玩机器人，一定要懂电机驱动的关键控制、续流、刹车和H桥

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大家好，我是EE小新。

现在机器人的硬件工程师的岗位很多，薪资也很高。行走车轮、底盘行进、云台转动、动力推送结构普遍使用直流电机；动力强、调速便捷。机械臂关节、精准定位组件、镜头微调、精密移位机构采用步进电机，定位精度高。二者都属于感性负载，工作换相断电易产生反向电动势，电路必须做好续流防护，避免烧毁驱动元件。

今天分享一篇关于电机续流和衰减模式的文章，作者是戴观祖Garrick Dai。

直流（有刷）电机和步进电机驱动的最重要性能指标就是效率、振动和噪音。而对这些性能影响非常大但又往往容易疏忽的就是续流Current Recirculation的控制，通过深入理解续流以及各衰减模式Decay Mode的优缺点和适用性，以据此进行更为复杂灵活的续流控制，就更能够适应不同参数的电机，从而达到效率、振动和噪音的最佳平衡。本文从电机等效电路角度去分析和解释不同续流模式，易于从本质上理解掌握。同时本文也进一步解释电机的刹车机制，以及容易造成混淆的刹车和续流的区别和分析。

1. 直流（有刷）电机和步进电机驱动拓扑

如下图所示，直流有刷电机由一个全桥电路驱动单个电机线圈。通过同时打开蓝色虚线框FET驱动管或红色虚线框FET驱动管可分别控制电机的正反转，而通过在FET驱动管加载不同Duty的PWM，可对电机调速（本文图中PWM仅为示意，并非只是一路）。

类似的，典型的（两相）步进电机有两个电机线圈，由两个全桥电路分别控制两个电机线圈A相和B相，通过在A、B相加载相位差90度PWM波来控制步进电机的转速，A、B相相位超前或落后90度控制电机方向，而在在每步驱动内加载不同Duty的（频率更高）PWM载波，来控制电机电流。

2. 什么是电流续流

以直流有刷电机为例，如下图。首先AH,BL的FET打开，电流从VM由左往右到地，这是电机驱动阶段 Driving/Drive。然后关闭所有FET，此时电机的线圈电感效应，电流会继续从左到右流动并衰减Decay。而电流衰减有两种途径，一是通过FET的体二极管衰减，如图二中间示意，由地到VM，这是异步衰减。二是通过打开BH、AL的FET，电流还是由地到VM，这称为同步衰减。这种异步衰减和同步衰减的途径就是电流续流Current Recirculation。显而易见，异步衰减经过FET体二极管，压降大所以损耗（2*I*VD）也大，而同步衰减经过FET的Rdson，一般内阻较小所以损耗（I^2*Rdson*2）也小。后文主要以同步衰减来说明。

为方便下文展开，先介绍下电机驱动和电流衰减的几个关键参数 – ITRIP、tDRIVE、tBLANK、tOFF。下图中黄虚线ITRIP就是本时段内系统/驱动芯片设定的电流，ITRIP按照电机驱动算法或电流控制而变化，下图就是往上台阶增长例子。tDRIVE是驱动阶段的时间，这里需要注意起始有个tBLANK时间（一般几个us以内），主要是为了避开（驱动阶段）驱动管打开时刻的Overshoot等噪音毛刺，系统/驱动芯片会强制忽略掉这段时间而不检测相电流等。经过tBLANK后就是剩余的驱动阶段。当然有些情形下tDRIVE只有tBLANK时间而直接省略后续。tOFF 是电流整个续流时段。所以tDRIVE+tOFF 就是加载的 PWM 的周期。PWM 周期可以是固定的或可变的，取决于系统需要。

图二 B：关键参数说明

3. 电流续流的衰减模式

电流续流一般有三种控制模式 --- 慢衰减Slow Decay、快衰减Fast Decay和混合衰减Mixed Decay。这里的所谓“快”“慢”是指续流期间电流衰减的相对快慢。

