?微型直流電機驅動(dòng)電路設計

微型直流電機的應用廣泛已經(jīng)講過(guò)很多了，在實(shí)際的應用中，要微型電機實(shí)現控制應用，驅動(dòng)電路的設計非常重要，下面為大家介紹直流電機的驅動(dòng)電路設計。

首先我們要了解直流電機的結構（以前有寫(xiě)過(guò)此類(lèi)文章，這里簡(jiǎn)單介紹），直流電機是由定子與轉子兩個(gè)部分組成，如圖所示。

圖中的主磁極的作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)；換向的作用改善換向作用（減小微型電機運行時(shí)電刷和換向器可能會(huì )產(chǎn)生換向火花）；電刷則是用來(lái)引入或導出直流電壓的直流電流；鐵芯是主磁的主要部分，用來(lái)嵌放電樞繞組。

在微型直流電機驅動(dòng)電路設計中，要考慮以下幾個(gè)因素：

1. 直流電機的功能，是否需要調速？直流電機是單向轉動(dòng)還是雙向轉動(dòng)？如果是單向轉動(dòng)的話(huà)，只需要用三極管或繼電器就可以直接帶動(dòng)直流電機；但直流電機要雙向轉動(dòng)時(shí)就需要一由4個(gè)功率元件組成的H橋電路。調速方面，如需要調速的話(huà)可用PWM調速。

2. 性能方面，假如要用到PWM調速直流電機的驅動(dòng)電路，這幾點(diǎn)性能指標需滿(mǎn)足

（1）輸出的電流與電壓范圍，這個(gè)決定這能驅動(dòng)多大功率的微型電機；

（2）效率，高效率可以節省電源，延長(cháng)使用時(shí)間，也能減少驅動(dòng)電路發(fā)熱；

（3）對控制輸入端的影響，功率電路對其輸入端應有良好的信號隔離，防止有高電壓大電流進(jìn)入主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實(shí)現隔離；

（4）對電源的影響。共態(tài)導通可以引起電源電壓的瞬間下降造成高頻電源污染;大的電流可能導致地線(xiàn)電位浮動(dòng)；

（5）可靠性。電機驅動(dòng)電路應該盡可能做到，無(wú)論加上何種控制信號，何種無(wú)源負載，電路都是安全的。

三極管電阻作柵極驅動(dòng)

1.輸入與電平轉換部分：

輸入信號線(xiàn)由DATA引入，1腳是地線(xiàn)，其余是信號線(xiàn)。注意1腳對地連接了一個(gè)2K歐的電阻。當驅動(dòng)板與單片機分別供電時(shí)，這個(gè)電阻可以提供信號電流回流的通路。當驅動(dòng)板與單片機共用一組電源時(shí)，這個(gè)電阻可以防止大電流沿著(zhù)連線(xiàn)流入單片機主板的地線(xiàn)造成干擾?；蛘哒f(shuō)，相當于把驅動(dòng)板的地線(xiàn)與單片機的地線(xiàn)隔開(kāi)，實(shí)現“一點(diǎn)接地”。高速運放KF347(也可以用TL084)的作用是比較器，把輸入邏輯信號同來(lái)自指示燈和一個(gè)二極管的2.7V基準電壓比較，轉換成接近功率電源電壓幅度的方波信號。KF347的輸入電壓范圍不能接近負電源電壓，否則會(huì )出錯。因此在運放輸入端增加了防止電壓范圍溢出的二極管。輸入端的兩個(gè)電阻一個(gè)用來(lái)限流，一個(gè)用來(lái)在輸入懸空時(shí)把輸入端拉到低電平。不能用LM339或其他任何開(kāi)路輸出的比較器代替運放，因為開(kāi)路輸出的高電平狀態(tài)輸出阻抗在1千歐以上，壓降較大，后面一級的三極管將無(wú)法截止；

