详解关于ROBOCON比赛中有刷电机设计

之前在电机驱动那里说过，电机学是一门单独的学科。记得当时学习的时候，只觉得太笼统，太抽象。囫囵吞枣的学了一番，也应付过了考试。但是就算学习过了之后，在具体的比赛应用中，也是无法真正运用上去的，好处也只有省去对于基本术语和概念的百度......

但是，做了几版有刷直流电机驱动之后，通过设计、焊接、调试获得疑问和体验后，再翻翻之前学过的教材，针对性的细细品味之后却有一种醍醐灌顶的感觉。感觉拨云见日天空都明朗了。然后对设计的电路编写的驱动再进行修改，出了问题再去翻书学习。几个循环之后，功力就会大增。

本篇的内容也是在我学习与实践很久所得到的理论知识与实践经验，旨在通过阅读之后，可以设计制作出一个属于自己的并且有一定技术含量与难度，并且经过改进和优化可以应用于比赛的有刷电机驱动。

基础篇：

其实我的入门并不是从有刷电机驱动的硬件和软件入门的，而是直接从无刷电机硬件和软件入门的。实话实说，无刷电机的确比有刷电机复杂很多，有刷电机控制起来比较简单，直接将两根线接在电源上就会转了。但是无刷电机就会比较复杂，无刷电机驱动是机电一体化典型的产物，电机分为很多种，对于直流无刷电机日后再讲，现在主要谈一下有刷直流电机。

先了解一下电机的原理与构造：

这个图就是高中学习电流磁效应的应用里的电动机原理图，也非常形象的解释了直流有刷电机内部的原理。我又不得不翻开我尘封已久却崭新入故的30元的教科书。其结构主要由定子和转子组成，其中用于产生磁场的部分称作定子，定子由机座、主磁极、换相极、端盖、轴承和电刷等构成，在电动机转动时保持静止。转子则产生安培力转矩和感生电动势，由转轴、电枢铁芯、电枢绕组、换向器组成，由于转子是能量转换的核心，俗称电枢。直流电机由于具有启动制动快捷、大范围内可平滑调速、驱动电路简单的特点而被广泛的应用。

给直流电机两端加上电压时，电流由转子线圈的顶端流入，从底端流出，在南北磁场的作用下产生安培力，从而带动转子转动，通过机械换向器完成换向，继续旋转。

如果有文字概念密集恐惧症，请看这里通俗的讲，就是电机有两根线，只要将电源接到两根导线上电机就可以实现转动。只要改变两根线电流出入的方向，就可以改变电机的转动的方向。

现在电机转动了，那么如何调速呢？

再来了解一下单级式PWM控制：

近十几年来，随着嵌入式控制器的飞速发展，单级式PWM控制已成为控制直流电机的主要方式。所谓的单级式PWM控制，就是指采用脉冲宽度调制的高频开关控制的方法，以控制PWM周期的占空比而改变加在电机两端电压有效值的一种方法，简称直流PWM调速系统。实际上，所谓脉宽调制变换就是对脉冲宽度进行调制的一种直流斩波电路。脉宽调制，是利用大功率电子开关器件，比如说MOSFET或IGBT等大功率开关器件的导通与关断，将稳定的直流电压变成连续的、周期性的直流脉冲序列，通过控制周期不变，脉宽改变或者脉宽不变周期改变的方式达到改变电机两端有效值的目的。与传统电动机—发电机系统相比，高频脉宽调制系统在很多方面有非常好的特性。

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如果有文字概念密集恐惧症，请看这里通俗的讲，其实就是控制电源的通断时间比，进而输出不同的有效值。如果在跑马灯试验中，不适用PWM输出口，通过普通IO口拉高拉低的时间，调试出呼吸灯效果的话，那么就理解了基本原理了。

 

