STM32+IR2104S的H桥电机驱动电路详解

只看该作者 · 2023-10-19 14:09

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PWM和PWMN是互补的PWM信号，一般用高级控制定时器的通道和互补通道控制。

在PWM为高电平时：MQS管1和4都导通，MOS管2和3都截止，电流从电源正极，经过MOS管1，从左到右流过电机、然后经过MOS管4流入电源负极。
在PWM为低电平时：MOS管2和4都导通，MOS管1和3都截止，根据楞次定律，存在自感电动势，电流还是从左到右流过电机，经过MOS管4和MOS管2形成电流回路。

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3.双极模式
双极模式：电枢电压极性是正负交替的。

优点：、能正反转运行，启动快，调速精度高，动态性能好，调速静差小，调速范围大，能加速，减速，刹车，倒转，能在负载超过设定速度时，提供反向为矩，能克服电机轴承的静态摩擦力，产生非常低的转速。
缺点：控制电路复杂。在工作期间，4个MOS管都处于工作状态，功率损耗大，电机容易发烫。

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PWM1和PWM1N、PWM2和PWM2N是PWM互补通道。使用高级控制定时器通道和互补通道控制双极模式中，PwM1和PWM2周期相同，占空比相同，极性相反，使得对角线上的两个MpS管同时导通，同时关断。

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4.H桥硬件电路设计
H桥中，一般使用4个N型MOS管来搭建。不用2个N型MOS管+2个P型MOS管的原因是：P型MOS管难做到高耐压大电流的型号，导通电阻大。同样性能的MOS，N型比P型便宜。
对于NMOS，当外部给的栅源极Vgs电压大于芯片的Vgs阈值(大部分在2V-10V之间)时，漏极D和源极S之间直接导通。如果外部给的Vgs电压小于阈值，漏极D和源极S之间截止。

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简单认为，就是一个由栅极G电压控制的一个开关。

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假设，图中N-MOS管的Vgs阈值为3V，VCC=24V。
对于，下桥臂Q2MOS管可以使用STM32芯片引脚直接控制，因为STM32的PWM高电平是3.3V足够使N-MOS管导通。上桥臂Q1 MOS管无法直接使用STM32芯片引脚使其导通，因为假设Q1导通，漏极D和源极S电压几乎相等（Ros非常小），即VA=VCC=24V，这样要求Vg>=Va+Vgs=27V。简单来说就是，Vg大于27V，Q1导通，小于27V，Q1截止。所以就需要一个这样的电路：把STM32的3.3VPWM信号升压到27V电压上，这个电路可以用自举电路来实现。

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上桥臂驱动：自举电路
下桥臂驱动：电平控制
实际电路设计中，一般把Ves设置为10~20V，因为这样保证MOS管完全导通。
还有一个问题当MOS管完全导通时，MOS管的内阻Rds一般来说就比较小在几毫欧，就相当于一根导线。但是当MOS管不完全导通时，也就是说Vgs小于开启电压时，MOS就处于不完全导通状态，那么MOS管的内阻就比较大，而电机驱动板的电流也比较大。那么MOS的发热就会非常严重，很可能会烧坏芯片

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5.半桥驱动芯片IR2104S
所谓半桥驱动芯片，便是一块驱动芯片只能用于控制H桥一侧的2个MOS管。因此采用半桥驱动芯片时，需要两块该芯片才能控制一个完整的H桥。
相应的，全桥驱动芯片便是可以直接控制4个MOS管的导通与截止，一块该芯片便能完成一个完整H桥的控制。
这里使用的IR2104便是一款半桥驱动芯片，因此在原理图中可以看到每个H桥需要使用两块此芯片。

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1.典型电路设计(来源于数据手册)

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2.引脚功能(来源于数据手册)

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VCC为芯片的电源输入，手册中给出的工作电压为10~20V。(这便是需要boost升压到12V的原因)
IN和SD作为输入控制，可共同控制电机的转动状态(转向、转速和是否转动)。
VB和VS主要用于形成自举电路。
HO和LO接到MOS管栅极，分别用于控制上桥臂和下桥臂MOS的导通与截止。
COM脚直接接地即可。

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自举电路
此部分是理解该芯片的难点，需要进行重点讲解。从上面的典型电路图和最初的设计原理图中均可发现：该芯片在Vcc和VB脚之间接了一个二极管，在VB和VS之间接了一个电容。这便构成了一个自举电路。

作用：由于负载(电机)相对于上桥臂和下桥臂MOS位置不同，而MOS的开启条件为Vgs>Vth，这便会导致想要上桥臂MOS导通，则其栅极对地所需的电压较大。
因为下桥臂MOS源极接地，想要导通只需要令其栅极电压大于开启电压Vth。而上桥臂MOS源极接到负载，如果上桥臂MOS导通，那么其源极电压将上升到H桥驱动电压也就是MOS的供电电压，此时如果栅极对地电压不变，那么Vgs可能小于Vth，又关断。因此想要使上桥臂MOS导通，必须想办法使其Vgs始终大于或一段时间内大于Vth（即栅极电压保持大于MOS管的电源电压+Vth）。
下图是IR2104S的内部原理框图。此类芯片的内部原理基本类似，右侧两个栅极控制脚(HO和LO)均是通过一对PMOS和NMOS进行互补控制。

只看该作者 · 2023-10-19 14:14

自举电路工作流程：
以下电路图均只画出半桥，另外一半工作原理相同因此省略。
假定Vcc=12V，VM=7.4V，MOS管的开启电压Vth=6V(不用LR7843的2.3V，原因后续说明）。

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自举电路工作流程：
以下电路图均只画出半桥，另外一半工作原理相同因此省略。
假定Vcc=12V，VM=7.4V，MOS管的开启电压Vth=6V(不用LR7843的2.3V，原因后续说明）。

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(1)第一阶段：首先给IN输入PWM信号，使HO和LO通过左侧的内部控制电路(使上下两对互补的PMOS和NMOS对应导通)，分别输出低电平和高电平。此时，外部H桥的上桥臂MOS截止，小桥臂MOS导通，电机电流顺着②线流通。同时VCC通过自举二极管（①线）对自举电容充电，使电容两端的压差为Vcc=12V。

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(2)第二阶段：此阶段由芯片内部自动产生，即死区控制阶段（在H桥中介绍过，不能使上下两个MOS同时导通，否则VM直接通到GND，短路烧毁）。HO和LO输出均为低电平，上桥臂MOS截止，之前加在下桥臂MOS栅极上的电压通过①线放电。

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(3)第三阶段：通过IN引脚输出PWM使左侧的内部MOS管如图所示导通。由于电容上的电压不能突变，此时自举电容上的电压(12V)便可以加到上桥臂MOS的栅极和源极上，使得上桥臂MOS也可以在一定时间内保持导通。此时上桥臂MOS的源极对地电压≈VM=7.4V，栅极对地电压≈VM+Vcc=19.4V，电容两端电压=12V，因此上桥臂MOS可以正常导通。