cai)用(yong)MOSFET和专用(yong)栅(zha)极(ji)驱动芯片(pian)。下面一一详细(xi)解析。

1、采用集成(cheng)电机驱(qu)动(dong)芯片

通(tong)(tong)过电(dian)机(ji)驱(qu)动(dong)(dong)模块控制(zhi)驱(qu)动(dong)(dong)电(dian)机(ji)两端电(dian)压来(lai)对电(dian)机(ji)进(jin)行制(zhi)动(dong)(dong)，我们(men)可(ke)以采用飞思卡(ka)尔半导(dao)(dao)体公(gong)司的集成桥(qiao)式驱(qu)动(dong)(dong)芯(xin)片 MC33886。MC33886 最大驱(qu)动(dong)(dong)电(dian)流为 5A，导(dao)(dao)通(tong)(tong)电(dian)阻为 140 毫欧姆，PWM 频率小于(yu) 10KHz，具有(you)短路(lu)保护(hu)、欠压保护(hu)、过温保护(hu)等功能。体积小巧(qiao)，使(shi)用简单(dan)，但由于(yu)是贴(tie)片的封装，散(san)热面积比(bi)较(jiao)(jiao)小，长时(shi)间(jian)大电(dian)流工(gong)(gong)作时(shi)，温升较(jiao)(jiao)高(gao)，如果长时(shi)间(jian)工(gong)(gong)作必(bi)须外加散(san)热器，而且(qie) MC33886的工(gong)(gong)作内阻比(bi)较(jiao)(jiao)大，又(you)有(you)高(gao)温保护(hu)回路(lu)，使(shi)用不方便(bian)。

下面，着(zhe)重介绍(shao)我们在平(ping)时(shi)设计驱(qu)动电(dian)路时(shi)最常(chang)用(yong)的驱(qu)动电(dian)路。我们普遍(bian)使用(yong)的是英飞(fei)凌公司的半桥(qiao)(qiao)驱(qu)动芯片(pian) BTS7960 搭(da)成(cheng)全桥(qiao)(qiao)驱(qu)动。其(qi)(qi)驱(qu)动电(dian)流约(yue) 43A，而其(qi)(qi)升级(ji)产(chan)品 BTS7970 驱(qu)动电(dian)流能(neng)够达(da)到 70 几安培！而且也有其(qi)(qi)可(ke)替代产(chan)品 BTN7970，它(ta)的驱(qu)动电(dian)流最大也能(neng)达(da)七十(shi)几安！

其内部结(jie)构(gou)基本相同如下：

每片芯(xin)(xin)片的(de)内(nei)部有两个 MOS 管(guan)，当(dang) IN 输(shu)入高(gao)电(dian)平时上边(bian)的(de) MOS 管(guan)导(dao)通，常称为高(gao)边(bian) MOS 管(guan)，当(dang) IN 输(shu)入低(di)电(dian)平时，下边(bian)的(de) MOS 管(guan)导(dao)通，常称为低(di)边(bian) MOS管(guan)；当(dang) INH 为高(gao)电(dian)平时使能(neng)整个芯(xin)(xin)片，芯(xin)(xin)片工作；当(dang) INH 为低(di)电(dian)平时，芯(xin)(xin)片不工作。

