【电子通识】PWM驱动让有刷直流电机恒流工作

        电机的典型驱动方法包括电压驱动、电流驱动以及PWM驱动。本文将介绍采用PWM驱动方式的恒流工作。

        首先介绍的是什么是PWM驱动的电机恒流工作，其次是PWM驱动电机恒流工作时电路的工作原理。

PWM驱动

        当以恒定的电流驱动电机时，电机会怎样工作呢？

        当以恒定电流驱动时，电机能以恒定转矩旋转。电机的转矩是转矩常数乘以电机电流后获得的值。换句话说，电机转矩与电流成正比，所以如果电流恒定，转矩也就恒定。

        如下图所示的步进电机控制器集成电路 (IC) datasheet (Rev. B)，是一种集成的步进电机驱动芯片，是一个带有4个开关（在示例中以使用了MOSFET的H桥作）的电机驱动器电路。 

        虽然他的控制信号是STEP、DIR、USMX。

        但其内部还是通过PWM驱动MOS管，如下所示：

        如下图所示的DRV8210P 11-V H-Bridge Motor Driver with PWM Interface and Low-Power Sleep Mode datasheet芯片，是一款集成的有刷直流电机驱动芯片，内部结构也是H桥来驱动外部电机。

       控制信号是PWM信号，PWM控制接口的输入和功能如下所示。

        PWM驱动原则上是通过脉冲的ON/OFF来发送所需功率的一种方法。脉冲的大小（电压）和周期是恒定的，通过调整ON时的脉冲宽度（时间）来控制要发送的功率。

工作原理

        下面以BD63150芯片规格书来解释所示电路的实际工作原理。这是一颗高性能、高可靠性50V DC 有刷电机驱动器。其中特性参数中就可以看出他有电流限制功能。

        以正转为前提。在这种情况下，在这对MOSFET Q1和Q2中，Q1导通，Q2关断，OUT1连接到电源电压VM，电流流过电机的正极。同时，在这对Q3和Q4中，Q3关断，Q4导通，OUT2经由驱动器引脚的Rs连接到GND。这样，电流从电源流向电机，电机处于通电状态。

         由于这里的目的是恒流工作，因此需要将电流控制为恒定电流，该工作由Rs（检流电阻）和比较器完成。如下所示RNF管脚连接到GND之间有一个0.1R电阻，这个电阻就是Rs电阻。

        比较器负责将Rs电机电流所产生的电压与施加到基准电压引脚Vref的基准电压进行比较。只要我们把RNF（检流电阻）和VREF基准电压固定，那么我们就能算出输出电流。其关系如下图所示：

         当电机电流因通电而逐渐增大直到Rs的检测电压超过Vref时，比较器将Q1关断（Q2可保持关断，也可导通），停止给电机通电。 当停止通电时，电机的电流会试图继续流动，但会逐渐减小。然后，一定时间后，当Q1再次导通、电机通电时，电机的电流又开始增大，当Rs的检测电压超过Vref时，Q1再次关断，停止通电。就这样重复执行这样的动作。

        通过这种重复动作，流过以Vref除以Rs得到的电流值为顶点的三角波电流。如果将Q1的关断时间（toff）设置的足够小，则能够以几乎恒定的电流工作，即恒流工作。

         以上是对PWM驱动的电机恒流工作的说明，但实际的PWM驱动还需要更微细的控制。例如，在停止通电、再生电流流动期间，Rs中没有电流流过，因此当重新通电时Rs中的电流变化会变大。由于不可避免地存在寄生电感，因此这种电流的导通和关断可能会导致RNF引脚产生波形所示的较大电压噪声(Spike noise)，或者流过对MOSFET的寄生电容进行充电的电流并导致超过Vref电压。为了防止这些电压噪声引起的误关断动作，需要在PWM驱动上采取忽略短时间的峰值电流并设定不反应的时间（tblnk），或者用滤波器来滤除PWM驱动噪声等措施。

参考文章：PWM驱动的电机恒流工作 - 电子设计基础信息网站_罗姆电源设计R课堂