使用功率MOSFET的强大30A直流电机驱动器

在本文中，我们将讨论如何构建功能强大的直流电机驱动器，该驱动器可以使用 Arduino 或 Raspberry Pi 等微控制器，甚至是独立的 PWM 发生器芯片进行控制。

直流电机无处不在，从业余爱好应用到机器人技术和工业领域。因此，对合适且功能强大的直流电机驱动器有广泛的用途和需求。在本文中，我们将学习构建一个。

您可以使用微控制器、Arduino、Raspberry Pi 甚至独立的 PWM 发生器芯片来控制它。通过使用适当的散热器和冷却方法，该电路可以处理高达 30A 的电流。

电路分析

该电路的核心是一个 IR2104 MOSFET 驱动芯片。它是一种流行且适用的MOSFET驱动器IC。电路原理图如图 1 所示。

图1

大功率直流电机驱动器示意图

根据 IR2104 数据表：“IR2104（S） 是高压、高速功率 MOSFET 和 IGBT 驱动器，具有独立的高侧和低侧参考输出通道。专有的 HVIC 和锁存免疫 CMOS 技术可实现坚固耐用的单片结构。逻辑输入与标准 CMOS 或 LSTTL 输出兼容，低至 3.3V 逻辑。输出驱动器具有高脉冲电流缓冲级，专为最小化驱动器交叉传导而设计。浮动通道可用于驱动工作电压为 10 至 600 伏的高端配置中的 N 通道功率 MOSFET 或 IGBT。”

IR2104 以半桥配置驱动 MOSFET。IRFP150 MOSFET 的高输入电容没有问题。这就是为什么像 IR2104 这样的 MOSFET 驱动器很有用的原因。电容 C1 和 C2 用于降低电机的噪音和 EMI。最大容许 MOSFET 电压为 100V。所以我至少使用了 100V 额定的电容器。如果您确定您的负载电压没有超过阈值（例如 12V 直流电机），那么您可以将电容器的电压降低到 25V，然后增加它们的电容值（例如 1000uF-25V）。

SD 引脚已用 4.7K 电阻下拉。然后您必须向该引脚施加稳态逻辑电平电压以激活芯片。您还必须将 PWM 脉冲注入 IN 引脚。

PCB Board

原理图的 PCB 布局如图 2 所示。它的设计旨在降低噪声和瞬态以帮助设备的稳定性。

图 2

为电机驱动原理图设计的 PCB 布局

我没有 IR2104 和 IRFP150组件的 PCB 封装和原理图符号。因此，我使用 SamacSys 提供的符号，而不是浪费我的时间并从头开始设计库。您可以使用“组件搜索引擎”或 CAD 插件。因为我使用 Altium Designer 绘制原理图和 PCB，所以我直接使用了 SamacSys Altium 插件 （图 3）。

图 3

IR2104 和 IRFN150N 的选定组件库

图 4 显示了 PCB 板的 3D 视图。3D 视图改进了电路板和元件放置的检查程序。

图 4

电机驱动器 PCB 板的 3D 视图

组装

因此，让我们构建和构建电路。我只是使用了一块半自制的 PCB 板，以便能够快速组装电路板并测试电路（图 5）。

图 5

设计的第一个原型（在半自制 PCB 上），俯视图

阅读本文后，您对电路的真实操作100% 确定。因此，将 PCB 订购到专业的 PCB 制造公司，例如 PCBWay，并享受您的焊接和组装板的乐趣。

图 6 显示了组装好的 PCB 板的底视图。正如你所看到的，一些轨道没有完全被阻焊层覆盖。原因是这些轨道可能承载大量电流，因此它们需要额外的铜支撑。

普通的 PCB 走线无法承受大量电流，最终会升温并烧毁。为了克服这一挑战（使用廉价的方法），您必须在未覆盖的区域焊接一根粗裸铜线（图 7）。这种方法增强了轨道的电流传输能力。

图 6

PCB 板原型的底视图，未覆盖的轨道

粗裸铜线

测试与测量

提供的 YouTube 视频演示了使用汽车挡风玻璃雨刷器直流电机作为负载对电路板进行的实际测试。我用函数发生器提供了 PWM 脉冲，并检查了电机线上的脉冲。此外，负载电流消耗与 PWM 占空比的线性相关性也得到证实。

材料清单

表 1 显示了物料清单。

表1

电路材料清单

审核编辑：郭婷