news 2026/6/23 23:32:17

硬件 - 电机相关部分整合

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张小明

前端开发工程师

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硬件 - 电机相关部分整合

目录

一、BLDC半桥驱动
1. 基本结构:
2. 为啥可以用在BLDC中:
3. 关于死区问题 - 这个得注意
​​​​​​​ 4. 一些拓展部分
--------------------------------------------------------------------------------
二、关于MOS的使用
​​​​​​​ 1. MOS驱动电流计算
​​​​​​​ 2. 关于NMOS和PMOS做上下管的问题
​​​​​​​ 3. 关于NMOS如何做上管
​​​​​​​ 4. 关于栅极驱动信号振铃

---------------------------------------------------------------------------------

三、电机浪涌
​​​​​​​ 1. 浪涌表现
​​​​​​​ 2. 解决方式
​​​​​​​ ​​​​​​​ 2.1 串联电阻限流
​​​​​​​ ​​​​​​​ 2.2 软启动或者延迟电路
​​​​​​​ ​​​​​​​3. 造成影响


一、BLDC半桥驱动

1. 基本结构:

上下桥臂MOS、驱动IC、软启动;


上下两个部分是上下桥臂MOS,主要控制导通的时候电流流向;


驱动IC就不多说了...


软启动的话,可以防止电气、机械冲击。比如可以在MOS的栅-源极加个10nF的电容;

除此之外,还可以在栅源极加个10K或者再高些的电阻,做到关断

然后上面的1N4148的二极管那块地方,在MOS被驱动的时候,电流通过R5从栅极那边过去,R5可以平滑一些振荡;在关断的时候,1N4148那里提供了一条回路,让电荷快速回去;


自举电容C3那地方布局的时候记得靠近EG2133,它拉高电平用的;

芯片上面那个FR107是个二极管,反向耐压值要比较大,工作频率至少要达到芯片驱动频率;

2. 为啥可以用在BLDC中:

这里用DRV8313的推荐原理图举例,因为EG2133推荐原理图没无刷电机,我懒得画...

比如这里我们想控制电流流过其中两相,那么只需要驱动OUT1的上管、OUT3的下管,电流从预计的地方过去了...

3. 关于死区问题 - 这个得注意

我们从一个情况出发来引出为什么要有死区;

在不考虑芯片带有死区控制的情况下,我们在驱动上下两个MOS管的时候,如果因为控制问题,导致上下两MOS管,某个极短的时间段同时导通。比如蓝色框框里那样,那么此时会导致给电机供电的电源和地短路,通过MOS的电流会非常非常大,很容易烧坏;


为了防止这个问题出现,在驱动MOS时,需要在里面插入死区时间,主要是防止上面的情况出现。或者说,你要让上下管导通切换的时候,要在中间插入一个时间段(死区);


但是其实现在很多半桥IC内部都集成了这个功能,但是我们还是要了解为什么的...

4. 一些拓展部分

其实在实际BLDC中,OUT1/2/3,输出的部分,可以选两个地方放个采样电阻(大功率那种),配合电流检测芯片,知道相电流。用来做控制算法的,电流环控制,或者MIT模式中力矩控制也是要知道电流的;

还有就是这个采样电阻布线的时候,可以用开尔文走线,因为说白了这种电流检测是利用电流流过电阻时产生的压降,或者说电阻左右电压很细微的不同,经过信号放大,从而映射出当前电流大小;

用开尔文走线的话,一方面能消除引线电阻和接触电阻的影响,另一方面两根线靠得近,有干扰的话,两条线一起干扰,最后的压差没变,问题就不是太大;



二、关于MOS的使用

1. MOS驱动电流计算

Qg / td(ON)+Tr = 89 / 113 ≈ 0.79A;
这个前提是MOS的上升时间要求是这么快,像这里这颗NMOS因为Rds(on)只有0.96mR,所以Qg算挺大的,一般不会用于太高速的开关;

2. 关于NMOS和PMOS做上下管的问题

为什么NMOS做下管,PMOS做上管呢?

先说下判断方式,NMOS和PMOS判断方式,我是这样认的,很方便;

NMOS的G极那个尖尖朝内,PMOS那里朝外,

不管NMOS还是PMOS,流向都是逆着体二极管(也就是DS中间那个二极管),

然后NMOS流向是 D->S,PMOS流向是 S->D,这样也方便认出它们哪个是哪极;

首先是PMOS做上管,PMOS的导通条件是 Vgs<Vgs(th),或者说是S极电压比G极多xxx;

在做上管的时候,S极直接接到输入部分,那么G极我们可控,那么这个Vgs就很好控了;

然后就是NMOS做下管了,NMOS导通条件 Vgs>Vgs(th),或者说G电压比S电压多xxx;

做下管的时候,S极电压直接接地,G极可控,那么Vgs就好控了;

这里为什么不能直接做上管?一句话就是导通后,S极电压近似于D极电压了,那会出现一会开一会闭的情况,举个例子:
1.VCC=12V,Vgs(th)=2V,做上管的话起先S极电压是浮动的,我们就先算它是0V,那么G给个3V,Vgs=3V > Vgs(th)=2V,这里导通。

2.导通了,D极电荷压到S极那边去,S极电压也被拉高到差不多12V,那么此时Vgs = -9V,管子又关闭了...

3. 关于NMOS如何做上管

1.2那里说到NMOS做下管合适,不能直接做上管。

但是可能大家在电路设计中,尤其是电源设计时,有需要用到上管的需求,比如MOS开关,

此时因为NMOS的价格和Rds(on)都低于PMOS,Rds(on)和发热量,压降相关,所以希望使用NMOS做上管,那么就需要用到自举电路了;

这里我推荐是立创商城直接搜 《高侧栅极驱动芯片》找个合适的IC,比如我下面这张,主要自举部分是R69,D16,C127,这里电阻作用就不必多说了,自举电容可以认为是给自举电容充电,利用电容两端电压不能突变原则,使得G极电压总是比S极高一些,然后这里的D16主要起到一个防止自举电容往反方向放电的作用;

4. 关于栅极驱动信号振铃

在使用MOS管的时候,需要给到栅极一个驱动信号,

这时候除了关注这个驱动信号电流多大,是否能满足MOS快速关断场景下给等效电容充电的需求,

另一方面需要考虑到驱动信号是否有振铃现象,出现振铃现象时,可以考虑串联电阻进行阻尼;



三、电机浪涌

1. 浪涌表现

大电容、电感器启动时,会有个瞬态大电流,可能会持续几个周期,在它运行起来之后变得平滑;

2. 解决方式
2.1 串联电阻限流

使用NTC负温电阻,在板子未启动低温时提供大电阻,来限制电流,在板子跑了一段时间高温时,电阻降低,限制电流程度减小;正好对应如电机启动时大电流,进入状态后电流减小的情况(但是这里不太适用于我使用的轮足机器人,因为会经常的启动和停止电机,还可能导致板子高温,但是电机突然启动或堵转的情况)

2.2 软启动或者延迟电路

使用一些芯片来延长上升时间,来起到降低电流的情况;

3. 造成影响

1.产生大压降造成MCU掉电复位;

2.给负责电路的电流量,超过了最大承受电流;

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