1、1 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 2 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
2、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 、 PWM 在说电机驱动前，先说一下 PWM（ Pulse Width Modulation， 脉冲宽度调制 ）。 脉宽调制 的 主要 参数有 频率 和 占空比 。比如要
3、加热一锅水， 一直不停的 加热 要 1 分钟 煮开 ，但我为了控制 加热 的时间，在每一秒的时间里需要开一下，关一下。而这开 的时间 与 开和关的 总时间 （一个周期） 比值就可以认为是脉冲的占空比，开的时间 长，相应的关的时间就会缩短（每秒必须完成一次开和关，相当于周期 ）。而 加热 的时间就可以通过这样的方式来调节（相当于控制输出）这样通过调整开和关 （ 高低电平 ） 的时间（脉冲宽度）来调整输出的，就是脉宽调制。 对于电机，我们按一个固定频率（固定周期）的 PWM方波中改变占空比让开关 闭合断开。 表 1 可以想象，用 表 1三种方波控制开关闭合时间的效果必定不同 ，电机速度依次增加 。
4、 3 三 、 电机驱动 1、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
5、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 表 2 H桥结构 状态 1 状态 2 H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 状态 1 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。 状态 2 中，左 下 角 和右上角的可控开关导通，左上角和右下角的开关断开，此时电机正端接地，负 端 加
6、上正电压，电流负 向 流过，电机倒转。 这样就实现了控制电机 正转倒转 。调速的方式和之前一样，输入 PWM信号，使之每周期导通的时间受控，实现速度调节。 H 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，是一种很危险，在设计中要避免的情况，被称作 共态导通 。 4 3、 电机驱动保护 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
7、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
8、 、 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（ 108 109）、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
9、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 ）。 5 表三 导通的意思是作为开关相当于开关闭合。 NMOS的特性 VGS（ 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 VGS小于一定的值就会导通适 （适 用于源极接 VCC 时的情况 ） 。
10、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 RDS(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 RDS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
11、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
12、这些芯片同属一个系列大同小异）。 L298 L298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。 6 MC33886 MC33886 是全桥驱动，可支持最大 3A 驱动电流 （ 120m） 。 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：
13、 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。 7 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
14、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 16m，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
15、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 。 图中 74LS244 做 隔离用 ，一般的都有 ，注意这个图上没有画出电容， 一定要在电源加470uF以上的电解电容 ，并且最好能给芯片的电源处加 104的电容滤波。 集成驱动芯
16、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 。 8 六 、 分立元件驱动电
17、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
18、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； 9 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 05V，而我们小车使用的 H 桥的控制臂需要 0V或 7.2V电压
19、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。切记！故 CD4011仅做“电压放大”之用。之所以用两级与非门是为了与 输入电平 兼容。 两者结合就是下面的电路：调试时两个 PWM输入端其中一个接地，另一个悬空（上拉置 1），电机转为正常。监视 MOS管温度，如发热立即切断电源检查电路。 图中 IRF4905（ PMOS， RDS(on)=20m， 单价 ￥ 5）和 IRF3205（ NMOS， RDS(on)=8m，单价 ￥ 2） .总共价格不足 15元，但是驱动能力堪比两路 MC33886并联。
20、这个驱动的成本的确降下来了，但是驱动能力还不够高，所以我们接下来重点推荐的是4NMOS驱动电路。 2、 4NMOS 4MOS 也可以像上述电路一样使用逻辑芯片转换电平得到电路，但是最大的问题是 1、很容易产生共态导通现象； 2、想要避免共态导通逻辑电路比较复杂； 3、死区时间没法控制并且其他的保护措施没办法实现； 4、升压不够高，不能完全导通，浪费了 NMOS低 RDS(on)的特点。 所以这里 我们使用升压电路 +驱动管理芯片来实现。升压电路有很多，这里推荐的是MC34063，电路简单而且芯片小巧，不会占用太多地方。 驱动管理芯片有很多，比如 MC33883（不是 33886）、 HIP40
21、82、 IR2104、 IR2103等。10 每个的 Datasheet 上都有详细的应用电路，直接摘抄下来即可使用，这里给的方案是经过实践可行的，而且北科（ 2012年光电、摄像头全国总冠军）也在使用的方案： IR2104+4NMOS驱动电路。 NMOS市场上很常见， 选择多样，价格低廉， 常用的有 IRF3205（ RDS(on)=8m）、IRLR7843（ RDS(on)=3.3m(max)） 等等。价格在￥ 2 左右。 IR2104 也很常见，价格在￥ 3左右。 这样的驱动总价下来 20 元左右即可，并且驱动能力很好。 具体的使用真值表可以在其Datasheet里面查到，这里摘录一些并
22、作说明。 应用电路 ，按这个连即可。 可以看出来这是个半桥驱动。 11 管脚定义： IN：逻辑输入，即 PWM输入控制端； SD： ShutDown，置零截止输出， MOS管全 不导通 ； VB：是高态浮动电源； VCC：是低态与逻辑修正电源； COM：低态反馈（接地）； VS：高态反馈； HO、 LO分别是高低端输出。 真值表： 可以看到 SD 管脚置低的时候，输出永远为两个都为低，对于 NMOS，全 不导通。 当 SD 为 1的时候是正常工作的时候 ： 此时 IN 为 1，高输出端为高。低输出端为 0。也就是说 高端 MOS管导通（与电源正相连），低端 MOS管（接地）不导通。 IN 为
23、0，高输出端为 0。低输出端为高。也就是说高端 MOS管不导通，低端 MOS管导通。 以此，我们可以使用两片芯片构成全桥驱动来进行正反转与速度控制。 七 、 PCB 注意事项 电机驱动是功率模块，最主要的的三点是注意他的 大 电流、稳定性和不要对其他模块产生不良影响。 在绘制电机驱动时， 电源线， 地 线，电机线要尽量短、宽 ，可以直接考虑用实心多边形连接 或者双倍铜厚（很贵） ； 注意考虑 考虑电源和电机接口的大小 不要太小 ；接口和功率管要尽量近。 如果过孔是不可避免的（尽量不要在大电流处出现过孔），过孔多打几个。 电流和线宽图参考下图： 12 电源处要加大电容 ， 注意驱动芯片电源的滤波，可以考虑使用钽电容。 为了防止电机动作时拉低电压导致各种问题（单片机复位，图像采集噪点激增）一般都要加 470uF以上，最好能到 1000uF，但是要注意规定中总电容量不得超过 2000uF。 有在电机两端加电容的，具体为什么加，加多大电容尚不明确，没有查到可靠资料（据神秘人士说是提高效率 或者防静电 ） 。 下面这个就属于画的 不好的，电容小、电源线长且细，接口乱摆， 不好好利用空间（ PCB面积就是你花的钱啊） 。 北京交通大学智能车协会 2013.2.1