3.1 慢衰减 Slow Decay

首先正常驱动阶段Driving如图三左红色电流方向（AH、BL打开），然后关掉AH、BL，并打开下桥臂的 AL、BL两个驱动管，电流继续从左往右经过线圈顺时针闭环慢衰减，如图蓝色电流。对应的电机相电流（下文简称相电流）波形是先驱动阶段（Driving）上升，如图三左下，当相电流上升到预设的ITRIP阈值或以上时，就进入续流阶段。可以理解的是，若经过tBLANK时间后相电流已经到达（或超过） ITRIP 阈值时，就没有后续的Driving阶段而直接进入续流阶段，如图三左下波形图的第二个PWM周期。所以 tBLANK也是驱动信号PWM最小的ON时间。综上，慢衰减模式主要是通过下桥臂的两个驱动管来续流，相电流的纹波相对较小。

当相电流处在上升或下降期间（ITRIP处于变大或变小的时期），慢衰减模式下的相电流变化如图三右所示。在相电流的上升期，ITRIP增大会导致该PWM周期内续流提前结束从而进入下一个PWM的驱动Driving阶段。同理，在相电流的下降期ITRIP减小时，也会导致该PWM周期里的续流时间tOFF需要拉长以达到当前的ITRIP，这在可变周期的PWM控制技术常见。当然图中只是示意，对于每个ITRIP台阶变化，相电流也可以经过多个 PWM周期调整到达下个ITRIP。

3.2 快衰减 Fast Decay

还是先正常驱动阶段Driving，如图四红色电流方向（AH、BL打开），然后关掉AH、BL，并打开斜对称的BH、AL两个驱动管，电流继续从左往右经过线圈、从地端到电源VM端快衰减，如图中蓝色电流方向。

对应的相电流波形如图四左下，是先Driving驱动阶段，然后快衰减直到零，并保持（如把全桥驱动管都关掉），不会出现反向电流。当然图中只是举例示意，并不一定是快衰减都能在续流时间内到零。快衰减模式主要是通过斜对角的两个驱动管来续流，快衰减模式下相电流的纹波相对较大。

当相电流处在上升或下降期间（ITRIP变大或变小时期），快衰减模式下的相电流变化如图四右所示。在相电流的上升期，ITRIP增大会导致该PWM周期内的续流需要提前结束（相比慢续流提前更多），从而进入下一个PWM的驱动Driving 阶段。另外在相电流的下降期 ITRIP减小时，快续流相对于慢续流更快达到当前的 ITRIP，从而可能不需要延长续流时间tOFF。

3.3 混合衰减 Mixed Decay

顾名思义，先正常驱动阶段Driving如图五红色电流方向（AH、BL打开），然后关掉AH、BL，并打开斜对称的BH、AL两个驱动管快衰减，经过一段时间TDECAY后，关掉BH并打开BL（此时AL保持打开），电流继续从左往右经过线圈顺时针的慢衰减。对应的相电流波形是先Driving驱动阶段，然后先快衰减，持续TDECAY时间，接着切换到慢衰减。混合衰减模式下相电流的纹波介于快衰减和慢衰减之间。TDECAY时间可根据电机及应用场景来设置调整。

图五：混合衰减 Mixed Decay

当相电流处在上升或下降期间（ITRIP变大或变小时期），混合衰减模式下的相电流变化如图五右所示。在相电流的上升期，ITRIP增大会导致该PWM周期内的续流需要提前结束（介于慢衰减和快衰减之间），从而进入下一个PWM的驱动Driving阶段。另外在相电流的下降期ITRIP减小时，混合衰减介于快衰减和慢衰减之间达到当前的ITRIP。同时无论哪种续流模式，tBLANK时间是无法取消或提前的（但可动态调整），是tDRIVE的开始部分，也就是最小ON Duty。统筹考虑tBLANK、tDRIVE、tOFF、TDECAY及PWM周期等时间的控制，来确保相电流有效地、及时地控制到当前设定的ITRIP阈值，以达到精确的快速响应的电流环控制。综上，相对来说，慢衰减较为适合相电流上升期，快衰减较为适合相电流下降期，而混合衰减介于两者之间。下表一是三种衰减模式的优缺点对比。对于简单电机驱动系统而言，选取一个合适的衰减模式固定即可。对于相对复杂的控制，可以在相电流上升和下降期，采用不同衰减模式，而对于更复杂控制，可以进一步控制PWM周期、TBLANK、tDRIVE、tOFF等时间来达到最优化效果。