2.柵極驅動(dòng)部分：

后面三極管和電阻，穩壓管組成的電路進(jìn)一步放大信號，驅動(dòng)場(chǎng)效應管的柵極并利用場(chǎng)效應管本身的柵極電容(大約1000pF)進(jìn)行延時(shí)，防止H橋上下兩臂的場(chǎng)效應管同時(shí)導通(“共態(tài)導通”)造成電源短路。當運放輸出端為低電平(約為1V至2V,不能完全達到零)時(shí)，下面的三極管截止，場(chǎng)效應管導通。上面的三極管導通，場(chǎng)效應管截止,輸出為高電平。當運放輸出端為高電平(約為VCC-(1V至2V),不能完全達到VCC)時(shí)，下面的三極管導通，場(chǎng)效應管截止。上面的三極管截止，場(chǎng)效應管導通,輸出為低電平。上面的分析是靜態(tài)的，下面討論開(kāi)關(guān)轉換的動(dòng)態(tài)過(guò)程：三極管導通電阻遠小于2千歐，因此三極管由截止轉換到導通時(shí)場(chǎng)效應管柵極電容上的電荷可以迅速釋放，場(chǎng)效應管迅速截止。但是三極管由導通轉換到截止時(shí)場(chǎng)效應管柵極通過(guò)2千歐電阻充電卻需要一定的時(shí)間。相應的，場(chǎng)效應管由導通轉換到截止的速度要比由截止轉換到導通的速度快。假如兩個(gè)三極管的開(kāi)關(guān)動(dòng)作是同時(shí)發(fā)生的，這個(gè)電路可以讓上下兩臂的場(chǎng)效應管先斷后通，消除共態(tài)導通現象。實(shí)際上，運放輸出電壓變化需要一定的時(shí)間，這段時(shí)間內運放輸出電壓處于正負電源電壓之間的中間值。這時(shí)兩個(gè)三極管同時(shí)導通，場(chǎng)效應管就同時(shí)截止了。所以實(shí)際的電路比這種理想情況還要安全一些。場(chǎng)效應管柵極的12V穩壓二極管用于防止場(chǎng)效應管柵極過(guò)壓擊穿。一般的場(chǎng)效應管柵極的耐壓是18V或20V，直接加上24V電壓將會(huì )擊穿，因此這個(gè)穩壓二極管不能用普通的二極管代替，但是可以用2千歐的電阻代替，同樣能得到12V的分壓；

3.場(chǎng)效應管輸出部分：

大功率場(chǎng)效應管內部在源極和漏極之間反向并聯(lián)有二極管，接成H橋使用時(shí)，相當于輸出端已經(jīng)并聯(lián)了消除電壓尖峰用的四個(gè)二極管，因此這里就沒(méi)有外接二極管。輸出端并聯(lián)一個(gè)小電容(out1和out2之間)對降低電機產(chǎn)生的尖峰電壓有一定的好處，但是在使用PWM時(shí)有產(chǎn)生尖峰電流的副作用，因此容量不宜過(guò)大。在使用小功率電機時(shí)這個(gè)電容可以略去。如果加這個(gè)電容的話(huà)，一定要用高耐壓的，普通的瓷片電容可能會(huì )出現擊穿短路的故障。輸出端并聯(lián)的由電阻和發(fā)光二極管,電容組成的電路指示電機的轉動(dòng)方向；

4.性能指標：

電源電壓15~30 V,最大持續輸出電流5A/每個(gè)電機，短時(shí)間(10秒)可以達到10A,PWM頻率最高可以用到30KHz(一般用1到10KHz)。電路板包含4個(gè)邏輯上獨立的，輸出端兩兩接成H橋的功率放大單元，可以直接用單片機控制。實(shí)現電機的雙向轉動(dòng)和調速；

5.布線(xiàn)：

大電流線(xiàn)路要盡量的短粗，并且盡量避免經(jīng)過(guò)過(guò)孔，一定要經(jīng)過(guò)過(guò)孔的話(huà)要把過(guò)孔做大一些(>1mm)并且在焊盤(pán)上做一圈小的過(guò)孔，在焊接時(shí)用焊錫填滿(mǎn)，否則可能會(huì )燒斷。另外，如果使用了穩壓管，場(chǎng)效應管源極對電源和地的導線(xiàn)要盡可能的短粗，否則在大電流時(shí)，這段導線(xiàn)上的壓降可能會(huì )經(jīng)過(guò)正偏的穩壓管和導通的三極管將其燒毀。在一開(kāi)始的設計中，NMOS管的源極于地之間曾經(jīng)接入一個(gè)0.15歐的電阻用來(lái)檢測電流，這個(gè)電阻就成了不斷燒毀板子的罪魁禍首。當然如果把穩壓管換成電阻就不存在這個(gè)問(wèn)題了；

