什么是电机驱动器？
电机驱动器是基于半导体的电路，用于为电机供电并控制电机。许多此类设备采用智能微控制器生成数字控制信号，用于驱动被称为桥臂的半导体对。部分控制器包含2个桥臂（4个半导体开关），而其他控制器可能控制3个桥臂（6个半导体开关）。微控制器协调的脉宽调制（PWM）信号用于控制分马力驱动器中的金属氧化物场效应晶体管（MOSFET），而绝缘栅双极晶体管（IGBT）通常用于最高约1000马力的电机驱动器。常见的电机驱动器是用于遥控车、飞机和四轴飞行器的电子调速器（ESC）。
本工程简报是探索电机驱动器技术系列文章的第二篇。本期将展示一个可在面包板上组装的极简但功能完备的桥臂。如图1所示，该桥臂可用于控制有刷直流电机的转速（但无法控制方向）。下期将演示如何用两个桥臂构建完整H桥电路，实现直流电机的方向和转速双重控制。图1组件的原理图见图2。
建议您搭建该电路副本以积累电子原型制作经验。之后可对电路进行修改以加深理解。
图 1 ：基于MOSFET的桥臂可用于控制直流电机。Arduino Nano Every用于生成PWM信号。电机转速由电位器设置决定。
安全提示 ：启用15V直流电源时，请断开计算机USB端口以保护PC。这能防止15V直流电源与Arduino引脚意外连接。
忽视此警告可能导致 PC 的 USB 端口、处理器或主板损毁。
建议改用独立电源（如廉价手机充电器）为Arduino供电。此外，也可考虑购买USB端口隔离器保护PC。
若尚未阅读，建议您回顾本系列前文。前文探讨了自举电容概念及其为高端MOSFET供能的工作原理。
图 2 ：采用IR2110驱动器和Arduino Nano Every的桥臂原理图。电容器C2执行关键的升压操作。Arduino通过其USB端口供电（未显示）。
什么是桥臂？
桥臂是H桥或完整三相桥的一个子部分。每个桥臂由两个半导体组成：通常是MOSFET或IGBT。高端半导体设计用于将负载拉高，而低端半导体则将负载拉低。
图2的示意图展示了一个典型的桥臂和驱动器。它包含一对N沟道MOSFET。注意负载连接在MOSFET的中间。相对于这个中心点，MOSFET Q1被指定为高端器件，Q2为低端器件。
MOSFET 驱动器的特性
图2所示的电路采用了英飞凌科技的IR2110PBF MOSFET驱动器。该组件最初由国际整流器公司在1990年代设计。它至今仍然相关，14引脚DIP版本尤其适合学习用途，因为它可以用于如图1所示的电路实验板。
IR2110驱动器设计用于脉宽调制（PWM）操作，频率最高可达约100 kHz。规格书中的功能框图如图3所示。注意IC封装内有两个半独立电路，包括低端和高端驱动器，输出分别为低输出（LO）和高输出（HO）。输入低输入（LIN）、高输入（HIN）和关断（SD）均为低电平逻辑，兼容3.3 VDC。
图 3 ：IR2110的功能框图，展示了低端和高端驱动器。注意高端驱动器包括电平转换电路以支持升压操作。
IR2110有几个特性使其适合驱动桥臂，包括低阻抗输出驱动器和高端驱动器的升压能力。
低阻抗
MOSFET是一种电压控制器件。理论上，我们只需要向IRF520PBF这样的器件施加15 VDC，它就会处于导通状态，具有低通道电阻。实际上这并不是一项容易的任务，特别是当开关频率在1 kHz至100 kHz范围内时。
需知MOSFET中的MO指的是用于隔离栅极与沟道的金属-氧化物栅极材料。还需回顾电容器是由两个导体间夹一层电介质构成的。因此MOSFET栅极结构本质上是一个具有较大电容的电容，必须通过充放电来控制MOSFET开关。这在器件高频工作时可能引发问题。
需要具备低阻抗输出的强驱动电路来对MOSFET栅电容进行充放电。这就是为什么IR2110驱动器的额定脉冲电流高达2.5安培。
技术提示 ：当桥臂两个开关管同时导通时，会发生直通现象（交叉导通）。这实际上会造成电源短路，例如图2中Q1和Q2同时导通的情况。这种情况下必然导致损坏——根据墨菲定律，最先损坏的总是最昂贵且最难更换的部件。若驱动器逻辑故障可能引发此问题。当MOSFET开关时序不当，特别是高频工作时也可能发生。这加上对低导通电阻的要求，是采用低阻抗驱动器的主要原因之一。
自举电路工作原理
注意图3包含三个电源输入接口：
用于低电平逻辑的VDD/VSS对（如图2所示5V直流）
用于下桥臂驱动的VCC/COM对（图2中与C3关联的15V直流）
用于上桥臂驱动的VB/VS对（图 2 中与 C2 关联的 15V直流浮动自举电源）
建议您阅读DigiKey的自举电路工作原理指南（若尚未查阅）。该文章详细阐述了自举电路原理，重点解析了接地参考信号与浮动信号的区别。通过聚焦上桥臂MOSFET栅极驱动需求及自举充电电路的必要性，深入探讨了自举电路。
简言之 ：自举电路为桥臂上桥臂MOSFET提供浮动电压源驱动。自举工作需要充电电路和具备电平移位功能的MOSFET驱动器。当下桥臂开关导通时，自举电容（飞跨电容）进行充电。该电容为上桥臂驱动器提供稳定的15V直流电压。从接地示波器观察，自举电容正极电压在15V直流与（15V直流+主输入电压）之间浮动。例如，若桥臂采用50伏直流电源供电，自举电压将在15至65伏直流之间跃变。
自举充电
