在電機(jī)控制領(lǐng)域，MOS 管 H 橋驅(qū)動(dòng)電路是一種非常重要的電路結(jié)構(gòu)，它在實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、調(diào)速等功能方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。本文將詳細(xì)介紹電機(jī)控制中的單極模式和雙極模式，包括各自的優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)，以及 PWM 信號(hào)的應(yīng)用。同時(shí)，會(huì)特別關(guān)注如何通過(guò)自舉電路解決上橋臂 MOS 管驅(qū)動(dòng)的問(wèn)題，以及 STM32 在 H 橋電路設(shè)計(jì)中的角色。

圖 1：MOS 管 H 橋驅(qū)動(dòng)電路

單極模式

單極模式下，電機(jī)電樞驅(qū)動(dòng)電壓極性是單一的。這種模式具有諸多優(yōu)點(diǎn)，它啟動(dòng)速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)加速、剎車(chē)以及能耗制動(dòng)和能量反饋等功能。雖然其調(diào)速性能相比雙極模式稍遜一籌，但差距并不顯著，并且電機(jī)特性也較為良好。在負(fù)載超速時(shí)，單極模式還能提供反向力矩。然而，單極模式也存在一些缺點(diǎn)，在剎車(chē)時(shí)，它無(wú)法將電機(jī)速度減速到 0，當(dāng)速度接近 0 時(shí)就沒(méi)有制動(dòng)力了，同時(shí)也不能實(shí)現(xiàn)突然倒轉(zhuǎn)，動(dòng)態(tài)性能欠佳，調(diào)速靜差也稍大。

圖 2：?jiǎn)螛O模式電路
在單極模式中，PWM 和 PWMN 是互補(bǔ)的 PWM 信號(hào)，一般使用高級(jí)控制定時(shí)器的通道和互補(bǔ)通道進(jìn)行控制。當(dāng) PWM 為高電平時(shí)，MOS 管 1 和 4 導(dǎo)通，MOS 管 2 和 3 截止，電流從電源正極出發(fā)，經(jīng)過(guò) MOS 管 1，從左到右流過(guò)電機(jī)，再經(jīng)過(guò) MOS 管 4 流入電源負(fù)極。當(dāng) PWM 為低電平時(shí)，MOS 管 2 和 4 導(dǎo)通，MOS 管 1 和 3 截止，根據(jù)楞次定律，由于存在自感電動(dòng)勢(shì)，電流仍然從左到右流過(guò)電機(jī)，經(jīng)過(guò) MOS 管 4 和 MOS 管 2 形成電流回路。

雙極模式

雙極模式下，電樞電壓極性是正負(fù)交替的。其優(yōu)點(diǎn)十分突出，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，啟動(dòng)速度快，調(diào)速精度高，動(dòng)態(tài)性能良好，調(diào)速靜差小，調(diào)速范圍大，還能實(shí)現(xiàn)加速、減速、剎車(chē)、倒轉(zhuǎn)等功能。在負(fù)載超過(guò)設(shè)定速度時(shí)，雙極模式能提供反向力矩，并且能夠克服電機(jī)軸承的靜態(tài)摩擦力，產(chǎn)生非常低的轉(zhuǎn)速。不過(guò)，雙極模式也有明顯的缺點(diǎn)，其控制電路較為復(fù)雜，在工作期間，4 個(gè) MOS 管都處于工作狀態(tài)，功率損耗大，電機(jī)容易發(fā)燙。

圖 3：雙極模式電路
在雙極模式中，PWM1 和 PWM1N、PWM2 和 PWM2N 是 PWM 互補(bǔ)通道。使用高級(jí)控制定時(shí)器通道和互補(bǔ)通道進(jìn)行控制時(shí)，PWM1 和 PWM2 周期相同，占空比相同，但極性相反，這使得對(duì)角線上的兩個(gè) MOS 管能夠同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷。不過(guò)，這里可能會(huì)有人產(chǎn)生疑問(wèn)，電機(jī)是如何實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)的呢？是不是 PWM1 高電平時(shí)正轉(zhuǎn)，低電平時(shí)就反轉(zhuǎn)了呢？實(shí)際上，通過(guò)改變 PWM 信號(hào)的占空比和極性，可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。當(dāng) PWM1 和 PWM2 的占空比和極性不同時(shí)，電機(jī)就會(huì)朝著不同的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

