STM32驱动直流电机的程序与电路设计（IR2110S自举电路+H桥+高级定时器和死区PWM）

本文介绍如何使用STM32F103单片机，通过官方固件库，设置高级定时器TIM1输出嵌入死区的互补PWM，来驱动直流电机的程序设计与电路设计。硬件电路采用IR2110S芯片作为mos管的驱动，驱动IRF840组成的H桥。IR2110S芯片使用中，有一个比较难理解的点——自举电容，本文对其原理也有涉及。

原理图文件

上图是系统的简化原理图，左侧是单片机。中间是IR2110S芯片，为了方便讲解，把芯片内部结构列出一些。右侧是MOS管组成的H桥。其中M是直流电机，有正反转。其中VCC是15V，MOTOR_VCC是24V，电压可以改变，最大不超过500V。单片机一般是3.3V或5V，无法直接驱动电机。可以借助H桥来实现对直流电机的控制。

H桥由于形似H得名。

VT1，VT4导通，电机正转

VT2，VT3导通，电机翻转

VT1，VT3导通，短路，板子烧坏

VT2，VT4，导通短路。

所以，驱动电机的问题就变成了MOS管导通的问题。

实际电路中我选用了IRF840，这是N沟道的MOS管。N-MOS导通的条件：VGS大于一定值

对于IRF840,VGS>10V

所以MOS管导通的问题就变成了VGS>10V的问题

如果，VT1与VT3都独立配置一个电源，独立配置一套驱动，导通问题就变得简单了。但是，电路设计会变得复杂。

我们使用1个驱动芯片IR2110S，一路驱动电源。

简单介绍下IR2110S芯片

IR2110是独立一桥臂双通道，栅极驱动，高压，高速单片机专用功率器件集成驱动电路。2片IR2110就能构成H桥驱动电路。

IR2110S是3.3V版本

感兴趣的可以自己来做个阅读理解。

简单来说，IR2110是个3.3V控制10-20V的一个驱动。开关速度也很快，120ns

内部结构

右上角的两个MOS管，中间是非门连接，不会同时导通。

中间一系列怎么变化，我也不是很清楚。

HIN是1，VM1导通，VM2截止。VB与HO连在一起

HIN是0，VM1截止，VM2导通。VS与HO连在一起

LIN是1，VM3导通，VM4截止。VCC与LO连在一起

LIN是0，VM3截止，VM4导通。LO与COM连在一起

先看下桥臂。左侧下桥臂导通，很简单：

LIN为高，VM3导通，VCC接在LO上（暂时忽略二极管压降），VGS= VCC，导通

上桥臂导通的情况，先假设没有电容。

VM1导通时，VCC接在HO上，为G极提供了接近15V的电压。但是，VS的电压是多少？不知道。

如果，VT3导通，VS就是0，VT1也导通了，烧坏。

如果VT4导通，VS通过电机接地（电机内部可以先等效为电阻）。但是VT1导通以后，VS接近24V，HO只有15V，VT1又截止了。电机还是不能工作。

我们面临的问题是，上桥臂没有地。怎么办？

这个时候，就需要自举电容。

VT4导通，VS接地。电容一端是地，一端是15V，所以VCC通过D给C充电。

又因为VM1导通，所以C横跨在GS上。所以，C可以作为电压源，为GS供电。这是一个悬浮的电压源。

VT1导通后，VS接近24V，不再是地。所以VCC15无法为G提供足够的电压。

自举电容可以放电维持VT1工作，电容存有15V的电，可以保持MOS管的导通。由于电容两极的压差不能突变，而电容下边变成了对地24V（暂不考虑MOS管压降），所以这一瞬间，电容上边的电压是对地39V。这时，VCC无法为电容充电。由于二极管的存在，电容的电不会倒灌给VCC。

电容电量又是有限的，放电会导致电容的电压降低。等到两级压差不到10V的时候，VT1又不工作了。并且，此时IR2110芯片内部的欠压检测逻辑就会工作，把HO拉到VS，让VGS=0。

