代码收藏家技术教程 2023-05-22

DC有刷电机驱动硬件电路

DC电机概述

DC电机通常指直流有刷电机，有着控制方式简单，调速性能优良，成本低的特点，其市场占有率非常高；在家电及工具领域有着大量的应用；其种类按照电压来分为低压直流电机和高压直流电机，其控制方式大体相同。典型电路如下：

N-MOS 低端驱动电路

由于电机产品一般电流较大，基本采用MOS管驱动，采用N-MOS管低端驱动控制简单，成本低，应用范围广。

原理图

电路原理分析

若Q3控制极电压VGS<3V时：当MCU给出控制信号EN为高时，通过R6使Q3的G极电压为高，MOS管处于导通状态，电机工作；当MCU给出的控制信号为低时，Q3的G极积累的电荷通过D6快速释放，使得Q3快速截止；（一般大功率MOS管G极结电容比较大，开启的高电平充电后，释放需要时间，D6快速释放电荷，达到快速关闭MOS管的效果，从而降低开关损耗），电机通过D2进行电流续流释放能量；

若Q3控制极电压VGS>3V时：当MCU给出控制信号EN为低时，TR1截止，电源通过R28与R7分压得到9V的G极电压，使得MOS 管Q3导通，电机工作，当MCU为高时，TR1导通，Q3的G极被下拉到接近0V，使得Q3快速截止，电机通过D2进行电流续流释放能量。

参数选型及分析:

应用场合说明：

该电路应用于常规的低压DC直流电机，对于开关损耗无严格要求的电路，若在无调速要求或低速要求控制下，可省略D6

注意事项：

应用时，应根据电源及电机负载特性，根据备注中合理选择D2和Q3值；同时对于调速要求应用中，需要注意静态损耗和开关损耗带来的温升。

P-MOS 高端驱动电路

P-MOS高端驱动一般应用于较小的电机负载电路，因大功率的P-MOS成本比N-MOS高，所以在大功率驱动电路应用较少。

原理图

电路原理分析

当IO口为低或者高阻态时，TR1截止，R2上拉到电源时，使得Q2的VGS=0V,Q2截止，电机无输出；当IO口为5.5V/3.3V时，TR1饱和导通，Q2栅极G电压拉到0.3V以下，VGS=-17.7V，Q2饱和导通；Q2从导通到关闭过程，通过D4续流。

参数选型及分析:

应用场合说明：

该电路应用于常规的低压小功率DC直流电机电路，正逻辑驱动；

注意事项：

使用时，注意电源电压不能大于MOS管的VGS最大值；并注意静态损耗和开关损耗带来的温升；P-MOS成本因素也得在实际项目中进行考量。

推挽驱动电路

推挽输出主要针对功率较大的电机驱动应用，能够提供较好的速度调节，减少开关损耗，较高的效率；典型应用电路有两种，一种采用P-MOS与N-MOS对管直接驱动，另一种是采用双N-MOS管加预驱动电路（IC）实现；前者因P-MOS管成本问题，往往应用于小功率，若需要采用，参考本文前两个高低端驱动案例即可；后者则在大功率驱动电路中有较明显的优势；

原理图：

电路原理分析：

U1(IRS2301)为预驱动芯片，内部集成了死区时间控制模块（避免上下MOS管同时导通),与外部R1,D1,C10组成自举升压电路，驱动上管Q1的可靠导通；当H_IN为低，L_IN为高时，电源通过电机M2，Q4开启工作；当H_IN为高，L_IN为低时，Q4关闭，电机M2通过Q1续流释放能量，不断调整H_IN/L_IN的占空比实现速度调节；

