在电机控制领域，MOS 管 H 桥驱动电路是一种非常重要的电路结构，它在实现电机的正反转、调速等功能方面发挥着关键作用。本文将详细介绍电机控制中的单极模式和双极模式，包括各自的优势与缺点，以及 PWM 信号的应用。同时，会特别关注如何通过自举电路解决上桥臂 MOS 管驱动的问题，以及 STM32 在 H 桥电路设计中的角色。

图 1：MOS 管 H 桥驱动电路

单极模式

单极模式下，电机电枢驱动电压极性是单一的。这种模式具有诸多优点，它启动速度快，能够实现加速、刹车以及能耗制动和能量反馈等功能。虽然其调速性能相比双极模式稍逊一筹，但差距并不显著，并且电机特性也较为良好。在负载超速时，单极模式还能提供反向力矩。然而，单极模式也存在一些缺点，在刹车时，它无法将电机速度减速到 0，当速度接近 0 时就没有制动力了，同时也不能实现突然倒转，动态性能欠佳，调速静差也稍大。

图 2：单极模式电路
在单极模式中，PWM 和 PWMN 是互补的 PWM 信号，一般使用控制定时器的通道和互补通道进行控制。当 PWM 为高电平时，MOS 管 1 和 4 导通，MOS 管 2 和 3 截止，电流从电源正极出发，经过 MOS 管 1，从左到右流过电机，再经过 MOS 管 4 流入电源负极。当 PWM 为低电平时，MOS 管 2 和 4 导通，MOS 管 1 和 3 截止，根据楞次定律，由于存在自感电动势，电流仍然从左到右流过电机，经过 MOS 管 4 和 MOS 管 2 形成电流回路。

双极模式

双极模式下，电枢电压极性是正负交替的。其优点十分突出，能够实现电机的正反转运行，启动速度快，调速精度高，动态性能良好，调速静差小，调速范围大，还能实现加速、减速、刹车、倒转等功能。在负载超过设定速度时，双极模式能提供反向力矩，并且能够克服电机轴承的静态摩擦力，产生非常低的转速。不过，双极模式也有明显的缺点，其控制电路较为复杂，在工作期间，4 个 MOS 管都处于工作状态，功率损耗大，电机容易发烫。

图 3：双极模式电路
在双极模式中，PWM1 和 PWM1N、PWM2 和 PWM2N 是 PWM 互补通道。使用控制定时器通道和互补通道进行控制时，PWM1 和 PWM2 周期相同，占空比相同，但极性相反，这使得对角线上的两个 MOS 管能够同时导通和关断。不过，这里可能会有人产生疑问，电机是如何实现反转的呢？是不是 PWM1 高电平时正转，低电平时就反转了呢？实际上，通过改变 PWM 信号的占空比和极性，可以控制电机的转速和转向。当 PWM1 和 PWM2 的占空比和极性不同时，电机就会朝着不同的方向转动。

高低端 MOS 管导通条件

要使 MOS 管导通，需要满足一定的条件。对于高端 MOS 管，通常使用栅极驱动芯片，并通过自举电容来实现导通。自举电容利用了电容两端电压不能突变的特性，使 VB 和 VS 的电压差维持在一个 VCC 值，而 VB 的值相当于 HO 高电平时的电压，这样高端 MOS 管 Vgs 的电压差也是一个 VCC 值，从而使高端 MOS 管能够导通。对于低端 MOS 管，根据栅极驱动芯片的引脚特性，LO 高电平时的电压就是 VCC 的电压，由于低端源极接地，Vgs 的电压差也是一个 VCC 值，所以低端 MOS 管也能导通。

H 桥电路设计

在 H 桥电路设计中，假设图中 N - MOS 管的 Vgs 阈值为 3V，VCC = 24V。对于下桥臂 Q2 MOS 管，可以使用 STM32 芯片引脚直接控制，因为 STM32 的 PWM 高电平是 3.3V，足够使 N - MOS 管导通。然而，上桥臂 Q1 MOS 管无法直接使用 STM32 芯片引脚使其导通。假设 Q1 导通，漏极 D 和源极 S 电压几乎相等（Rds 非常小），即 VA = VCC = 24V，这样要求 Vg >= VA + Vgs = 27V。简单来说，只有当 Vg 大于 27V 时，Q1 才能导通，小于 27V 则截止。因此，需要一个电路将 STM32 的 3.3V PWM 信号升压到 27V，这个电路可以用自举电路来实现。在实际电路设计中，一般把 Vgs 设置为 10 ~ 20V，以保证 MOS 管完全导通。需要注意的是，当 MOS 管完全导通时，其内阻 Rds 一般较小，在几毫欧左右，相当于一根导线。但当 MOS 管不完全导通，即 Vgs 小于开启电压时，MOS 管处于不完全导通状态，内阻会比较大，而电机驱动板的电流也比较大，此时 MOS 管的发热会非常严重，很可能会烧坏芯片。

自举电路

自举电路是解决上桥臂 MOS 管驱动问题的关键。芯片在 Vcc 和 VB 脚之间接了一个二极管，在 VB 和 VS 之间接了一个电容，这样就构成了一个自举电路。其作用是由于负载（电机）相对于上桥臂和下桥臂 MOS 位置不同，而 MOS 的开启条件为 Vgs > Vth，这会导致想要上桥臂 MOS 导通，其栅极对地所需的电压较大。下桥臂 MOS 源极接地，想要导通只需要令其栅极电压大于开启电压 Vth。而上桥臂 MOS 源极接到负载，如果上桥臂 MOS 导通，那么其源极电压将上升到 H 桥驱动电压也就是 MOS 的供电电压，此时如果栅极对地电压不变，那么 Vgs 可能小于 Vth，MOS 管就会关断。因此，想要使上桥臂 MOS 导通，必须想办法使其 Vgs 始终大于或一段时间内大于 Vth（即栅极电压保持大于 MOS 管的电源电压 + Vth）。

图 6：自举电路
综上所述，MOS 管 H 桥驱动电路在电机控制中具有重要的应用价值，但在设计和使用过程中，需要充分考虑单极模式和双极模式的特点、高低端 MOS 管的导通条件、H 桥电路的设计以及自举电路的应用等因素，以确保电路的稳定运行和电机的良好性能。