所以，自举电容电压小于10V之前，要充电。如果HIN一直是高电平，电容就没有充电的机会，等到自举电容的的电压跌落到某个阈值以下，HO就变为低电平。

此时可以关掉VT1，也就是断开VM1，VB与HO断开，不论是VCC还是电容都不再为G极提供电源。如果此时打开VT3，让VS接地，则电容一边是高电平，一边是低电平，开始充电。然后再断开VT3，打开VM1，VT4保持不变，让电容放电维持VT1导通，就可以循环往复，保持电机运行。

即，VT1的导通要依靠电容放电来维持。HIN不能为持续的高电平，占空比也不能达到100，或低频的PWM（频率低，一个周期内放电时间长）。必须是高频的PWM，保证自举电容有周期性的，足够的充电时间，才能维持较高的悬浮电源电压。

除此之外，还要注意死区问题，由于绝对不可以把同侧桥臂的上下半桥同时打开，而IR2110S，MOS管与电机切换状态都存在延时，导致从程序命令某半桥关断，到实际关断，有一段时间的延迟。例如，在延迟期间，上半桥正在关闭，下半桥暂时还不能打开，直到上半桥完全关闭，下半桥才能打开。中间等待的这段时间，就是死区。死区时间与硬件密切相关。笔者手上就有两个不同型号的电机，一个在3us的死区时可以工作，另一个则不可以。

所以，写程序要注意到上下桥不能同时导通，高频，不能是100的占空比，以及死区这几个问题。接下来尝试用STM32的高级定时器，输出嵌入死区的互补PWM。

以下是定时器1的初始化代码，使用两个通道输出PWM，一个周期是100us，频率是10KHz，3us的死区时间。默认通道一的占空比是50%，通道2的占空比是0%，让电机以47%（占空比减去死区）的速度正转。

通道2输出占空比是0，可以让右侧上半桥总是截止，下半桥总是导通。下半桥没有自举电容。如此一来，只需要左侧上半桥导通，就可以让电机正转。控制左侧桥臂的占空比，就能控制电机的占空比。

定时器1的通道1引脚是PA8PB13，通道2的输出引脚是PA9PB14。

void PWM_Configuration(void){GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_BaseInitStructure;TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;TIM_BDTRInitTypeDef TIM_BDTRInitStructure;NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;//开启TIM和相应端口时钟//启动GPIORCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);//启动AFIORCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);//启动TIM1RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE);//GPIO做相应设置，为AF输出 //PA8，PB13一组互补输出 A9，PB14一组互补输出//PA.8/9口设置为TIM1的OC1输出口GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_9;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //复用推挽输出GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);//PB.13/14口设置为TIM1_CH1N和TIM1_CH2N输出口GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14;GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_8 | GPIO_Pin_9);GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_13 | GPIO_Pin_14);NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_1); NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM1_UP_IRQn; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);//TIM1基本计数器设置（设置PWM频率）10KHz TIM_BaseInitStructure.TIM_Period = 100-1;//10khz 好计算。按照1%的精确度，理论最大72000/100 = 720KHzTIM_BaseInitStructure.TIM_Prescaler = 72-1;TIM_BaseInitStructure.TIM_ClockDivision = 0;TIM_BaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;//向上计数TIM_BaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_BaseInitStructure);//启用ARR的影子寄存器（直到产生更新事件才更改设置）TIM_ARRPreloadConfig(TIM1, ENABLE);//TIM1_OC1模块设置（设置1通道占空比）TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;//TIM脉冲宽度调制模式1TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;//输出通道使能TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState = TIM_OutputNState_Enable;//互补输出TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity = TIM_OCNPolarity_High;//TIM输出比较极性高//TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Set;TIM_OCInitStructure.TIM_OCIdleState = TIM_OCIdleState_Reset;TIM_OCInitStructure.TIM_OCNIdleState = TIM_OCNIdleState_Reset;TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 50;//待装入捕获比较寄存器的脉冲值TIM_OC1Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure);//启用CCR1寄存器的影子寄存器（直到产生更新事件才更改设置）TIM_OC1PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable);//TIM1_OC2模块设置（设置2通道占空比）TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState = TIM_OutputNState_Enable;TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;TIM_OC2Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure);//启用CCR2寄存器的影子寄存器（直到产生更新事件才更改设置）TIM_OC2PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable);//OCx输出信号与参考信号相同，只是它的上升沿相对参考信号的上升沿有一个延迟//OCxN输出信号与参考信号相同，只是它的上升沿相对参考信号的下降沿有一个延迟//死区设置TIM_BDTRInitStructure.TIM_OSSRState = TIM_OSSRState_Enable;TIM_BDTRInitStructure.TIM_OSSIState = TIM_OSSIState_Enable;TIM_BDTRInitStructure.TIM_LOCKLevel = TIM_LOCKLevel_2;//bit7~5 = 111,则deadtime = (32 + (bit4~bit0)* 16*1/fosc)ns = (32+31)*16*1/72000000 = 14usTIM_BDTRInitStructure.TIM_DeadTime = 0xab; //这里调整死区大小0-0xff3usTIM_BDTRInitStructure.TIM_Break = TIM_Break_Disable;TIM_BDTRInitStructure.TIM_BreakPolarity = TIM_BreakPolarity_High;TIM_BDTRInitStructure.TIM_AutomaticOutput = TIM_AutomaticOutput_Enable;TIM_BDTRConfig(TIM1, &TIM_BDTRInitStructure);//TIM1_OC通道输出PWMTIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, ENABLE);//TIM1开启TIM_Cmd(TIM1, ENABLE);}

