电机与执行器电路¶

执行器电路负责把低能量逻辑命令变成电机、舵机、电磁阀或加热器所需的电压与电流。核心不是“能转起来”，而是堵转、制动、反转和故障时仍可控。

一、先从负载决定驱动拓扑¶

负载	需要的电路	常用器件类别
单向直流风扇/泵	单个低边或高边 MOS	逻辑级 MOS、栅极驱动器、续流/TVS
有刷直流电机正反转	H 桥	集成 H 桥；预驱 + 4 个功率 MOS
两相步进电机	两个 H 桥 + 恒流斩波	步进电机驱动芯片
三相 BLDC/PMSM	三相半桥 + 电流/位置检测	三相栅极驱动器 + 6 个 MOS，或 ESC
RC 舵机	稳定大电流电源 + PWM 信号	独立 BEC/DC-DC、分支保护
智能伺服/驱动器	电源 + CAN/RS485/EtherCAT 等	外置驱动器，主板提供通信和使能
继电器/电磁阀	低边 MOS + 续流/快速钳位	N-MOS、二极管/TVS
加热器	MOS + 温度/电流硬件保护	MOS、保险、温控器/比较器

负载数据至少包含：

正常/最大电压
空载、额定、启动、堵转电流
允许 PWM 频率
电感和回生特性
连续/间歇工作制
温升、散热和机械失效后果

二、为什么必须按堵转与回生设计¶

2.1 堵转电流¶

有刷直流电机静止时反电动势为零，近似：

\[I_{stall}\approx\frac{V}{R_{winding}+R_{wire}+R_{driver}}\]

它可能是额定电流的数倍到十几倍。驱动器的峰值电流、MOS SOA、分流器、连接器、保险和电源压降都要围绕这个值检查。

软件限流并不能免除硬件能力，因为：

上电到 ADC/控制循环生效需要时间；
电流采样可能饱和或接反；
MCU 可能死机；
短路上升时间远快于普通软件循环；
驱动器在保护动作前仍承受一个脉冲能量。

2.2 回生与制动¶

电机减速时成为发电机，能量回到直流母线：

电池通常能吸收一部分回生，但 BMS 可能禁止充电或在满电时断开；
实验电源往往只能供电不能吸收电流，母线会被顶高；
长线和母线电感会叠加尖峰；
需要母线电容、TVS/制动电阻/能量回馈路径或驱动器过压策略。

不要只按电池满电 25.2 V 给 MOS 选 30 V 耐压。先测和计算制动/热插拔残余尖峰，再留可验证的耐压裕量。

三、有刷直流电机 H 桥¶

3.1 H 桥能做什么¶

开关状态	电机状态
Q1 + Q4	正转
Q2 + Q3	反转
全关	滑行，具体电流路径由体二极管/驱动模式决定
两个低边或两个高边按策略导通	动态制动

同一桥臂上下 MOS 同时导通会把电源直接短路，称为直通。驱动器必须保证死区和正确时序。

3.2 集成 H 桥还是分立 MOS¶

方案	优点	适合
集成 H 桥	死区、栅驱、保护常已集成，调试简单	小中功率、首版、空间有限
栅极驱动器 + 外置 MOS	电流与散热可扩展	较大功率、需精确优化
成熟外置驱动模块	风险低、功率与逻辑分开	高电流、机器人首个版本

驱动芯片选型检查：

VM 工作范围覆盖电池和回生；
峰值电流的持续时间定义，不要把毫秒峰值当连续能力；
总导通电阻及其高温最大值；
PWM 频率、输入逻辑、衰减/整流模式；
欠压、过温、过流、短路保护；
电流检测方式与故障输出；
封装裸露焊盘、铜面积和热过孔要求。

3.3 损耗初算¶

MOS 导通损耗：

\[P_{cond}\approx I_{RMS}^2R_{DS(on)}D\]

H 桥电流通常经过两个导通器件，要计算两者总损耗。还需加：

开关过渡时电压电流重叠的开关损耗；
栅极充放电损耗；
体二极管/同步整流损耗；
分流电阻和铜箔损耗。

数据手册标注的连续电流往往基于理想散热。真正限制通常是结温和 PCB 温升。

3.4 母线与布局¶

驱动芯片/半桥紧靠电机连接器与母线电容；
高频陶瓷电容贴近 VM-GND 功率脚；
大容量储能电容靠近功率级，容量由线长和负载阶跃决定；
高 di/dt 回路最小，逻辑/ADC 远离开关节点；
裸露焊盘按手册铺铜并打散热过孔；
功率地回到电源入口，不穿过 MCU 区；
电流采样使用 Kelvin 连接。

四、无刷电机与 PMSM¶

三相驱动不只是“六个 MOS”：

flowchart LR
    BUS[直流母线与电容] --> INV[三相半桥]
    GATE[栅极驱动 / 自举 / 死区] --> INV
    INV --> MOTOR[BLDC / PMSM]
    MOTOR --> POS[霍尔 / 编码器 / 反电势]
    INV --> CS[相电流 / 母线电流采样]
    CS --> CTRL[MCU FOC / 六步控制]
    POS --> CTRL
    SAFE[硬件过流 / 过压 / 过温] --> GATE

4.1 首版为什么优先外置 ESC/伺服驱动器¶

功率级需要验证栅极波形、死区、dv/dt 误导通和短路保护；
电流采样要在高共模 PWM 环境下保持精度；
PCB 寄生会决定过冲、EMI 和 MOS 压力；
固件错误可能直接造成桥臂直通；
高电流调试需要差分探头、电流探头和安全测试条件。

