2. 电机驱动原理：直流电机模型、H桥电路、MOSFET开关特性
做电机控制，说白了就是跟三个东西打交道：电机本身、驱动它的电路、还有控制电流的开关。这三样搞不明白，PWM调得再好也是白搭。我见过不少新手，上来就调PID参数，结果电机嗡嗡响就是不转——其实就是驱动级没弄对。
2.1 直流电机的等效模型
先看电机。直流电机从外面看是个旋转的负载，从电路看其实就是一个电阻串一个电感，再加一个反电动势。
直流电机等效电路模型：
电枢回路方程：V_a = R_a * i_a + L_a * di_a/dt + E_b
反电动势： E_b = K_e * ω
电磁转矩： T_e = K_t * i_a
机械方程： T_e - T_L = J * dω/dt + B * ω这里几个参数我得强调一下：
- R_a —— 电枢电阻，通常几欧到几十欧。我遇到过一块板子，电机堵转电流只有标称值的一半，查了半天发现是PCB走线太长，线阻吃掉了一截电压。
- L_a —— 电枢电感，决定了电流的上升斜率。电感太小，PWM纹波大；电感太大，电流响应慢。
- E_b —— 反电动势，跟转速成正比。电机转得越快，反电动势越高，电流自然就小了。这就是为什么空载时电流很小。
- K_e 和 K_t —— 在SI单位制下，这两个值数值相等。记住了，这是检查电机参数是否合理的一个快速方法。
经验之谈： 我习惯在选型阶段先估算电机的时间常数 τ = L_a / R_a。这个值决定了电流环的带宽上限。如果τ只有几百微秒，那PWM频率至少要10kHz以上才能有效控制电流纹波。
2.2 H桥电路拓扑
直流电机要正反转，就得用H桥。名字很形象——四个开关管摆成H形，电机在中间横杠上。
H桥有四种基本工作状态：
| 状态 | 导通的开关管 | 电机行为 | 电流路径 |
|---|---|---|---|
| 正转 | Q1 + Q4 | 正向加速 | VCC → Q1 → 电机 → Q4 → GND |
| 反转 | Q2 + Q3 | 反向加速 | VCC → Q2 → 电机 → Q3 → GND |
| 制动 | Q3 + Q4 | 急停（能耗制动） | 电机两端短路，能量消耗在MOSFET和电机内阻上 |
| 滑行 | 全部关断 | 自由减速 | 无驱动电流，反电动势通过体二极管续流 |
注意： 绝对不能让Q1和Q2同时导通，也不能让Q3和Q4同时导通。这就是所谓的“直通”或“穿通”。我曾经在调试时因为软件死区时间设得太短，导致上下管瞬间导通，MOSFET直接冒烟。从那以后，我每次改死区时间都会用示波器先确认一下。
2.3 MOSFET开关特性
H桥里的开关管，现在主流都是用MOSFET。MOSFET不是理想开关，它有三个关键特性直接影响PWM性能。
2.3.1 导通电阻 RDS(on)
MOSFET导通时，漏源之间有个电阻，叫RDS(on)。这个值通常在几毫欧到几十毫欧。电流流过它就会发热，功率损耗是 I² × RDS(on)。
举个例子，一个10mΩ的MOSFET，流过10A电流，导通损耗就是1W。如果散热没做好，温度一上来，RDS(on)还会增大——这是个正反馈，搞不好就热失控了。
2.3.2 开关损耗
MOSFET开关不是瞬间完成的。每次开通和关断，电压和电流会有重叠时间，这段时间里产生的损耗就是开关损耗。
开关损耗估算公式：
P_sw = 0.5 × V_DS × I_D × (t_rise + t_fall) × f_sw其中 f_sw 就是PWM频率。频率越高，开关损耗越大。这就是为什么PWM频率不能无脑往上提。
我记得有个项目，客户要求PWM频率到40kHz，说是为了听不到噪声。结果MOSFET烫得能煎鸡蛋。后来算了一下，开关损耗占了总损耗的60%以上。最后换了栅极电荷更小的MOSFET才解决。
2.3.3 栅极电荷 Qg
MOSFET的栅极像个电容。要让它导通，得先给这个电容充电。Qg就是充满它需要的电荷量。
Qg越大，驱动电路需要提供的峰值电流就越大，开关速度也越慢。我一般选型时会看两个参数：
- Qg —— 总栅极电荷，决定了驱动功耗
- Vgs(th) —— 栅极阈值电压，一般在2-4V。实际驱动电压我习惯用10-12V，保证MOSFET完全导通
选型建议： 对于电机驱动，我倾向于选Qg在20-50nC之间的MOSFET。太小了电流能力不够，太大了开关损耗吃不消。另外，注意看数据手册里的“Miller plateau”——那是栅极电压平台期，跟开关速度直接相关。
2.4 续流二极管与死区时间
电机是感性负载。当MOSFET关断时，电感里的电流不能突变，必须有个回路让它继续流。这个回路就是续流二极管——通常是MOSFET内部的体二极管。
体二极管的恢复速度很关键。如果恢复太慢，在上下管切换时会造成瞬间短路。解决办法就是加死区时间——让上下管都关断一小段时间，等电流完全换向后再开通另一个管子。
| 参数 | 典型值 | 对PWM的影响 |
|---|---|---|
| 死区时间 | 100ns - 1μs | 太短会直通，太长会失真 |
| 体二极管反向恢复 | 30 - 100ns | 恢复慢会增加开关损耗 |
| 续流电流峰值 | 取决于电机电感 | 决定MOSFET的峰值电流定额 |
避坑指南： 我曾经在批量生产时发现一批板子电机噪音特别大。查了半天，发现是死区时间设置得太保守，导致PWM波形出现了明显的“台阶”。电机电流波形畸变，转矩脉动就大了。后来把死区时间从500ns调到200ns，问题解决。但前提是——你得确认MOSFET的开关速度跟得上。
2.5 小结
这一章我们聊了直流电机的等效模型、H桥的四种工作状态、MOSFET的三个关键参数，还有续流和死区的问题。这些东西看着基础，但实际项目中80%的PWM问题都出在这里。你想想看，如果连电机的时间常数都没算过，怎么定电流环带宽？如果连MOSFET的开关损耗都没估过，怎么选PWM频率？