电机驱动开发学习3. 驱动原理与相关电路

电机驱动开发学习3. 驱动原理与相关电路

• 一、原理图介绍
• • [1. 电机驱动板实物图](#1. 电机驱动板实物图)
  • • [1. 编码器接入口](#1. 编码器接入口)
    • [2. 单片机控制与采集信号](#2. 单片机控制与采集信号)
    • [3. 温度传感器接入口](#3. 温度传感器接入口)
    • [4. 电机控制信号接出口](#4. 电机控制信号接出口)
• 二、驱动原理解析
• • [1. 三相六臂全桥驱动电路](#1. 三相六臂全桥驱动电路)
  • • 基本拓扑
    • 六拍换相示意
    • 两个必须注意的问题
  • [2. 霍尔传感器测转子位置](#2. 霍尔传感器测转子位置)
  • • 霍尔效应与输出特性
    • 三相霍尔的安装方式
    • 霍尔状态与换相真值表
  • [3. 野火驱动电路设计](#3. 野火驱动电路设计)
  • • 为什么要做信号隔离
    • 控制信号隔离
    • [硬件互锁防直通（异或门 + 与门）](#硬件互锁防直通（异或门 + 与门）)
    • [SD 关断信号链](#SD 关断信号链)
    • [功率半桥与 IR2110S](#功率半桥与 IR2110S)

一、原理图介绍

• 本系列博文使用的驱动板是野火无刷电机驱动板（20220514版本)。
• 本系列博文使用的是野火F407骄阳开发板。
• 本博文部分资源摘自野火官方《电机应用开发指南》。

1. 电机驱动板实物图

• 最高功率：700W
• 有四处接线口。

1. 编码器接入口

2. 单片机控制与采集信号

3. 温度传感器接入口

4. 电机控制信号接出口

二、驱动原理解析

1. 三相六臂全桥驱动电路

三相六臂全桥（Three-Phase Six-Arm Full Bridge）是驱动无刷直流电机的核心功率电路。所谓"三相"对应电机 U、V、W 三相绕组；所谓"六臂"是指每一相各有一对上下桥臂 MOSFET，共 6 个功率管，组成 3 个半桥，再级联成全桥结构。

基本拓扑

电路由 3 个半桥组成，每相包含：

• 上桥臂（高侧）：接电源正极，负责将绕组一端拉高
• 下桥臂（低侧）：接电源负极，负责将绕组一端拉低

原理图中 6 个 MOSFET 通常记为 Q1～Q6，对应关系如下：

桥臂	对应相	作用
Q1	U+	U 相上桥臂
Q2	U-	U 相下桥臂
Q3	V+	V 相上桥臂
Q4	V-	V 相下桥臂
Q5	W+	W 相上桥臂
Q6	W-	W 相下桥臂

任意时刻只有两相通电、一相悬空，电流从电源正极经一个上桥臂流入电机绕组，再经另一个下桥臂流回负极，从而在定子中产生旋转磁场，驱动转子转动。

六拍换相示意

以六步换相（120° 换相）为例，依次导通不同的 MOS 管对，完成一个电周期的驱动：

步骤	导通管	电流路径	说明
1	Q1、Q4	U → V	U+ 与 V- 导通
2	Q5、Q4	W → V	W+ 与 V- 导通
3	Q5、Q2	W → U	W+ 与 U- 导通
4	Q3、Q2	V → U	V+ 与 U- 导通
5	Q3、Q6	V → W	V+ 与 W- 导通
6	Q1、Q6	U → W	U+ 与 W- 导通

例如第 1 步导通 Q1 和 Q4、其余截止时，电流从 Q1 流经 U 相绕组，再从 V 相绕组经 Q4 回到负极，转子便旋转到下一个位置。控制器根据霍尔传感器或估算的转子位置查表换相，即可让电机持续旋转。

