探索新型电机控制策略：基于DSP的直流电机H桥驱动电路设计与实践

随着电力电子技术的不断进步和新永磁材料的研发，直流电机凭借其出色的线性特性和卓越的控制性能，在众多变速运动控制及闭环伺服系统中（包括机器人、精密机床、汽车电子、家用电器及工业流程等）得到了广泛应用。当前，直流电机的数字化控制已成为主流，而高性能电机控制算法大多依赖于主控芯片实现。随着高速、多功能的数字信号处理器（DSP）的问世，更复杂的电机控制策略得以实现。本文以TMS320F28335为主控芯片，IRF530为驱动芯片，IR2110为驱动控制芯片，对直流电机进行了H桥驱动控制设计，该设计效果显著，具有较高的应用价值。

### 1、直流电机驱动原理

直流电机的驱动方式多样，常见的驱动芯片有33886、L298N以及TB6539等，它们均基于H桥原理进行控制。对于大功率驱动，则需使用分立元件搭建H桥驱动。H桥驱动电路可轻松实现电机的四象限运行，其原理拓扑结构如图1所示。H桥驱动电路由4只开关管组成，K1、K4为一组，K2、K3为一组，两组开关管状态相反。当K1、K4导通，K2、K3截止时，电机两端加正向电压实现正转；当K2、K3导通，K1、K4截止时，电机两端加反向电压实现反转。实际控制中，电机可在四个象限之间切换运行。电路中的4个二极管D1~D4为续流二极管，用于保护开关元件。

### 2、硬件电路设计

硬件电路设计的整体思路是：利用PWM波控制图1中开关K1、K4及K2、K3的通断，实现电机的正反转。通过改变PWM波的占空比，使电机获得不同的电压，从而控制电机速度。

#### 2.1、开关元件的选择

开关元件可选择双极型晶体管或场效应管。功率场效应管是电压控制型元件，具有输入阻抗大、开关速度快、无二次击穿等特点，满足高速开关动作需求。本文设计中4个开关均选用IR公司的N沟道增强型功率MOSFET管IRF530，其漏极电流为14A，可承受49A的单脉冲电流，*大电压100V，导通电阻不大于0.16Ω，满足驱动要求。

#### 2.2、MOSFET栅极驱动器件的选择

IR公司提供了多种桥式驱动集成电路芯片，典型产品为IR2110。该芯片是一种双通道、栅极驱动、高压高速功率器件的单片式集成驱动模块。由于芯片中采用了高度集成的电平转换技术，简化了功率器件对逻辑电路的控制要求，提高了驱动电路的可靠性。尤其是上管采用外部自举电容上电，使得驱动电源数目较其他IC驱动大大减少。本次设计采用IR公司的IR2110作为驱动芯片。

#### 2.3、开关频率的选择

PWM波的频率将影响电机输出*大转矩及转矩的平稳性。要得到*大输出转矩，必须知道转子磁极方向，即确定转子位置。对于本设计的小型直流电机，可暂不考虑。为降低电机噪声，PWM波频率应尽可能高于声波范围；另一方面，由于电机绕组的感性性质，频率越高感抗越大，高的频率会使电机转矩变小。经分析比较，本文*终确定的电机频率为250Hz，虽然有一定低频噪声，但输出转矩效果很好。

#### 2.4、控制器的选择

目前，PWM波的产生有多种方式，可用专门的PWM波产生芯片产生，也可由微控制器（如单片机、ARM、DSP、FPGA等）产生。本文微控制器选用了TI公司TMS320F28335型DSP，作为整个控制系统的核心部分，其性能在一定程度上决定了整个硬件系统的稳定性。TMS320F28335为32bit浮点型DSP，工作主频达150MHz，有12路PWM输出，其中6路是高精度PWM波通道，非常适合电机控制。

#### 2.5、驱动控制电路整体设计

根据以上关键部件的选择，设计得到图3所示的驱动控制硬件电路图。PWM波由DSP产生，然后通过180欧电阻R5送至光耦TLP521。由于本设计的PWM波频率不高，普通光耦TLP521已满足要求。

图3中，“非门”和“与非门”不仅是逻辑控制的需要，同时起到对光耦输出波形信号进行整形的作用。T1~T4由4片IRF530构成H桥驱动对电机M进行控制，IRF530的栅极驱动由两片IR2110完成，其中一片IR2110的HIN和另一片的LIN连在一起，用一个PWM控制信号驱动电机的上桥臂和下桥臂MOSFET。两片IR2110的SD端连在一起，由DSP的GPIO9管脚通过光耦合反相器G8后进行控制，GPIO9低电平时正常工作。DSP的GPIO8管脚为高电平时G4门输出有效，电机正转；否则G3门输出有效，电机反转。因此，可由DSP的GPIO8方便地控制电机的正反转。

### 3、电路的测试

根据以上设计，由DSP产生PWM波，经过逻辑电路输入到IR2110，从而控制IRF530的通断，调节PWM波的占空比即可控制电机转速。

电路中，C1、C6取值为10μF，C2~C5取值为1μF，D1~D6选1N4148二极管，R1~R4取值为1kΩ，R5取值为180Ω，R6取值为10kΩ，反相器选为74LS04，“与非门”选74LS00，逻辑电压取为+5V，栅极驱动电压取为+12V，电机电压取为+5V，3个电源均共地，但DSP电源是隔离的。当PWM波的频率为250Hz、占空比为50%时，对型号为RN260-CN38-18130的电机进行了测试。测试示波器型号为安泰信ADS1102C。

图4为经过“与非门”和反相器的信号，也是IR2110的控制信号。可以看出，信号经过门电路后，干扰大量减少，波形更加规则平整。

下桥臂的栅源电压容易控制，但上桥臂的栅源电压是由自举电路形成的。因为在上桥臂导通时，源极电压基本等于驱动电机的电源电压，这时要使上桥臂的MOSFET继续导通，必须使栅极电压随着源极电压一起升高。不管源极电压是多少，栅源电压要保持不变，这就使得栅极电压要随着源极电压进行浮动。

图5（a）为上桥臂的源极对地电压信号，图5（b）为上桥臂的栅极对地电压信号。可以看出，源极电压随着PWM波的变化而变化，其平均电压浮动值为4.6V；而栅极电压会随着源极电压的变化而相应浮动，其峰峰值为17.6V，相对于源极电压基本为13V，*终使得栅源电压为稳定值。

整体测试结果表明，直流电机运转平稳，控制精确，达到了设计要求。

本文对直流电机进行了H桥驱动控制的全过程设计，采用功率MOSFET芯片IRF530作为开关元件，IR2110作为MOSFET的栅极驱动控制，用DSP产生PWM信号并通过光耦及逻辑控制送至IR2110。成功地使上桥臂驱动电压进行浮动控制，方便地进行启停和正反转控制，电机运行平稳良好，达到了设计目的。本文给出的驱动控制电路也适合其他类似的应用，具有较大的实用参考价值。