其(qi)典型(xing)运用电(dian)路图如(ru)下图所示：

INH一般使(shi)用时,我们直接接高电平，使(shi)整(zheng)个电路始终处于工作状态。

下(xia)面就是怎么(me)样用该电(dian)(dian)路使得电(dian)(dian)机正(zheng)反(fan)(fan)转(zhuan)(zhuan)？假如(ru)当(dang)PWM1端(duan)(duan)输(shu)入PWM波，PWM2端(duan)(duan)置0,电(dian)(dian)机正(zheng)转(zhuan)(zhuan)；那么(me)当(dang) PWM1端(duan)(duan)为0,PWM2端(duan)(duan)输(shu)入PWM 波时(shi)电(dian)(dian)机将反(fan)(fan)转(zhuan)(zhuan)！使用此(ci)方法需要(yao)两路PWM信(xin)(xin)号(hao)来(lai)控制一个电(dian)(dian)机！其实可以只用一路 PWM 接(jie) PWM1 端(duan)(duan)，另(ling)外(wai) PWM2 端(duan)(duan)可以接(jie)在 IO 端(duan)(duan)口(kou)上(shang)，用于控制方向(xiang)！假如(ru) PWM2=0，PWM1 输(shu)入信(xin)(xin)号(hao)时(shi)电(dian)(dian)机正(zheng)转(zhuan)(zhuan)；那么(me)当(dang) PWM2=1是，PWM1 输(shu)入信(xin)(xin)号(hao)电(dian)(dian)机反(fan)(fan)转(zhuan)(zhuan)（必须注意：此(ci)时(shi)PWM信(xin)(xin)号(hao)输(shu)入的是其对应的负占空比）！

以上(shang)的(de)(de)电(dian)路(lu)，对于(yu)普(pu)通功(gong)率的(de)(de)底(di)盘，其驱动电(dian)流已经能够满(man)足(zu)，但是对于(yu)更大(da)(da)功(gong)率的(de)(de)底(di)盘，可能有点(dian)吃力。尤其是当我们加的(de)(de)底(di)盘在不停的(de)(de)加减速时，这(zhei)就需要(yao)电(dian)机不停的(de)(de)正反(fan)转，此(ci)时的(de)(de)电(dian)流很大(da)(da)，还用(yong)以上(shang)的(de)(de)驱动电(dian)路(lu)，芯(xin)(xin)片会(hui)很烫！！这(zhei)个时候就需要(yao)我们自己(ji)用(yong) MOSFET 和栅(zha)极驱动芯(xin)(xin)片自己(ji)设计H桥！

2、采(cai)用(yong)(yong)MOSFET和专用(yong)(yong)栅极驱动芯(xin)片(pian)

大功(gong)率 MOS 管(guan)组成(cheng)电(dian)机驱动电(dian)路，用这个方法电(dian)(dian)路非常简单，控制只需要一(yi)路PWM，在管子上(shang)消耗的(de)(de)电(dian)(dian)能(neng)也比较(jiao)(jiao)少，可以(yi)有效地避免(mian)多片MC33886 并(bing)联时由(you)于芯片分散性导致的(de)(de)驱动芯片某些片发热(re)某些不发热(re)的(de)(de)现象(xiang)。但是缺点是不能(neng)控制电(dian)(dian)机的(de)(de)电(dian)(dian)流方向，在小车(che)的(de)(de)刹(cha)车(che)的(de)(de)性能(neng)的(de)(de)提升(sheng)上(shang)明显有弱(ruo)势，而且电(dian)(dian)流允许值(zhi)也比较(jiao)(jiao)小。

当我(wo)们按照(zhao)下(xia)图接线(xian)时，也就是两路PWM输(shu)入组成H桥，则可以通过控制PWM1和PWM2的相对大小(xiao)控制电流的方向(xiang)，从而控制电机的转向(xiang)。

这里给大家介(jie)绍的(de)(de)是 IR 公(gong)司(si)(si)的(de)(de) IR2104，因为 IR 公(gong)司(si)(si)号称功(gong)率半导体(ti)领袖(xiu)，当然 2104 也相对比(bi)较(jiao)便宜！IR2104 可(ke)以(yi)驱(qu)(qu)动可(ke)以(yi)驱(qu)(qu)动高端和低端两(liang)个(ge) N 沟(gou)道MOSFET，能提供较(jiao)大的(de)(de)栅(zha)极驱(qu)(qu)动电(dian)(dian)流(liu)使用两(liang)片 IR2104 型半桥(qiao)(qiao)驱(qu)(qu)动芯片可(ke)以(yi)组(zu)成完整的(de)(de)直流(liu)电(dian)(dian)机 H 桥(qiao)(qiao)式驱(qu)(qu)动电(dian)(dian)路。但是需要 12V 驱(qu)(qu)动！

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