那么既然实现了转动，调速，那么如何实现正反转的方向控制呢？

再来了解一下H桥原理：

如下图所示，这是一个简化的H桥电路，当功率管Q2和Q3导通时，Q1和Q4同时截止时，单路的右端通过Q2接通到电源电压，电路的左端通过Q3接到电源地，电机得到左负右正的电压，电流从右往左流，电机假设正转，同理，当Q1和Q4导通，Q2和Q3截止时，电机反转。当反电机反转过程中突然关断Q2和Q3时，由于电机内部有一定的等效电感，不允许电机绕组内的电流瞬间变化，会阻抗电流突变，电机电感产生感生电动势高于电源电压以维持当前电流，通过MOS管内的体二极管（单个MOSFET内部有体二极管，也可以通过外接）D1和D4对电源进行充电，当电感能量逐步耗尽，感生电压低于电源电压后，停止反向充电，电源根据之后四个MOS管的导通状态进行相应状态的运行。

一个重要的结论，那就必须要上公式推导了，不然显得不专业。。。。。。其实公式推导这个，并不建议在一开始就去接触，而是应该在有一定实践的基础后，再回来研究。截一下之前写过的论文里面的一部分。

 

由公式（5-2）与公式（5-3）联立，可以获得电机转速与直流有刷电机线上的电压成正比，占空比控制的H桥系统属于线性时不变系统。也就是说，如果我们通过控制电机两端的电压就可以控制电机的转速。

至此，直流有刷电机驱动基本原理介绍完毕。 总结一下，一言以蔽之。根据电机调速与转动原理，选择PWM波控制H桥电路来对电机进行方向与速度的控制，并且PWM的占空比与电机的转速成正比。其实拐弯抹角上面说了这么多，就想上这么一句话。。。。。。心好累

进阶篇：

了解了这些，其实我们可以开始根据一个电机设计它的驱动了。我觉得就是要这样，实验室也给我们提供了这样资源与条件，如果你在实验室不去找个电机调调，上面的这么多，其实在书上网上都能学到，没啥意义。

随手拿来一个电机，MAXON RE 40，是这个样子的。

 

官网上是这个样子的。

买回来后装上了减速箱和光栅编码器，后面会讲这两个在电机里的作用。网上搜搜参数。

 

很详细，不过电机选型不是电控要做的，我们做的只是机械的说，要用这个电机，你把它控制起来。我们最关心的是下面几个参数：

额定电压直流24V，最大功率150W，启动电流80.2A，电机绕组的电阻值0.299Ω和电感值0.0823H。我们需要根据这个参数来进行期间选型和软件调试。

再来了解一下功率驱动器件：

MOS管原理及选型，金属-氧化物半导体场效应晶体管，简称MOS管。MOS管属于晶体管的一种，管内多数载流子和少数载流子都起着导电的作用，由于具有输入电阻高、功耗小、噪声低、工作区域广、易于集成等优点，被广泛应用于数字电路与模拟电路中。在学习数字电路和模拟电路的时候，对于MOS管的原理及基本应用电路都有了一定程度的了解，所以这里不再赘言，只简单说一下。MOSFET与结型场效应管一样，绝缘栅极型场效应晶体管也分为N沟道和P沟道两大类，也就是我们常用说的NMOS与PMOS，这两大类下又分为增强型与耗尽型。所谓增强型是指μgs=0时，源极之间没有导通沟道，即使在源极之间加上电压，也没有漏极电流，而耗尽型是指μgs=0时，源极之间就已经有了导电沟道，处于不完全导通状态。

说了这些，应该懂得了，对于单级式PWM控制，我们应该使用增强型的MOS，原因有两个：

（1）控制信号输出电压通常大于0V，在低电平时不能完全关断耗尽型MOS,而对于增强型MOS,其开启电压μgs（th）>0V,这样在低电平（0V）时可以完全关断MOS管，而在电平值大于开启电压μgs（th）时，则可以完全导通MOS管。