高低端 MOS 管導(dǎo)通條件

要使 MOS 管導(dǎo)通，需要滿(mǎn)足一定的條件。對(duì)于高端 MOS 管，通常使用柵極驅(qū)動(dòng)芯片，并通過(guò)自舉電容來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通。自舉電容利用了電容兩端電壓不能突變的特性，使 VB 和 VS 的電壓差維持在一個(gè) VCC 值，而 VB 的值相當(dāng)于 HO 高電平時(shí)的電壓，這樣高端 MOS 管 Vgs 的電壓差也是一個(gè) VCC 值，從而使高端 MOS 管能夠?qū)ā?duì)于低端 MOS 管，根據(jù)柵極驅(qū)動(dòng)芯片的引腳特性，LO 高電平時(shí)的電壓就是 VCC 的電壓，由于低端源極接地，Vgs 的電壓差也是一個(gè) VCC 值，所以低端 MOS 管也能導(dǎo)通。

H 橋電路設(shè)計(jì)

在 H 橋電路設(shè)計(jì)中，假設(shè)圖中 N - MOS 管的 Vgs 閾值為 3V，VCC = 24V。對(duì)于下橋臂 Q2 MOS 管，可以使用 STM32 芯片引腳直接控制，因?yàn)?STM32 的 PWM 高電平是 3.3V，足夠使 N - MOS 管導(dǎo)通。然而，上橋臂 Q1 MOS 管無(wú)法直接使用 STM32 芯片引腳使其導(dǎo)通。假設(shè) Q1 導(dǎo)通，漏極 D 和源極 S 電壓幾乎相等（Rds 非常小），即 VA = VCC = 24V，這樣要求 Vg >= VA + Vgs = 27V。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，只有當(dāng) Vg 大于 27V 時(shí)，Q1 才能導(dǎo)通，小于 27V 則截止。因此，需要一個(gè)電路將 STM32 的 3.3V PWM 信號(hào)升壓到 27V，這個(gè)電路可以用自舉電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，一般把 Vgs 設(shè)置為 10 ~ 20V，以保證 MOS 管完全導(dǎo)通。需要注意的是，當(dāng) MOS 管完全導(dǎo)通時(shí)，其內(nèi)阻 Rds 一般較小，在幾毫歐左右，相當(dāng)于一根導(dǎo)線。但當(dāng) MOS 管不完全導(dǎo)通，即 Vgs 小于開(kāi)啟電壓時(shí)，MOS 管處于不完全導(dǎo)通狀態(tài)，內(nèi)阻會(huì)比較大，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的電流也比較大，此時(shí) MOS 管的發(fā)熱會(huì)非常嚴(yán)重，很可能會(huì)燒壞芯片。

自舉電路

自舉電路是解決上橋臂 MOS 管驅(qū)動(dòng)問(wèn)題的關(guān)鍵。芯片在 Vcc 和 VB 腳之間接了一個(gè)二極管，在 VB 和 VS 之間接了一個(gè)電容，這樣就構(gòu)成了一個(gè)自舉電路。其作用是由于負(fù)載（電機(jī)）相對(duì)于上橋臂和下橋臂 MOS 位置不同，而 MOS 的開(kāi)啟條件為 Vgs > Vth，這會(huì)導(dǎo)致想要上橋臂 MOS 導(dǎo)通，其柵極對(duì)地所需的電壓較大。下橋臂 MOS 源極接地，想要導(dǎo)通只需要令其柵極電壓大于開(kāi)啟電壓 Vth。而上橋臂 MOS 源極接到負(fù)載，如果上橋臂 MOS 導(dǎo)通，那么其源極電壓將上升到 H 橋驅(qū)動(dòng)電壓也就是 MOS 的供電電壓，此時(shí)如果柵極對(duì)地電壓不變，那么 Vgs 可能小于 Vth，MOS 管就會(huì)關(guān)斷。因此，想要使上橋臂 MOS 導(dǎo)通，必須想辦法使其 Vgs 始終大于或一段時(shí)間內(nèi)大于 Vth（即柵極電壓保持大于 MOS 管的電源電壓 + Vth）。

圖 6：自舉電路
綜上所述，MOS 管 H 橋驅(qū)動(dòng)電路在電機(jī)控制中具有重要的應(yīng)用價(jià)值，但在設(shè)計(jì)和使用過(guò)程中，需要充分考慮單極模式和雙極模式的特點(diǎn)、高低端 MOS 管的導(dǎo)通條件、H 橋電路的設(shè)計(jì)以及自舉電路的應(yīng)用等因素，以確保電路的穩(wěn)定運(yùn)行和電機(jī)的良好性能。