两个必须注意的问题

1. 不能长时间保持同一导通状态

按真值表导通 MOS 管后若不再换相，转子会停在某个位置，此时电能几乎全部转化为绕组发热。绕组内阻很小，电流会很大，可能烧毁电源或电机。

2. 严禁上下桥臂直通（Shoot-Through）

同一相的上、下桥臂绝不能同时导通 ，否则电源正负极被直接短接，会瞬间烧毁 MOS 管或电源。实际电路中通过死区时间 和硬件互锁来防止这种情况。

2. 霍尔传感器测转子位置

六步换相必须知道转子当前处于哪个扇区，才能决定导通哪一对 MOS 管。电机静止时转子位置未知，需要位置传感器提供换相依据。野火配套无刷电机内置 3 个开关型霍尔传感器，驱动板原理图中的霍尔接口电路负责为传感器供电，并将位置信号传递给主控板。

霍尔传感器只需提供离散的扇区信息（不需要连续角度），恰好满足六步换相的需求：

• 转子每转过 60° 电角度，至少有一路霍尔信号翻转
• 3 路信号组合成 3 位二进制码，共有 8 种状态，其中 6 种有效、2 种无效（扇区边界）
• 控制器读取霍尔值后查换相表，即可驱动三相全桥完成换相

霍尔效应与输出特性

霍尔传感器基于霍尔效应：载流半导体处于磁场中时，载流子受洛伦兹力偏转，在垂直于电流和磁场的方向产生电势差（霍尔电势）。

开关型霍尔传感器的输出逻辑如下：

• N 极靠近并超过阈值 → 输出高电平（或低电平，取决于传感器极性）
• N 极逐渐远离 → 输出保持原状态（磁滞特性）
• 磁场变为 S 极并超过阈值 → 输出翻转

因此，在 N、S 极交替经过时，单路霍尔输出方波，高、低电平各占约 50%。

三相霍尔的安装方式

三相 BLDC 电机通常在定子侧沿圆周均匀安装 3 个霍尔传感器，常见两种布局：

安装方式	传感器间隔	波形特点
120° 布局	相邻传感器相隔 120° 电角度	三路信号相位差 120°，每路占空比 50%
60° 布局	相邻传感器相隔 60° 电角度	波形更密集，同样可得到 6 个有效扇区

规定高电平为 1、低电平为 0，三路信号组成一个 3 位二进制数。转子每转过一个电周期（一对磁极），霍尔组合状态按固定顺序变化 6 次，与六步换相一一对应。

一对极电机：转子转一圈，每路霍尔输出 1 个周期；两对极电机则输出 2 个周期。

霍尔状态与换相真值表

配套野火无刷电机的霍尔真值表如下（以 A=U、B=V、C=W 相为例）。检测到对应霍尔值后，仅导通表中标注的桥臂，其余 MOS 管全部关断：

逆时针旋转：

霍尔 U (a)	霍尔 V (b)	霍尔 W ©	导通桥臂
0	0	1	V-、W+
1	0	1	U+、V-
1	0	0	U+、W-
1	1	0	V+、W-
0	1	0	U-、V+
0	1	1	U-、W+

顺时针旋转：

霍尔 U (a)	霍尔 V (b)	霍尔 W ©	导通桥臂
0	0	1	V-、W+
1	0	1	U-、W+
1	0	0	U-、V+
1	1	0	V-、W+
0	1	0	U+、V-
0	1	1	U+、W-

以逆时针第 1 行为例：霍尔值为 001 时，导通 V- 和 W+，转子旋转到下一扇区；当霍尔值变为 101 时，切换为导通 U+ 和 V-，依此类推。

上表针对野火配套电机。若更换其他品牌电机，霍尔高低电平定义、相序可能与表中不同。

3. 野火驱动电路设计

野火电机驱动电路使用 MOS 管搭建，可作为大功率的无刷电机驱动。驱动板支持 12 V～70 V 宽电压输入、10 A 硬件过流保护，最高功率约 700 W。除本节重点介绍的功率驱动与信号隔离外，板上还集成三相电流采样、反电动势采样、编码器/霍尔接口及母线电压检测等电路。

为什么要做信号隔离

电机驱动的高压功率侧与 MCU 低压逻辑侧直接相连时，母线电压波动、MOSFET 开关噪声、电机绕组感应等干扰很容易沿控制线回传，轻则采样失真、PWM 抖动，重则损坏主控芯片。野火驱动板将控制信号 与采样信号均做电气隔离，使 MCU 侧始终工作在安全的低压域，这也是工业级驱动板的常见做法。