（2）对于H桥高端控制而言，根据原理，最适合的应该是增强型PMOS，可以非常容易的驱动H桥的高端，但是在采购元器件的时候，往往发现PMOS由于制造困难，价格高，导通电阻大，发热高，效率低，故在大多数应用中，使用NMOS来代替PMOS。但是由于NMOS不可以直接使用于H桥高端控制，需采用高端浮压自举的方式来使用。

我想介绍的是我为2016比赛设计的直流有刷电机驱动。选用的NMOS是IRLR7843，其主要参数如下：

 

最大漏极电压30V，导通电阻3.3毫欧，最大电流160A，栅极电荷34nC。

关于增强型NMOS的控制：

由于 H 桥中四路功率节点都采用增强型 NMOS，但是一般的 MOS 管应用场合都需要

为其设计相应的栅极驱动器，原因如下：

 

 

（1）增强型 NMOS 的导通条件为

???> ???(?ℎ)，在高端桥臂上，如果该高端桥臂导通，则该 MOS 管上源极 S 的电压为电源电压，必须保证栅极 G 的电压高于电源电压才能保证增强型 NMOS 的正常导通，故此，需要为高端桥臂的 NMOS 设计相应的驱动电路以使得栅极上的控制电压要高于 MOS 管源极电压。

（2）虽然 MOS 管从原理上讲属于高输入电阻，低静态电流器件，只需要在栅极上给出相应的控制电压，就可以控制 MOS 管的开通与截止，但是由于密勒等效电容的存在，特别是在高频率的 PWM 控制下，由于栅极电荷引起的感生电压，每次导通与截止都需要对栅极等效电容进行充放电操作，只有对栅极等效电容充满电，才能保证???>???(?ℎ)，MOS 管方能导通；关闭 MOS 管时，则需要将等效栅极电容的电荷全部放掉，才能保证???≈ 0? < ???(?ℎ)，这样 MOS 管才会关断，为了减小 MOS 管开通和关断的时间，通常采用一个较大的恒流源对 MOS 管栅极进行充放电操作，故此，需要对 MOS 管栅极设计相应的驱动电路。

之前一直在讲增强型NMOS不适合于H桥高端驱动，简单地说，就是正常控制时，在MOS管导通时源极与漏极导通，这时???会变成负值。所以无法对NMOS进行控制。未解决这一关键性问题，我们看一下如下内容。

进阶篇：

高端 NMOS 自举电源设计 ：

之前一直在讲NMOS在高端驱动的时候说，可以使用独立电源直接对 H 桥的高端进行供电，以保证增强型 NMOS 的导通与截止，但为了不增加系统电源的复杂性，一般采用自举式电源的栅极驱动技术，从控制器得到的控制信号一般为 TTL 电平，需要通过 HVIC 在内部对其进行偏置处理，并通过图腾柱结构使控制信号具有功率驱动的能力，使得驱动输出的高端电压相对于 H桥上桥臂的 NMOS 源极进行摆动。这样的话，驱动电路和它的偏置电路可以通过低压控制电路实现，并且输入电压与这些电路是单向隔离的，另一方面，由于高端和接地低端电路之间存在高电压差，故该电平转换电路必须允许浮动电压，并且为了保证低功耗和高效率，保证工作稳定使其不能受到噪声影响。

 

 

这类 HVIC 将电平转换电路和图腾柱结构做在一片芯片中，采用窄脉冲电平移位技术，实现低电压到高电压的电平转换并提供电流输出能力，从而用于 H桥高端的功率管开关控制。也就是我们所说的驱动芯片。

自举电路的工作原理及参数选择：

如下图所示，当??端电压降落到 HVIC 电源电压或下拉到地时（即低端 MOS 导通，高端 MOS 截止时），电源通过自举回路对自举电容进行充电操作，当??端被高端开关拉到上拉到高电压时（即低端 MOS 截止，高端 MOS 导通时），自举电容的低端相当于加上了一个电源电压大小的偏置，并开始对高端电压驱动电路供电，这时自举二极管反向截止，电机母线电压和芯片供电电源电压被自举二极管隔离开。

