在電機控制領域，MOS 管 H 橋驅(qū)動電路是一種非常重要的電路結(jié)構，它在實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)、調(diào)速等功能方面發(fā)揮著關鍵作用。本文將詳細介紹電機控制中的單極模式和雙極模式，包括各自的優(yōu)勢與缺點，以及 PWM 信號的應用。同時，會特別關注如何通過自舉電路解決上橋臂 MOS 管驅(qū)動的問題，以及 STM32 在 H 橋電路設計中的角色。

圖 1：MOS 管 H 橋驅(qū)動電路

單極模式

單極模式下，電機電樞驅(qū)動電壓極性是單一的。這種模式具有諸多優(yōu)點，它啟動速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)加速、剎車以及能耗制動和能量反饋等功能。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，并且電機特性也較為良好。在負載超速時，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，在剎車時，它無法將電機速度減速到 0，當速度接近 0 時就沒有制動力了，同時也不能實現(xiàn)突然倒轉(zhuǎn)，動態(tài)性能欠佳，調(diào)速靜差也稍大。

圖 2：單極模式電路
在單極模式中，PWM 和 PWMN 是互補的 PWM 信號，一般使用高級控制定時器的通道和互補通道進行控制。當 PWM 為高電平時，MOS 管 1 和 4 導通，MOS 管 2 和 3 截止，電流從電源正極出發(fā)，經(jīng)過 MOS 管 1，從左到右流過電機，再經(jīng)過 MOS 管 4 流入電源負極。當 PWM 為低電平時，MOS 管 2 和 4 導通，MOS 管 1 和 3 截止，根據(jù)楞次定律，由于存在自感電動勢，電流仍然從左到右流過電機，經(jīng)過 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交替的。其優(yōu)點十分突出，能夠?qū)崿F(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)運行，啟動速度快，調(diào)速精度高，動態(tài)性能良好，調(diào)速靜差小，調(diào)速范圍大，還能實現(xiàn)加速、減速、剎車、倒轉(zhuǎn)等功能。在負載超過設定速度時，雙極模式能提供反向力矩，并且能夠克服電機軸承的靜態(tài)摩擦力，產(chǎn)生非常低的轉(zhuǎn)速。不過，雙極模式也有明顯的缺點，其控制電路較為復雜，在工作期間，4 個 MOS 管都處于工作狀態(tài)，功率損耗大，電機容易發(fā)燙。

圖 3：雙極模式電路
在雙極模式中，PWM1 和 PWM1N、PWM2 和 PWM2N 是 PWM 互補通道。使用高級控制定時器通道和互補通道進行控制時，PWM1 和 PWM2 周期相同，占空比相同，但極性相反，這使得對角線上的兩個 MOS 管能夠同時導通和關斷。不過，這里可能會有人產(chǎn)生疑問，電機是如何實現(xiàn)反轉(zhuǎn)的呢？是不是 PWM1 高電平時正轉(zhuǎn)，低電平時就反轉(zhuǎn)了呢？實際上，通過改變 PWM 信號的占空比和極性，可以控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。當 PWM1 和 PWM2 的占空比和極性不同時，電機就會朝著不同的方向轉(zhuǎn)動。

高低端 MOS 管導通條件

要使 MOS 管導通，需要滿足一定的條件。對于高端 MOS 管，通常使用柵極驅(qū)動芯片，并通過自舉電容來實現(xiàn)導通。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 VCC 值，而 VB 的值相當于 HO 高電平時的電壓，這樣高端 MOS 管 Vgs 的電壓差也是一個 VCC 值，從而使高端 MOS 管能夠?qū)āτ诘投?MOS 管，根據(jù)柵極驅(qū)動芯片的引腳特性，LO 高電平時的電壓就是 VCC 的電壓，由于低端源極接地，Vgs 的電壓差也是一個 VCC 值，所以低端 MOS 管也能導通。

H 橋電路設計

在 H 橋電路設計中，假設圖中 N - MOS 管的 Vgs 閾值為 3V，VCC = 24V。對于下橋臂 Q2 MOS 管，可以使用 STM32 芯片引腳直接控制，因為 STM32 的 PWM 高電平是 3.3V，足夠使 N - MOS 管導通。然而，上橋臂 Q1 MOS 管無法直接使用 STM32 芯片引腳使其導通。假設 Q1 導通，漏極 D 和源極 S 電壓幾乎相等（Rds 非常?。?，即 VA = VCC = 24V，這樣要求 Vg >= VA + Vgs = 27V。簡單來說，只有當 Vg 大于 27V 時，Q1 才能導通，小于 27V 則截止。因此，需要一個電路將 STM32 的 3.3V PWM 信號升壓到 27V，這個電路可以用自舉電路來實現(xiàn)。在實際電路設計中，一般把 Vgs 設置為 10 ~ 20V，以保證 MOS 管完全導通。需要注意的是，當 MOS 管完全導通時，其內(nèi)阻 Rds 一般較小，在幾毫歐左右，相當于一根導線。但當 MOS 管不完全導通，即 Vgs 小于開啟電壓時，MOS 管處于不完全導通狀態(tài)，內(nèi)阻會比較大，而電機驅(qū)動板的電流也比較大，此時 MOS 管的發(fā)熱會非常嚴重，很可能會燒壞芯片。

自舉電路

自舉電路是解決上橋臂 MOS 管驅(qū)動問題的關鍵。芯片在 Vcc 和 VB 腳之間接了一個二極管，在 VB 和 VS 之間接了一個電容，這樣就構成了一個自舉電路。其作用是由于負載（電機）相對于上橋臂和下橋臂 MOS 位置不同，而 MOS 的開啟條件為 Vgs > Vth，這會導致想要上橋臂 MOS 導通，其柵極對地所需的電壓較大。下橋臂 MOS 源極接地，想要導通只需要令其柵極電壓大于開啟電壓 Vth。而上橋臂 MOS 源極接到負載，如果上橋臂 MOS 導通，那么其源極電壓將上升到 H 橋驅(qū)動電壓也就是 MOS 的供電電壓，此時如果柵極對地電壓不變，那么 Vgs 可能小于 Vth，MOS 管就會關斷。因此，想要使上橋臂 MOS 導通，必須想辦法使其 Vgs 始終大于或一段時間內(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)動電路在電機控制中具有重要的應用價值，但在設計和使用過程中，需要充分考慮單極模式和雙極模式的特點、高低端 MOS 管的導通條件、H 橋電路的設計以及自舉電路的應用等因素，以確保電路的穩(wěn)定運行和電機的良好性能。