主控板可只提供：

CAN/RS485/PWM 命令
硬件 EN / 急停链
FAULT / READY 反馈
低功率辅助电源（若驱动器规范允许）

真正自研三相功率板时，应把它作为单独项目，先做双脉冲测试、硬件过流、空载低压、带载和热测试。

五、步进电机¶

步进电机常用专用恒流斩波驱动器，而不是只给线圈串电阻：

MCU STEP/DIR/EN → 步进驱动器 → A+/A-/B+/B- 两相线圈
                         ↑
                   Rsense / Vref 设定电流

5.1 为什么电源电压可高于线圈额定电压¶

线圈电感限制电流上升速度。驱动器用较高母线电压快速建立电流，再通过斩波保持设定值，从而改善高速转矩。前提是：

驱动器有可靠恒流控制；
电流限值按电机每相额定电流设置；
VM 不超过驱动器和电容耐压；
制动/减速回生不让母线过压。

5.2 电流设定¶

具体关系取决于驱动芯片，通常涉及参考电压、分流电阻和内部增益：

\[I_{trip}=f(V_{REF},R_{sense},Gain)\]

必须使用目标芯片手册公式。还要区分峰值相电流与 RMS 电流，不要直接把驱动器丝印电流当电机安全值。

5.3 接口与布局¶

EN 外部电阻默认关闭；
STEP 的最小高/低脉宽和建立保持时间满足；
微步配置脚有确定默认态；
分流电阻靠近芯片并 Kelvin 连接；
VM 去耦和母线电容靠近功率脚；
电机插拔应断电，线圈开路瞬态可能损坏驱动器。

六、舵机和智能执行器¶

6.1 RC 舵机¶

舵机接口通常是电源、地、PWM：

独立 5~8.4 V 大电流电源 ── 分支保险/开关 ── 舵机 V+
系统 GND ────────────────────────────── 舵机 GND
MCU PWM ── 串阻/缓冲 ───────────────── 舵机 Signal

关键点：

电压范围按具体舵机，不能默认所有舵机都是 5 V；
多舵机电源按可能同时堵转的峰值设计；
不从 MCU 板的小型 5 V LDO 供电；
每组舵机可加保险/eFuse，避免一个短路拖垮整机；
大电流回流不经过 MCU 地的细颈；
舵机掉电时 PWM 信号可能反灌，检查串阻、缓冲器与供电次序。

6.2 CAN/RS485 智能伺服¶

动力电源与通信线分开规划，连接器防误插；
总线终端只放物理两端；
驱动器的硬件 EN/STO/急停接口优先于普通软件命令；
FAULT、READY 和制动器状态接回主控；
上电顺序明确：辅助电源、通信就绪、解除急停、最后使能功率；
掉电顺序考虑机械抱闸和重力负载。

七、电磁阀、继电器、风扇与加热器¶

7.1 电磁阀和继电器¶

使用低边 MOS + 续流钳位，按线圈电流和释放速度选择钳位：

钳位	特点
普通续流二极管	MOS 压力低，但线圈电流衰减慢
二极管 + 齐纳/TVS	钳位更高，释放更快
专用低边驱动器	常集成限流、钳位、诊断，适合多通道

若阀门断电必须快速复位，应实测释放时间，而不是只确认 MOS 不发热。

7.2 风扇¶

两线风扇可切电源/PWM，但不是所有风扇都允许高频断电 PWM；
三线风扇多一个转速输出，常为开漏，需要上拉；
四线风扇有独立 PWM 控制输入，按接口规范的频率与电平驱动；
启动电流高于运行电流，堵转检测不能只看测速脉冲瞬时缺失。

7.3 加热器¶

加热器看似纯电阻，却属于高能负载：

MOS 和走线按持续电流与热设计；
独立保险靠近电源；
温度传感器开路/短路都要进入安全关断；
硬件超温比较器或温控器串入使能；
软件控制失效时不能无限加热；
PWM 频率兼顾热惯性、MOS 损耗和电源扰动。

八、硬件使能、制动与故障¶

执行器接口至少包含：

信号	作用
EN	硬件允许功率输出，默认禁止
PWM/STEP/DIR/命令总线	正常控制命令
FAULT	过流、过温、欠压等故障反馈
CURRENT	电流监测或限流反馈
TEMP	驱动器/电机温度
BRAKE/STO	机械制动或安全扭矩关断（若驱动器支持）

设计状态机：

上电 → EN 保持关闭 → 通信/传感器自检
→ 急停链正常 → 人工/上层授权 → 允许使能
→ 故障立即硬件撤销 EN → 记录故障
→ 故障解除后仍需明确复位，不能自动恢复运动

九、执行器调试顺序¶

不接负载，验证 EN 默认关闭和控制波形；
用低母线电压、严格限流测试驱动输出；
接小负载/空载电机，检查方向、PWM 和电流采样极性；
逐步增加电压、负载和加速度；
测启动、反转、堵转短脉冲和制动母线尖峰；
热平衡后测 MOS、驱动器、分流器、连接器和电容温度；
注入传感器断线、通信中断、MCU 复位和急停；
最后才做长时间、高动态整机测试。

测试功率半桥时，普通示波器探头地夹可能直接造成短路。高边栅源、半桥开关节点等测量应使用合适的差分探头/隔离方案，并理解仪器接地。

Checklist¶

执行器能量必须被系统级保护约束，最后阅读保护、安全与上电调试。