 

 

本设计采用的是HVIC使用的是IR2181S，其主要参数：

 

浮空电压600V，工作电压10V~20V，灌电流1.4A，抽电流1.8A

对于自举电阻的选择，一般取 5~10Ω，不能太小，否则不能抑制上电时和下桥臂导通时自举电容的充电电流（当然，在小功率电机的应用中自举电阻并不是必须的），但也不能过大，否则会增加充电回路的时间常数。同时，自举电阻和自举二极管都会给自举电容的电压产生一个压降，我们希望这个掉落的电压降足够小，且为了防止电路不能提供足够的充电时间（即 PWM 控制频率较高时），本设计中不采用自举电阻为1Ω。

由于自举二极管的作用是正向接通与反向截至（不明白可以看一下前面在自举电路工作原理里自举二极管起到的作用）简单提一下：我们自然会选用肖特基二极管，因为肖特基二极管与一般二极管最大的差异在于反向恢复时间，也就是由二极管流过正向电流的导通状态，切换到不导通状态的时间。一般二极管的反向恢复时间大约是数百ns，如果是高速二极管可能在100多ns左右，而肖特基二极管，这货几乎没有反向恢复时间......也不会有一般二级管反向恢复时间内因反向电流而造成的EM噪声。总结一下肖特基二极管属于低功耗，超高速半导体器件，最显著反向恢复时间极短，正向导通压降仅0.4V左右，而整流电路可以达到几千安培。多用于高频，低压，大电流整流二极管，续流二极管，保护二极管，也有用于微波通信等电路中做整流二极管，小信号检波二极管使用。在通信电源，变频器中比较常见。

 

这里我们采用肖特基二极管 SS14，其主要参数：反向耐压40V，导通压降500mA。

对于自举电容的选择，应遵循：

 

 

式中：

??——FET 器件的总栅极电荷/C；

?——PWM 控制器工作频率/Hz；

????(???)——???的最大静态电流/A；

???——浮压偏置电路每周期需要的电荷/C(通常 600 V 器件为 5n C)；

????(????)——自举电容的漏电流/A(一般近似为????(????)= 0.02 × ??)；

???——驱动器电源电压/V；

??——自举二极管压降/V；

???——低端 FET 或负载的导通压降/V；

??i?——??和??的最小电压/V。

根据所选 MOS 管和栅极驱动器的参数可以计算出最小的自举电容值C，但希望自举电容值尽量大，以保证自举电容能储存尽量多的电荷量，每个 PWM 周期电压降落尽量低，故选用电容值应该稍大。对于耐压值选择，由于电容两端电压几乎等于芯片的供电电压减去自举回路压降，为了缓解充电过程在电路寄生电感的影响，耐压值选为 50V，另一方面，为了降低系统功耗，增加系统稳定性，希望选用低 ESR、低漏电流的电容。最后则选择1uf/50V的贴片陶瓷电容。

栅极电阻及泄放电阻 :

为了控制 MOS 管在驱动控制中的振铃现象，一般需要对 MOS 栅极串接一个电阻以改善充电瞬间的过冲效应。栅极电阻会影响到功率半导体的开关特性，因为对栅极等效电容的充放电都需要经过栅极电阻来完成，栅极电阻的大小会影响到功率半导体充放电的电流、开通和关断时间、反向偏压大小、以及 EMI 特性，一般来说，可以根据所选栅极驱动器的输入输出电流来选择栅极电阻，其遵循：

 

 

式中：

R?(?i?)——栅极电阻的最小值/Ω；

??——栅极上驱动高电平/V；

???——栅极开启驱动电流/A。

根据计算

 

 

