认识直流电机的PWM驱动控制电路

内容纲要

1. 介绍

2. 开关理论

3. 搭建指南

4. PWM电路设计

5. +12V电源供电

6. 基于功率PROFET的PWM 电机驱动

7. 基于功率MOSFET的PWM电机驱动

8. MOSFET驱动范例1

9. MOSFET驱动范例2

10. 一些示波器观测到的信号

11. 电路图实物照片

介绍

PWM 脉宽调制是一种调节直流电机速度的好办法，本文描述了两种驱动电路，采用24V供电（可接受输入范围15V-30V），最大电流80A。这些驱动器可以用来调节小型电动车的行驶速度。第一个驱动器用了一个PROFET功率管，以500Hz的开关频率工作。第二个则用的是MOSFET功率管，以20KHz的频率工作。我们都知道，开关频率高的更加理想。

开关理论

理想的开关频率应该比电机的转速高得多，让电机产生一种真正是被直流驱电动的错觉。定量的说，开关频率至少要是电机转速的5倍以上。举个例子，如果电机转速6000rpm(100 rps)，开关频率就得是100Hz * 5 = 500Hz以上。另外还有一种计算方法是开关频率远高于电机的时间常数的倒数，即1/Ta，其中Ta=L/R 是电机时间常数。L和R，很显然，代表的是电机的内部阻抗。典型的直流电机，如200W功率，24V供电的，L =1mH，R=0.5欧. 这样算下来，1/Ta = R/L = 0.5/0.001 = 500Hz, 这样一来的话，开关频率就要达到KHz量级。前文所述的20KHz正是一种常用的频率。这同时也避开了电机在音频范围内的振动和噪声干扰。

搭建指南

下图中的电路不难在面包板上搭出来，最好把功率器件（PROFET或MOSFET）单独放在一块板上，并配上散热器。看看后面的实物电路照片，功率器件必须要和供电电源或者蓄电池以及电机用很粗的线缆连接。本文用的是1.5mm(1.77平方毫米)的镀锡铜线连接功率器件和线缆接插件。这对于平均电流20A以下的电机来说足够了。接插件再引出导线的截面积则要达到2平方毫米以上。对于更高电流的电机，很显然要用更加组厚的线缆。在这里要特别注意不能有任何形式的短路，特别是和大容量蓄电池相连的时候。必须要用带限流的供电电源，并且先用一个小号的电机，上电测试电路能否正常工作。

PWM电路设计

通过上图左下角那个47K的可变电阻，PWM信号的占空比从0%-100%可调，而右上角的R和C决定了输出滤波的截止频率，两种不同的截止频率对应的电阻和电容选值。

f = 1 /(RC) (KHz)	R(kOhm)	C(nF)
0.5	22	100
20	2.2	22

12V电源供电

小电流的电路部分（不包含电机），可以用一个12V的线性电源供电。输入电压设计在15V以上，最大电流1A，加散热器。

基于功率PROFET的 PWM电机驱动

第一种电机功率驱动电路基于PROFET管 BTS555，工作在500Hz的开关频率，可以说BTS555相对来说是一个低速器件。需要注意的是BTS 555和两个二极管DS75-08B和DS175-08B驱动更高电流的电机时，需要更大号的散热器。目前更加常见，更好的设计是下面基于MOSFET的版本。

基于功率MOSFET的PWM电机驱动

之所以MOSFET方案更好的原因，毋庸赘言是它的开关频率更高，达到20KHz. 这个电路同时避免了PROFET设计中功率二极管的压降和功率损耗。不过，MOSFET本身需要一定的功率驱动，因为MOSFET的容性负载很大，门级要2A以上的电流驱动才能导通。因此在PWM电路和电机驱动电路之间，还需要插入一级MOSFET驱动电路。同时，随着电机电流的加大，它也需要更大的散热器。

MOSFET 驱动范例1

一种可行的MOSFET驱动电路，不如范例2的优秀。

MOSFET 驱动范例2

堪称最好的MOSFET驱动电路，用的是专用芯片EL7212CN作为核心，需要注意的是这种电路的输出逻辑是反向的。

一些示波器观察到的信号

这些波形是通过PicoScope 示波器在PC上测量并获取到的。电流是用一个0.1欧姆,10W的绕线电阻，测量两端压差换算出来的，不排除它的感性负载。这个电路和电机（我们也测试了车灯）串行连接，工作电压18V，通过一个最大电流15A的直流电源提供。信号周期边沿上的尖峰过冲是因为供电电源的响应频率没那么快造成的，在直流电压瞬间切换时没有那么快就能稳定下来。实测的直流电机未加负载（15V，100W），作为对比，还测量了一个车灯（12V 50W的常见型号）。