从上图中，可以清楚地看到，单片机输出的上、下桥臂控制信号，不存在同时为高电平的时候，也就是同侧上下桥臂不会同时导通。切换状态时，某半桥臂的控制信号拉低3us以后，另半桥臂的控制信号才能拉高，这就是所谓的带死区的互补PWM。

上图是输出的电机控制电压。可以看出周期是100us，高电平持续时间大约一半。

初始化之后，在程序运行时，可以调用

TIM_SetAutoreload(TIM1,xx);

来设置自动重装值。在初始化的时候把此值设置为了100，如果改为80，效果如下：

可以看出，一个周期变成了80us。

也可以使用函数

TIM_SetCompare1(TIM1,xx);TIM_SetCompare2(TIM1,xx);

来分别为通道1与通道2设置比较值。例如，把比较值设置为80，而自动重装值还是100，那么占空比就是80%了。

下边是用按键控制电机的一个小demo。实现了按键1启停，按键2切换正反转，按键34增减转速的功能。

int main(void){ static u8 motorValue = 50,oldvalue = 50;static u8 startStop = 1,dir = 1;//startStop = 1启动 =0停止 dir =1 正转volatile u8 key = 0;NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级，2位响应优先级LED_Init();KEY_Init();delay_init();PWM_Configuration();Motor_IO_Init();LED1 = LED_ON;while(1) {key = KEY_Scan(0);if(key){switch(key){case KEY1_PRES:startStop = !startStop;break;case KEY2_PRES:dir = !dir;break;case KEY3_PRES:motorValue += 5;break;case KEY4_PRES:motorValue -= 5;break;default:break;}if(motorValue>249)//<0motorValue = 0;else if(motorValue >94)motorValue = 94;if (startStop){if(dir){TIM_SetCompare2(TIM1,0);delay_ms(500);TIM_SetCompare1(TIM1,motorValue);}else{TIM_SetCompare1(TIM1,0);delay_ms(500);TIM_SetCompare2(TIM1,motorValue); }}else{TIM_SetCompare1(TIM1,0);TIM_SetCompare2(TIM1,0);} }}}//S1 启动&停止 S2翻转 S3+5 S4-5

完整的原理图文件在这里

新增了一个用集成芯片的驱动方案链接