式中：

I??——HVIC 灌电流/A；

???——MOS 管栅极上升时间/s；

I???——HVIC 抽电流/A；

????——MOS 管栅极下降时间/s；

?——PWM 控制周期/s。

计算可得P ≥ 5.5mw，设计中栅极电阻功率选用为 1/16w 的5.1?电阻可以满足需求。 由于 MOS 管的输入阻抗极高，为了避免静电和栅极浮空的影响，通常在栅源之间加一个 10k~100kΩ的电阻，起到保护 MOS 管的作用，虽然这个电阻的引入会使得 MOS管开关速度变慢，并增加了驱动损耗，但同时也降低了 dv/dt，改善了电路的 EMI 性能。

电路寄生参数带来负电压的影响以及消除：

闭锁效应是功率驱动电路中普遍存在的问题，在一定的工作条件下，如 HVIC 本身工作电压不高、电源噪声大、控制信号畸变严重、或者电路 Layout 布局不合理导致寄生参数过大，都会导致电机转动过程中续流负电压过大，这个负电压如果过大的话，会造成 HVIC 闭锁，一般来说 HVIC 闭锁会导致芯片输出关闭，影响电机的动态性能。 在实际电路中，由于 PCB 布局走线、器件引脚等会形成寄生电感，在 H 桥控制周期中下桥臂关断，即开关管 Q1 由开通转为关断时，由于电路等效电感使得电路电流不会突变，电流由 MOS 管体二极管 D2 进行续流。如图 2-5 所示，由于二极管续流，电流从地流向电机，使得V?端出现负电压，并且V?端负电压幅度取决于电流的变化率和 PCB布局造成的寄生电感参数，当负载电流较大时，V端会出现随之出现较大负压，给驱动芯片正常工作造成恶劣影响。一般来说，HVIC 都有各自的负电压耐受值，本设计中选用的 IR2184 的电压闭锁负电压阈值为-5V。 特别地，在自举电容的容量选得并不是足够大，并且输入占空比又特别高的时候，充电时间减小，会造成自举电容两端电压降本身就特别大，这是如果电机的负载较重，则 di/dt 也会增大，会在V?引脚上表现出更大的负电压，使V?对地电压更小，造成 HVIC的闭锁，使得输出关闭，造成系统工作不正常。 为了减小负电压对 HVIC 的影响，通常有两种方法：

（1）优化电路 PCB 布局，使得寄生电感的值尽可能小，这样会使得感生的负电压也相应变小，但是 PCB 布局优化方法过于模糊，很难改善一个 Layout 已经较为优秀的电路，并且，这个方法不能从根本上解决问题。

（2）二是可是在芯片V?到电机端接一个的电阻，以减轻V?端反电压的影响，但这个电阻的加入，造成了自举电容的充电必须经过此电阻，会降低整个系统的最大占空比输出，故此电阻不能太大，否则会影响控制系统输出的最大占空比，一般取 5~20Ω。并且需要将原先的栅极电阻减小或直接短路，以保证总栅极电阻大小不变，对于 HVIC的 COM 端，由于这个节点并不涉及到自举电容的充电，故可以稍微选取大些，以减少衬底二极管的电流，当然，下桥臂 MOS 管的栅极电阻同样需要更换阻值以匹配高低端栅极电阻的大小。另外，还可以在V?到 GND 端反向串接一个肖特基二极管，由于肖特基二极管具有小的导通压降，可以保证自举电容的低端不会出现较大负电压。只有这样，才可以保证 MOS 管驱动电路的稳定性。

 

 

主芯片选择：

选用STM32f103C8T6。

主要使用了这些功能的引脚。1：具有TIM1一个高级定时器，而我们选用的就是高级定时器，虽然TIM1操作起来比其他定时器要。复杂，而我们也正是需要使用，除了基本的PWM输出功能外，TIM1里重要的死区插入和刹车功能。2：需要PWM输入功能的引脚，获得编码器采集的速度值。3：串口通信，CAN通信口。4：AD采样功能引脚，用于电流与电压的检测。