如图2所示，C2为自举电容。其负极连接至桥臂输出端。该电容随后接入IR2110的悬浮VB/VS端子对。当Q2导通时，自举电容通过D1进行充电。
技术提示 ："Q2导通"存在两种解释。第一种是MOSFET Q2通过低边驱动器物理性导通的状态。第二种是Q2体二极管导通的状态。假设桥臂连接感性负载，每当高边MOSFET关断时都会出现此状态。此时感应反激电压迫使Q2导通。这使得自举电容C2的负极相对地电位存在一个二极管压降。在此情况下，电容通过D1充电至约15伏直流。
技术提示 ：切勿让高边驱动器以100%占空比工作。必须周期性关断MOSFET Q1以便为自举电容充电。若无此间歇期，电容将缓慢放电。最终会被IR2110驱动器检测为欠压状态。但由此产生的输出将不稳定且难以排查。另外，虽然IR2110应能保护MOSFET，但其欠压设定值可能低于应用需求。这将导致MOSFET以高沟道电阻运行，引发过热并损坏器件。
电平转换
观察图3可见高边驱动器的电平转换电路。前文我们介绍了采用光耦的电平转换方案。该方案在传递信号的同时，允许高边MOSFET在地电位与电源电压之间自由切换。结合自举电容，可确保高边MOSFET获得从栅极到源极测量时0至15伏直流的纯净驱动信号。
据我所知，IR2110并未使用光耦，但效果相同。其内部电路允许高端驱动器及配套自举电容在电压瞬变剧烈（高dv/dt）的系统中，以0至500伏直流电压浮动。再次强调，高端驱动器必须随高端MOSFET的源极同步浮动。哪怕瞬间违背此原则，设计最大V_{GS}VGS将被超出，导致MOSFET栅极绝缘层损毁。
技术提示 ：可用差分探头测量高端栅源极间电压。请注意差分探头具有双输入通道。探头响应的是输入信号间的差值。此测量也可通过两个常规探头配合数学运算实现。图4即采用该技术测量升压电压，其中通过通道2减通道1进行差分计算。
图 4 ：自举电容相关电压 通道1（橙色）C2负极 通道2（蓝色）C2正极（红色标注）及通道2-通道1的数学运算结果。红线显示驱动上管MOSFET的VB至VS对间浮动电压。
测试条件
如图2原理图及图5实物图所示，该电路采用单桥臂结构。这仅能调节电机转速而无法改变转向。要实现有刷电机双向调速，需采用全H桥（将在后续文章探讨）。
观察图2可见直流电机连接在地线与桥臂输出端之间。这意味着高端驱动管Q1主导工作，而低端驱动管Q2因LIN控制线直接接地处于待命禁用状态。同时必须认识到Q2对电路运行至关重要，因其体二极管仍需用于吸收电机的感应反峰电压。
替代测试方案：
可将电机#2端从地线改接至直流电源，改为低端驱动模式。同时需交换HIN与LIN输入信号。
技术提示 ：MOSFET体二极管通常设计为与对应MOSFET特性匹配。例如假设Q1正驱动5A电流通过高感性直流电机。当Q1关断时，续流电流自然通过Q2的二极管换向。理解这点后，我们更能明白匹配MOSFET与内部二极管的必要性。
可采用外接二极管以提升性能。然而，当我们考虑物料清单（BOM）时，这种增加的零件数量是不可取的。
Arduino 代码
以下是Arduino Nano Every的代码。请注意，微控制器读取10位电位器值并将其转换为8位值，以驱动D3引脚的PWM。请注意，使用了一个饱和块来将PWM限制在大约98%。
#define VREF_PIN A7
#define PWM_PIN 3
void setup() {
pinMode(PWM_PIN, OUTPUT);
TCB1_CTRLA = 0b00000011; // pin D3
}
void loop() {
uint16_t setpoint = analogRead(VREF_PIN);
uint16_t drive = setpoint >> 2;
if (drive > 250) {
drive = 250;
}
analogWrite(PWM_PIN, drive);
delay(50);
}
请注意，如本文所述，通过直接操作特殊功能寄存器（SFR），将默认PWM频率从980 Hz提高到32 kHz。这种更高的频率将电机嗡嗡声移出了可听范围。它还将电机从断续（脉冲）模式切换到连续模式。在这里，“连续”一词意味着当我们考虑开关频率和电机的电感时，电机的电流几乎是连续的。在较低频率下，电流是断续（脉冲）的，因为电感能量会在每个PWM周期内耗散为零。
图 5 ：使用B&K Precision直流电源和Digilent Analog Discovery的桥臂测试设置。
结论
此时，我们有了一个功能有限但可用的电机控制器。使用来自Arduino的PWM信号和IR2110 MOSFET驱动器，我们能够控制桥臂中的高端MOSFET。该解决方案采用了一个以电平转换器和自举电容为核心的优雅电路，可在MOSFET源极在地和电源电压之间切换时提供稳定的开关信号。
可能看起来不像，但我们在理解先进电机驱动方面取得了重大进展。下一步，我们将使用两个桥臂构建一个H桥。这将允许对有刷直流电机进行双向速度控制。从那里开始，只需一小步就能为BLDC电机生成梯形驱动，或为工业变频驱动器（VFD）中的百马力感应电机生成三相正弦波。
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