4. 电机及续流阶段的等效电路

以有刷电机单线圈为例，如下图。电机本身可以等效于三部分组成：线圈内阻RM、线圈电感L和电机反电动势BEMF。其中BEMF电压等于电机反电动势常数Kt乘以转速（Hz），也就是和电机转速成正比。图中也考虑进去两个驱动管的内阻RDSON，所以Driving驱动阶段的基本等效电路如下图右，等效公式：Vs=I*R + L*di/dt + VBEMF。本文按Vs=VM分析。这里I即为IDECAY。

图六：电机（一相）等效电路

可以理解的是，I*R电压一般较小，当电机处于启动或低转速期间时，反电动势很小，大部分电压会加载到L*di/dt，电流急速上升。而当电机处于最高转速时，反电动势最大，电感电压则最小，电流变化斜率相对较小。在续流阶段，也就是PWM周期的OFF时间段内，电机转速变化不大，反电动势变化不大（或略微降低）。对于慢衰减续流，如下图，相当于Vs接地，此时慢衰减的电感电压VL=L*di/dt =I*R+VBEMF ，但极性反向，所以续流电流是下降的。相比于Driving驱动阶段的电感电压VL = Vs - I*R - VBEMF，在中低转速下VBEMF不大，慢衰减阶段的电感电压较小，IDECAY下降斜率较（Driving驱动阶段）缓慢。

图七慢衰减等效电路

对于快衰减续流，如下图八等效电路，需要注意，此时VS反向加载于电机，快衰减阶段的电感电压 VL=L*di/dt = Vs + VBEMF + I*R。相比于 Driving 驱动阶段的电感电压（ Vs - VBEMF - I*R）较大，更是比慢衰减阶段的电感电压（I*R+VBEMF）大很多，所以IDECAY下降速度最快，也就是称之为“快” 衰减。这也说明了上文提到的快衰减较适合大电感电机，而慢衰减较适合小电感电机。

5. 电机Brake刹车及与Decay续流的差异理解

续流是PWM的OFF时间段，时间非常短，比如50us（在20KHz PWM），而电机刹车的时间相对会长很多，从几秒甚至几十秒。两者时间级上完全不一样。在续流阶段时间内，转速变化非常小，基本可以忽略 VBEMF的变化。还是以直流有刷电机为例。如下图九，当电机从正常运行状态（Driving驱动阶段）到把全桥驱动管全部关掉OFF，此时若考虑FET体二极管则继续异步衰减，续流结束后电机就是完全开路状态，反电动势能量无处释放，只有电机本身的摩擦阻力让电机缓慢停下来。

图九惯性运转 Coasting

而对于刹车，如下图十，电机从正常运行状态切换到只打开下桥臂驱动管并保持住，在刹车切换前（驱动阶段结束）时刻， VM=I*R + L*di/dt + VBEMF，此时转速最大VBEMF最大，电感电压很小忽略，电机相电流近似于IDRIVE=(VM- VBEMF)/R。切换后，也就是和慢衰减一样的电路，电机相电流先慢续流直到0（可能持续多个 OFF时间），续流结束。然后电机自身的反电动势通过低边驱动管形成回路，相当于发电机，电流反向，如图十中间的红色刹车电流。

图十刹车 Braking

这时如图十右，VBEMF=VL+I*R，电流 IBRAKE从 0 开始迅速增大到最大，VL迅速从此刻(VL=VBEMF)降低到0，但是在这个短时间段内（如毫秒），电机转速略微降低（或忽略），所以反电动势略微降低（或不变），VBEMF仍然是最大。此时刻（VL降到0时）刹车电流最大IBRAKE = VBEMF/R。相比较于刹车前时刻的相电流 IDRIVE = (VM- VBEMF)/R，IBRAKE后可能是几倍于 IDRIVE。下图十一波形是实际的有刷电机的刹车时刻的波形。黄色波形是电机相电流，可以看到刹车时，IDRIVE从不到1A先续流到0，接着相电流反向直到最大IBRAKE刹车电流，大约6A。在刹车阶段，“负载”即内阻R较小，I^2*R损耗较大，反电动势能量快速耗尽，刹车电流继续（相对于惯性运转）快速地降到0。这里要考虑到电感L，所以刹车电流是类似震荡阻尼下行的到0的。类似于下图中黄色的相电流波形。这个过程就是刹车。