转压部分选择：

转压部分就会有很多种选择，24V转18.5V。24V转12V。24V转8V.。最重要的是根据电压的需求能够转换可以能够让芯片正常工作的电压，考虑转压电路的稳定性，输出功率，电压波纹等......另外就是选择芯片的封装和外围电路的难易程度。

对于驱动芯片供电为10V-20V之间，所以我采用了MP2451这款芯片来进行驱动芯片供电和5V的CAN芯片供电，MP2451是具有集成内部高边高压功率MOSFET的高频（2MHz）降压型开关稳压器。 它提供单个0.6A（或更少）高效率输出，具有电流模式控制，实现快速环路响应。 宽3.3V至36V输入范围适用于汽车输入环境中的各种降压应用。 3μA关断模式静态电流允许在电池供电的应用中使用。 通过在轻负载条件下缩小开关频率来降低开关和栅极驱动损耗，可实现宽负载范围内的高功率转换效率。 频率折回有助于防止电感电流在启动期间失控。 热关断提供可靠的容错操作(以上为数据手册上的说明)。

一个简单的分压电路就可以输入3.3V~36V电压，依据情况输出大概5V~20V，500mA电流。基本满足芯片需求。

对于STM32芯片供电，采用SPX5205M5-3.3这一款芯片，之前采用的1117-3.3这一款，之后觉得可以使用更小封装的芯片，来缩小体积，并且参数也满足。SPX5205是一个正压稳压器，具有非常低的压差电压，输出噪声和静态电流（100 mA时750μA）。 VOUT具有小于1％的公差，并进行温度补偿。 固定的输出电压为1.8V，2.0,2.5V，2.8V，3.3V和5.0V，可调节型采用小型5引脚SOT-23封装。 其他关键特性包括零关闭电流，反向电池保护，热关断和电流限制。该SPX5205是用于电池供电的应用的绝佳选择，在需要节电的地方。

简单的外围电路就可以输入5V，输出3.3V电压及100mA电流。基本满足芯片需求，但是100mA电流其实仅仅刚够STM32正常运行，如果要从主控端取3.3V电来驱动其他芯片及用电器总电流比较大，则需慎重，可能会导致电流不足，使STM32工作不正常。但对与1117-3.3就不存在，因为1117-3.3输出电流可达1A。

电压、电流采样电路：

电压可以直接使用分压电阻及AD采样，就可以经过软件简单调试获得电压值，电压采集一般采集的是电源两端的电压。

首先，要明确的是电流环中电流的方向问题。由于电流和力矩是成正比的，上文已经提到实际控制的其实是转矩而不是电流，转矩是有方向的，且正比与电流，故电流也是有方向的，即定义电机正转，电机中流过的电流为正电流，电机反转，电机中流过的电流为负电流，对于如何确定电流的反向，一般而言，有以下两种做法：

（1）第一种方法是对 H 桥的两个桥臂分别接上采样电阻，两路采样电阻的电压分别接相同的放大、滤波电路，接到不同的 ADC 采样端口，用处理器同时对这两路电压信号进行测量，如果定义左桥臂电压大于右桥臂电压表示电流从右向左流，取电流为正，则反之为负。这样做的好处是可以保证电流反馈在桥臂关断瞬间由体二极管进行续流时电流方向的正确性，缺点是增大了电路复杂程度，使硬件成本提高了。

（2）第二种方法是将两个半桥的下桥臂接到同一个采样电阻上，并且只对这一个电阻的电压值进行放大、滤波、采样，这样采样到的电流值只会是正电压，只表示电流的大小而不表述电流方向。另一方面，由于电感的续流过程时间较短，可将其近似为一个 PWM 的控制周期，当需要对电机进行制动或者改变转向时，可在下个控制周期来到时对采样到的电流在程序控制中反向，人为地根据当前电机的运行状态为其增加正负号，也就是方向。这种方法的好处是简化了一半的硬件电路设计，并且虽然采取了近似，但实际上发现对于整个控制系统影响并不大，故本设计采用第二种这种方法。 对电流的采样通过在 H 桥低端串接一个 10mΩ的电阻，采用同相比例放大器对 10mΩ电阻两端进行放大 40 倍，得到相应的电压进行滤波后接入主控制器的 ADC 端口进行采样，得到相应的电流值，其硬件电路如下：