与市面上多数仅对 PWM 做光耦隔离的驱动板不同，野火板还对 ADC 采样通路使用了 AMC1200SDUBR 隔离运放（电流、母线电压等），实现控制与反馈的全链路隔离。

控制信号隔离

MCU 输出的 6 路 PWM（U+/U-、V+/V-、W+/W-）以及 1 路关断信号 SD，在进入栅极驱动芯片之前均经过光耦隔离：

信号类型	光耦型号	作用
PWM（6 路）	TLP2362	高速光耦，带宽足够跟随 PWM 边沿，将逻辑域 PWM 传至功率域
SD（关断）	EL357N	将 MCU 的关断指令隔离后送至驱动芯片 SD 引脚

光耦两侧分别由各自的电源供电：MCU 侧为 3.3 V 逻辑电源，驱动侧为功率电路的隔离电源。两侧无直接电气连接，高压侧的干扰无法通过控制线直接耦合到主控板。

硬件互锁防直通（异或门 + 与门）

前文已强调：同一相上、下桥臂不能同时导通。除软件死区外，野火板在每相 PWM 进入光耦之前 增加了异或门（XOR）与与门（AND）组成的硬件互锁，即使 MCU 误将 U+ 与 U- 同时置高或同时置低，也不会让两侧栅极驱动同时有效。

以 U 相为例，逻辑关系如下：

• U+、U- 同为高 或同为低 → 异或门输出低 → 与门被封锁 → Motor_U+_IN、Motor_U-_IN 均为低，上下桥臂均关断
• U+、U- 一高一低 → 异或门输出高 → 与门放行 → 输出跟随对应 PWM 输入

U 相 PWM 隔离部分的输入输出真值表：

Motor_U+	Motor_U-	Motor_U+_IN	Motor_U-_IN
H	H	L	L
H	L	H	L
L	H	L	H
L	L	L	L

V、W 相采用相同结构，六路 PWM 在硬件层面即具备防直通能力。

SD 关断信号链

每相半桥由 IR2110S 栅极驱动芯片驱动。IR2110S 的 SD 引脚为高电平有效：SD = H 时，无论 HIN/LIN 为何状态，HO、LO 均被强制拉低，上下管同时关断；SD = L 时，HO 跟随 HIN、LO 跟随 LIN 变化。

驱动板上 IR2110S 的 SD 并非直接接 MCU，而是接光耦输出 Motor_SD_IN。Motor_SD_IN 由两路与门输入经与门合成后再经 EL357N 隔离：

信号	来源	说明
Motor_SD_A	驱动板 SD 接口引脚	MCU 软件关断指令
Motor_SD_B	硬件过流保护电路	正常时保持高电平；过流时拉低，强制关断

与门真值表（Y 接光耦输入，光耦输出反相后为 Motor_SD_IN）：

Motor_SD_A	Motor_SD_B	Y（光耦输入）	Motor_SD_IN（光耦输出）
H	H	H	L
H	L	L	H
L	H	L	H
L	L	L	H

在不过流的前提下，Motor_SD_B 恒为高，关断与否由 MCU 的 SD 引脚（Motor_SD_A）决定；一旦过流，Motor_SD_B 被拉低，与门输出变低，经光耦反相后 SD 有效，所有 IR2110S 强制关断，实现软件关断与硬件过流保护的统一控制。

功率半桥与 IR2110S

三相六臂中，每相上下桥各由一个 IR2110S 驱动（共 3 片，每片驱动一侧半桥）。IR2110S 除逻辑处理外，还提供电平转换与自举（Bootstrap）电路，使上桥臂 MOSFET 的栅极能获得高于母线的驱动电压。MCU 经光耦隔离后的逻辑信号可直接接入 IR2110S 的 HIN、LIN、SD 引脚。

IR2110S 输入与输出逻辑真值表（* 表示该输入被忽略）：

SD	HIN	LIN	HO	LO
H	*	*	L	L
L	L	L	L	L
L	L	H	L	H
L	H	L	H	L
L	H	H	H	H

上表中 SD = H 时 HO、LO 均为 L，即关断状态；正常驱动时保持 SD = L，由 HIN/LIN 控制对应桥臂导通。