电机控制是几乎所有机电应用中电子设计的一个基本方面。机器人和电动汽车 (EV) 等领域需要对电机进行电路和固件控制，以可靠地影响给定设备的运动。
　　每种类型的电机都有自己的控制要求，需要独特的电路和理解才能正确运行。在本文中，我们将了解直流电机控制、H 桥电路以及互补PWM等控制技术。
　　H 桥工作原理——什么是 H 桥电路？
　　在驱动和控制直流电机时，基本、广泛使用的电路是H桥。TI 的数据表中提供了一个示例。
　　如图 1 所示，H 桥由四个开关组成，通常使用围绕直流电机的“H”形拓扑中的 金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET) 来实现。

　　图 1.用于直流电机控制的标准 H 桥电路
　　H 桥对于直流电机控制来说是一个有用的电路，因为它通过选择性地打开和关闭一系列这些开关来控制电机的方向和速度。

　　如图2所示，通过打开SW1和SW4，同时关闭SW2和SW3，我们可以控制电流沿特定方向流过电机，从而使其朝一个方向转动。

　　有选择地打开和关闭这些开关将控制电机的速度和方向
　　图 2. 有选择地打开和关闭这些开关将控制电机的速度和方向
　　要向相反方向转动电机，我们执行相反的操作，即关闭 SW1 和 SW4，同时打开 SW2 和 SW3。
　　非重叠或互补 PWM

　　实际上，H 桥中的开关实际上是使用 MOSFET 实现的，如图 3 所示。

　　使用 MOSFET 实现 H 桥
　　图 3. 使用 MOSFET 实现 H 桥
　　虽然情况并非总是如此，但H 桥通常设计为将高侧开关（即连接到 VDD 的 FET）实现为 PMOS 器件。而低侧开关（即连接至 GND 的 FET）则实现为 NMOS 器件。
　　当谈到驱动电机时，我们主要控制的两件事是它的速度和方向。为了在实践中做到这一点，使用 PWM 驱动 MOSFET 栅极是标准做法。通过 PWM，我们可以通过控制电机的占空比（即开启时间的百分比）来控制电机的速度，这样我们就可以根据需要为电机提供尽可能多或尽可能少的功率。
　　如图 3 所示，Q1 和 Q4 的栅极以及 Q2 和 Q3 的栅极由彼此互补的信号驱动。这种控制方案中，多个栅极由彼此异相 180°  [视频] 的 PWM 信号驱动，被称为互补 PWM。

　　如图 4 所示，此设置可确保当 Q1 的栅极为低电平时，Q4 的栅极同时为高电平。

　　互补 PWM 信号
　　图 4.互补 PWM 信号
　　由于 Q1 是 PMOS，Q4 是 NMOS，因此该动作同时闭合开关 Q1 和 Q4，从而允许电流正向流过电机。在此期间，Q2 和 Q3 必须打开，这意味着 Q2 的栅极为高电平，而 Q3 的栅极为低电平。
　　电机控制安全：PWM 直通
　　在 H 桥中使用互补 PWM 时的一个主要考虑因素是短路的可能性，也称为“击穿”。
　　如图 5 所示，如果同一支路上的两个开关同时打开，H 桥配置可能会导致电源和接地之间发生直接短路。

　　如果同一条腿上的两个开关同时打开，则可能会发生击穿

　　图 5.如果同一条腿上的两个开关同时打开，则可能会发生击穿
　　这种情况可能非常危险，因为它可能导致晶体管和整个电路过热并损坏。
　　由于固有器件延迟和栅极电容和二极管反向恢复效应等非理想因素，直通成为基于 FET 的 H 桥的主要考虑因素。这些影响的结果是MOSFET不是理想的开关，并且栅极控制信号打开/关闭与MOSFET本身打开/关闭之间存在很小的时间延迟。
　　由于这种延迟，互补 PWM 信号可能会意外地导致同一支路上的 H 桥 MOSFET 同时导通，从而导致击穿。
　　直流电机控制的 PWM 死区时间
　　为了解决 FET 非理想性引起的击穿问题，标准解决方案是在 PWM 控制中实现死区时间。
　　在直流电机控制中，死区时间是在驱动同一 H 桥臂上的开关的 PWM 信号的开关沿之间插入的一小段时间（图 6）。

　　互补 PWM 信号之间的死区时间。

　　图 6.互补 PWM 信号之间的死区时间。图片由Widodo 等人提供
　　通过在一个 FET 关闭和另一个 FET 导通之间留出一段时间缓冲，死区时间可确保同一支路上不会有两个晶体管同时导通，从而防止击穿。
　　虽然存在死区时间电路，但它通常在固件中实现，其中微控制器 (MCU)定时器可以在互补信号之间生成所需的死区时间。