 

为了让采样电阻不对整体电路造成过大影响，故采样电阻取值小，这样的话反应在其两端的电压也小，几乎至电源低轨，并且此放大电路为直流放大器，运算放大器本身的直流偏置也会被放大，故需要选择一款低偏置电压、低漂移的轨至轨低电压运为了让采样电阻不对整体电路造成过大影响，故采样电阻取值小，这样的话反应在其两端的电压也小，几乎至电源低轨，并且此放大电路为直流放大器，运算放大器本身的直流偏置也会被放大，故需要选择一款低偏置电压、低漂移的轨至轨低电压运。

这里比较关键的是，采样电阻的功率选择，一般功率要按照设计功率来选择，如果选择不对，驱动会运行过程中因为采样电阻功率达不到而断路，会变成一个保险丝，影响正常使用。

其他电路：

其他电路就不详细的说明了，非常简单，就是电源灯，为了表示各自转压运行是否正常。可控LED灯，表示供编程使用，一般用于驱动状态表示。拨码开关，用于状态输入。数模基准电路等.......

以上基本就是整个直流有刷电机的设计思路及原理，我觉得讲解的比较详细。如果仍然有疑问就应该根据薄弱的地方再深入学习，这些其实不需要研究的特别深，做一个将电机驱动起来，就应该明白的差不多了。

制作篇：

电路设计及PCB绘制：

这里有时间再说吧，其实也就是掌握基本的布线布局规则（基本线宽，及加工厂商的一些要求），熟练运用一个电路设计制图软件。在绘制的时候，也要加入自己的思路，让电路非常方便的可以使用，非常简单的就可以排除错误及维修更换。在设计时，还要考虑芯片元器件的封装，位置，接插件等......其实这些都是非常耗时但是需要非常仔细的工作，理论上没有太多需要掌握。

 

 

 

 

几个比较关键的原理图如上（使用的是AD16）。

 

对于PCB的确是花了很多心思，设计的核心就是：1，稳定，稳定，稳定（重要的事情说三遍）必要的需要开窗附锡，散热，焊接都需要考虑。2，使用方便，美观，体积小。3，功能尽可能满足。

稳定经过了16/17年比赛历练，可以保证。体积比较小，大概只有4CM*5CM双层两片（强电部分+弱电部分）。虽然原理简单设计并不难，但是要在几个月时间确定一个新版驱动在2-3板就可以稳定下来，这其实是我比较满意的地方。

之后就是采购元器件，然后外协加工电路，然后就在忐忑中等待一切就绪。

 

一般都是由设计板子的人来焊第一块板子，焊接的时候就需要仔细的焊接，并且焊接的时候要从电源的部分一点一点的测试。

之后就进行驱动部分的软件调试，我觉得作为一个嵌入式工程师，所必须具有的就是硬件设计能力与软件调试能力，证明设计出的硬件可以实用软件调试出设计效果的80%。之前，在我是新队员时，就经常发现团队内因为开发新的功能的模块时出现电子组与软件组的冲突。电子觉得自己辛苦设计出的硬件，虽然只是测试版，但也应该得到软件认真地对待。而软件组由于不是非常清楚硬件的原理，而调试效果不好，将其归责与硬件。因为这种事情经常吵得面红耳赤。谁都不愿意去认为自己错了。所以之后我们设计的硬件，底层驱动都会交给设计硬件的人去做，虽然可能会将整个周期拉长，但是我觉得，维护团队的团结非常重要，多学习一部分知识非常重要。