电路参数选型及分析

符号	元件名称	参考型号	备注
Q1、Q4	场效应管	N-MOSFET TO-220 120A/75V STP160N75F3	根据电机功率大小选择，有调速要求情况下需注意开关频率大于载波频率
M2	电机	18V 300W
R4,R9	贴片电阻	0603 1M J 1/10W	上下拉电阻用于非工作状态情况下避免导通；
D3,D5	贴片稳压二极管	ZEN SOT-23 20V 5% 0.35W BZX84C20V	MOS管栅极电压保护，根据实际情况可以考虑去掉
C2	贴片电容	0603 1N 50V M	改善G极信号上升沿过冲尖峰
R5,R8	贴片电阻	0603 100R J 1/10W	用于防止快速开关时di/dt而产生震荡
C10	贴片铝电解电容	SMD4*5.5 4U7 M 25VDC	自举电容，也可以选用贴片陶瓷电容，容量计算参考实际U1数据手册
D1	贴片开关二极管	SW SOD-323S 1N4148WS	自举二极管，也可以选择肖特基
R1	贴片电阻	0603 100R J 1/10W	自举限流电阻，有时可以去掉
C1	贴片电容	0603 100N K X7R 50VDC	电源退耦电容
U1	贴片驱动IC	DRIVER SOIC8N IRS2301STRPBF	也可以选用性价比较高的FD2204D

应用场合说明：

该电路能应用于所有的DC直流电机驱动电路（负载电压<600V)，正逻辑驱动

注意事项

使用时，注意静态损耗和开关损耗带来的温升，可根据负载大小，MOS管的Tj，Pj与热阻Rj等参数评估温升；

H桥电路驱动

H桥驱动电路一般用于有正反转要求和调速要求的电路，在小功率电路中往往采用全集成芯片更具有优势，如L9110;大功率则需要以下驱动电路实现；

原理图：

电路原理分析：

电机开启过程与应用3推挽驱动类似，转向反转需要靠H桥来完成，Q5,Q6,Q7,Q8组成的H桥电路，当Q5,Q8导通时，电机M4正转，关闭Q8,开启Q6,Q7,电机通过 Q6,Q7续流；与前文类似，实现PWM调速；当Q6,Q7导通时，Q8,Q5截止时，电机反向运转，实现电机反转；

INA和INB分别控制H桥的左右两部分的开关，为高时开启上桥臂，低时开启下桥臂；

参数选型及分析

电路与案例3完全对称，仅驱动IC更换为高性价比的型号FD2204D。

应用场合：

该电路应用于所有DC直流电机驱动电路，多用于电钻，电动螺丝刀等类型产品

注意事项

使用时，在有运转反向要求的实际产品中，需要注意要换向带来的大电流切换问题，相应的增加MOS管的设计余量。

继电器+MOS管驱动电路

在空间允许的情况下，此类电路也应用于有正反转要求和调速需求的电路；此电路具备电路简单，成本相对低，温升低的优点，缺点：寿命偏低，抗震差，不适用于有易燃物场合使用。

原理图：

电路原理分析：

电机驱动及调速方式与电路1类似；电机的单刀双掷开关进行电流方向切换，从而电机实现正反转；

继电器K1在未吸合条件下，两个触点都接触到上方，电源VCC通过继电器1触点，经过电机M6，通过3触点，再经过导通的Q3实现电机正转；继电器吸合后，继电器K1两个触点都接触到下方，电源VCC通过继电器4触点，经过电机M6，通过2触点，在经过导通的Q3实现电机反转；信号Direction控制电机方向，Speed调整速度。

电路参数选型：

符号	元件名称	型号	备注
Q3	N沟道MOS管	N-MOSFET TO-220AB IRF1404ZPBF_75A/40V	根据电机功率大小选择，有调速要求情况下需注意开关频率大于载波频率
M1	电机	18V 100W
D2	肖特基二极管	SBD R-6 6A/800V LT6A06	电机续流二极管，反向耐压大于电源+反电势，一般需要3倍电源
R6	贴片电阻	0603 100R J 1/10W	用于防止快速开关时di/dt而产生震荡
D6	贴片肖特基二极管	SBD SOD-123 1A/40V 1N5819HW-7-F	肖特基或快恢复二极管，管压降低最佳
R7,R26	贴片电阻	0603 100K J 1/10W	下拉电阻用于非工作状态或IO高阻态情况下避免导通
TR1	贴片肖特基二极管	NPN SOT-23 0.2A/40V MMBT3904L
R24	贴片电阻	0603 2K J 1/10W	基极电阻原则为电流大于三极管饱和的基极电流，且在Ib之内