电机驱动开发之驱动板设计详解

电机驱动开发之驱动板设计详解

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/qq_45583706/article/details/142166313

电机驱动开发是电子工程领域的重要课题，涉及电源调理、驱动电路设计、电流反馈和位置反馈等多个方面。本文将详细介绍电机驱动板的设计过程，包括器件选型、原理图设计和PCB绘制等关键步骤。

1. 主要器件选型

以上器件选型皆为便于焊接利于排查问题的封装，小体积应用可选择QFN封装的器件。

2. 原理图设计

3. PCB绘制

电源调理

电源架构如下：

• LM317

以上为LM317 IC典型应用框图，其中Vref = 1.25V,Cadj推荐选择10uf电容，输入输出负载电容分别为Ci 0.1uf、Co 1uf；Vo计算公式为Vo = Vref（1 +R2/R1）+（IadjR2）。Iadj常规为50uA，若R2为1K，IadjR2 = 50mV，对于输出结果影响不是很大可忽略不计；则计算公式可简化为Vo = Vref（1 +R2/R1）；

在实际设计中往往一致Vin、Vo，固定R1为240R则只需要确定R2得值即可获得期望输出电压：

R2 = ((Vo - Vref)*R1)/Vref

原理图设计如下：

• 防反接电路

其工作原理为，当外部24V输入时，PMOS管体二极管导通，进而使得原本没有电压的24V_Inside出现24V电平。此时，Vs > Vg,则满足PMOS导通条件，MOS管正常开启；当电源反接时，PMOS管体二极管截止，则无法满足PMOS管导通条件实现防反接功能。

驱动电路

驱动电路由三相逆变电路与预驱芯片组成可用于驱动无刷电机，三相逆变电路如果只使用其中的两相即可转变为双极性H桥驱动电路即可驱动有刷电机

以下为原理图设计：

其中，中间部分电路为电荷泵自举电路，驱动方案为全NMOS驱动，因为市面上常见的NMOS同等价位下比PMOS能够通过更大的电流，R16、R17、R18为采样电阻。

• 迪克森电荷泵工作原理：

电荷泵是如何升压的？原理非常简单，一看就会！

• 自举电路的作用

由于采用的驱动方案为全NMOS驱动方案，NMOS导通条件需要G极电压高于S极电压；

以Q2为例，初始上电后，G极5V电平，NMOS正常导通，但导通以后S极电压变为24V，则NMOS瞬间关闭，而我们期望是希望NMOS能够保持导通状态，则需要一种方法将G极电压抬升至24V以上，这样才能维持NMOS的导通条件；

有了电荷泵自举电路后，初始上电，5V电源将会给C24充电至5V，当NMOS第一次导通时，24V电源与电容上的5V出现串联关系因此电容上电压叠至29V，这个电压将会输入至预驱用为维持G极输出电压为29V，尽管实际上的过程并未一个PWM周期就完成，最终G极电压能够维持至29V以保持NMOS上管导通。

自举电路

自举电路原理

电流反馈

电流反馈采用差分放大电路，初版没有采集反向电流的需求，因此不设置电压跟随器设置放大电路的偏置电压。

原理图设计如下

根据虚短虚断原理：

(虚短) U+ = U- =Up*R21/(R21+R19)

(虚断) (U- - Un )/R20 = (Uo1 - U- )/R22

Uo1 = (R21/(R21+R19))((R22+R20)/R20)Up - (R22/R20)Un

在实际应用中，往往会设置R21 = R22 ，R19 = R20，所以

Uo1 =(R22/R20)(Up - Un)

其中Uo1为运放输出端电压未经过限流电阻，实际设计中限流电阻与R22差值较大分压可忽略

故放大倍数为A = Uo1/（Up - Un）= R22/R20 =10倍

当采样电阻上出现1A的电流时，则会产生1A*10mR = 10mV

经过放大后可得100mV，即0.1V

由于ADC的残阳范围为0-3.3V则最大采样电流可达3.3V/0.1V = 33，即33A

具体原理可参考以下链接:运算放大器（三）：差分放大

位置反馈

电机内置正交编码器，这类编码器在实际项目中应用较多，价格低廉，无通讯延迟。

4. PCB绘制

图1：PCB布局图1

图2：PCB布局图2

5. 打板验证

6. 总结

本文详细介绍了电机驱动开发的关键步骤和具体实现方法，包括器件选型、原理图设计、PCB绘制等。通过本文的学习，读者可以掌握电机驱动开发的基本原理和实践技巧，为相关项目的开发提供参考。