比如：如果要设计一个电机驱动，就必须实现电机的正反转及加速减速，通信口必须调通。电压，电流必须要采集到，至于如何利用这些基本的功能进行项目的设计，那就要看软件组了。我们只需为软件提供底层的接口，并且要注释清楚，这是我的要求。

 

从左到右依次是，双踪示波器，钳流表，电机负载平台，万用表，显示原理图及PCB的电脑

 

软件部分主要配置好TIM1的几个寄存器，比如CCR1，CCR2，CCER等，因为之前在MOS部分讲过，栅极电容的存在，会有米勒效应。正向突然切换反转时如果不处理好会导致同侧MOS导通（在上路未关断的时候下路导通）除了加大灌电流与抽电流之外。而TIM1可以输出互补的PWM波，并且插入了死区。死区可以简单理解为一个延时，使正转时导通的上桥完全关断时再打开反转时需要打开的下桥。死区过小会导致危险，死区过大会导致电机响应不好，电源的利用效率低等问题。由于IR21864是无固定死区插入，这个死区值需要我们根据电流电容计算获得，只有这样严谨的推演，周密的计算，才可以获得稳定的电机驱动，任意一环马虎不得。

 

箭头内区域表示死区

在调试时，我们需要通过示波器来观察信号是否正确，观察通过了某个器件后，信号波形参数是否正常，由信号产生，到达信号末端。期间如果有一部分产生虚焊，或者器件质量问题，都会导致最终失败（因为这是测试板，在任何部分出现问题结果都是电机不能转动，就算硬件设计有问题，也必须找到出问题的原因进行下一版修改）。

如果电机可以正常控制，下一步就是加入一个简单的增量式及位置式的PID，驱动性能测试（其实如果PID调好，将速度给为0，如果死锁的效果非常好，可认为基本各个功能可以使用），但是这远远不够。我们还会使用钳流表（功率测试）加上电机负载平台（其实就是一个自行车盘刹加在电机上）这个非常重要，我们可以模拟出比赛场上还要恶劣的环境：堵转，长时间高负载情况。比如说12小时大电流测试，短时间堵转测试，高频率正反转测试，恒定功率长时间测试。这个主要是为了测试原理和元器件参数是否吻合质量及PCB布局等，只要有2~3块符合，之后如果出现问题，可将问题归结于焊接、软件设计、元器件质量。

经验篇：

当一切都符合了设计要求，可以先泄一口气，指导新队员进行批量焊接，刷测试程序进行测试，并且装车进行调试。这里我使用了非常严格的保护措施：（喷上绝缘漆并且使用热缩管包裹，所有接插件必须我用用力扯过，没问题后打胶使用）将稳定性进一步提升。

 

电机上的那个用黑色热缩管包起来的就是该驱动

后面还会有一个更加艰巨的任务，就是分析在使用过程中出问题的板子，每一个板子都是非常珍贵的标本（根据标本分析硬件的原因，究竟是因为人为不小心，还是偶然因素，还是设计缺陷没有被之前的测试测试出来），而且进行板子标号，记录维修过后再次使用的效果情况。所以一块驱动搭配上它的硬件+驱动软件+保护+这个性能问题记录本将这个事情做好，真的还是需要一定的耐心，毅力的。

不知不觉写了15000字。。。。。。相当于又写了一篇毕业论文的字数，但其中有不少理论及公式参考了西交的一篇电控技术报告，也拆过很多购买来的电机驱动器用来借鉴参考。

 

写的精疲力竭身心俱疲。后面有时间会再进行润色修改。估计到时候我写无刷电机的时候要写几万字了......

希望大家有兴趣的可以参考着文章，设计制作出属于自己的直流有刷电机驱动，总结起来还是一句话，工程除了理论重要以外，实践同样重要。

时间不足，难免有误，还望指正。

因为热爱，所以存在。

 

原文链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/27547384