低壓驅動(dòng)電路的簡(jiǎn)易柵極驅動(dòng)

一般功率場(chǎng)效應管的最高柵源電壓為20V左右，所以在24V應用中要保證柵源電壓不能超過(guò)20V，增加了電路的復雜程度。但在12V或更低電壓的應用中，電路就可以大大簡(jiǎn)化。

上圖就是一個(gè)12V驅動(dòng)橋的一邊，上面電路的三極管部分被兩個(gè)二極管和兩個(gè)電阻代替。（注意，跟上圖邏輯是反的）由于場(chǎng)效應管柵極電容的存在，通過(guò)R3，R4向柵極電容充電使場(chǎng)效應管延緩導通;而通過(guò)二極管直接將柵極電容放電使場(chǎng)效應管立即截止，從而避免了共態(tài)導通。這個(gè)電路要求在IN端輸入的是邊緣陡峭的方波脈沖，因此控制信號從單片機或者其他開(kāi)路輸出的設備接入后，要經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器（比如555）或者推挽輸出的高速比較器才能接到IN端。如果輸入邊緣過(guò)緩，二極管延時(shí)電路也就失去了作用。R3，R4的選取與IN信號邊沿升降速度有關(guān)，信號邊緣越陡峭，R3，R4可以選的越小，開(kāi)關(guān)速度也就可以做的越快。Robocon比賽使用的升壓電路（原理相似）中，IN前用的是555。

邊沿延時(shí)驅動(dòng)電路

在前級邏輯電路里，有意地對控制PMOS的下降沿和控制NMOS的上升沿進(jìn)行延時(shí)，再整形成方波，也可以避免場(chǎng)效應管的共態(tài)導通。另外，這樣做可以使后級的柵極驅動(dòng)電路簡(jiǎn)化，可以是低阻推挽驅動(dòng)柵極，不必考慮柵極電容，可以較好的適應不同的場(chǎng)效應管。下圖是兩種邊沿的延時(shí)電路：

下圖是對應的NMOS，PMOS柵極驅動(dòng)電路：

這個(gè)柵極驅動(dòng)電路由兩級三極管組成：前級提供驅動(dòng)場(chǎng)效應管柵極所需的正確電壓，后級是一級射極跟隨器，降低輸出阻抗，消除柵極電容的影響。為了保證不共態(tài)導通，輸入的邊沿要比較陡，上述先延時(shí)再整形的電路就可以做到。

其它幾種驅動(dòng)電路

1. 繼電器+半導體功率器件的想法

繼電器有著(zhù)電流大，工作穩定的優(yōu)點(diǎn)，可以大大簡(jiǎn)化驅動(dòng)電路的設計。在需要實(shí)現調速的電機驅動(dòng)電路中，也可以充分利用繼電器。有一個(gè)方案就是利用繼電器來(lái)控制電流方向來(lái)改變電機轉向，而用單個(gè)的特大電流場(chǎng)效應管（比如IRF3205，一般只有N型特大電流的管子）來(lái)實(shí)現PWM調速，如下右圖所示。這樣是實(shí)現特別大電流驅動(dòng)的一個(gè)方法。換向的繼電器要使用雙刀雙擲型的，接線(xiàn)與線(xiàn)圈接線(xiàn)如下圖：

2.幾種驅動(dòng)芯片

（1）L298

（2）A3952

（3）A3940

（4）L6203

PWM調速的實(shí)現

1．使用定時(shí)器的算法

2．使用循環(huán)移位的算法

產(chǎn)生PWM信號可以由定時(shí)器來(lái)完成,但是由于51內部只提供了兩個(gè)定時(shí)器,因此如果要向三個(gè)或更多的直流電機輸出不同占空比的信號要反復設置定時(shí)器,實(shí)現較為復雜,我們采用一種比較簡(jiǎn)單的方法不僅可以實(shí)現對更多的直流電機提供不同的占空比輸入信號，而且只占用一個(gè)定時(shí)器資源。這種方法可以簡(jiǎn)單表述如下:

在內存的某段空間內存放各個(gè)直流電機所需的輸入信號占空比信息，如果占空比為1則保存0FFH(11111111B)；占空比為0.5則保存0F0H(11110000B)或任何2進(jìn)制數中包括4個(gè)0和4個(gè)1，即占空比＝1的個(gè)數/8。具體選取什么樣的二進(jìn)制數要看輸出頻率的要求。若要對此直流電機輸出PWM信號，只要每個(gè)時(shí)間片移位一次取出其中固定的一位（可以用位尋址或進(jìn)位標志C實(shí)現）送到電機端口上即可。另外，移位算法是一種對以前結果依賴(lài)的算法，所以最好定期檢查或重置被移位的數，防止移錯導致一直錯下去。這種算法的優(yōu)點(diǎn)是獨立進(jìn)程，可以實(shí)現對多個(gè)電機的控制，缺點(diǎn)是占用資源較大，PWM頻率較低。

3.模擬電路PWM的實(shí)現

上圖為一個(gè)使用游戲手柄或者航模搖桿上的線(xiàn)性電位器（或線(xiàn)性霍爾元件）控制兩個(gè)底盤(pán)驅動(dòng)電機的PWM生成電路。J1是手柄的插座，123和456分別是x，y兩個(gè)方向的電位器。U1B提供半電源電壓，U1A是電壓跟隨。x，y分量經(jīng)過(guò)合成成為控制左右輪兩個(gè)電機轉速的電壓信號。在使用中，讓L=(x+1)y/(x+1.4)，R=(x-1)y/(x-0.6)，經(jīng)過(guò)試驗有不錯的效果（數字只是單位，不是電壓值）。經(jīng)過(guò)U1C和U1D組成的施密特振蕩器把電壓轉換為相應的PWM信號，用來(lái)控制功率驅動(dòng)電路。以U1D為例，R1，R2組成有回差的施密特電路，上下門(mén)限受輸入電壓影響，C1和R3組成延時(shí)回路，如此形成振蕩的脈寬受輸入電壓控制。Q1，Q2是三極管，組成反相器，提供差分的控制信號。具體振蕩過(guò)程參見(jiàn)數字電路教材上對555振蕩器的分析。

步進(jìn)電機驅動(dòng)

1.小功率4相步進(jìn)電機的驅動(dòng)，下面是一種驅動(dòng)電路框圖:

達林頓管陣列ULN2803分別從鎖存器取出第0,2,4,6位和1,3,5,7位去驅動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機.四相步進(jìn)電機的通電順序可以有幾種:A,B,C,D(4相4拍);AB,BC,CD,DA(4相雙4拍);A,AB,B,BC,C,CD,D,DA(4相8拍).為了兼顧穩定性,轉矩和功耗,一般采用4相8拍方式.所有這些方式都可以通過(guò)循環(huán)移位實(shí)現(也要有定期監控),為了使4相8拍容易實(shí)現,鎖存器與驅動(dòng)部分采用了交叉連接。

步進(jìn)電機工作在四相八拍模式（即正轉的輸入信號為1000→1100→0100→0110→0010→0011→0001→1001→1000），對應每個(gè)步進(jìn)電機要有四個(gè)信號輸入端，理論上向端口輸出信號可以控制兩個(gè)步進(jìn)電機的工作。寄存器循環(huán)移位奇偶位分別作兩個(gè)步進(jìn)電機的驅動(dòng)端的做法，其思路如下：

（1）LOOP: MOV A,#1110000B；?在A(yíng)寄存器中置入11100000

（2）RR A；右移位

（3）AJMP LOOP;循環(huán)右移位

這樣在寄存器A中存儲的值會(huì )有如下循環(huán)11100000→01110000→00111000→00011100→00001110→00000111→10000011→11000001→11100000，其奇數位有如下循環(huán)1000→1100→0100→0110→0010→0011→0001→1001→1000,其偶數位有如下循環(huán)1100→0100→0110→0010→0011→0001→1001→1000→1100。將A輸出到P0端口，則奇數位和偶數位正是我們所需要的步進(jìn)電機輸入信號。

而事實(shí)上每個(gè)電機的動(dòng)作是不同的,為此我們在RAM中為每個(gè)電機開(kāi)辟一個(gè)byte的狀態(tài)字節用以循環(huán)移位.在每一個(gè)電機周期里,根據需要對每個(gè)電機的byte進(jìn)行移位,并用ANL指令將兩個(gè)電機的狀態(tài)合成到一個(gè)字節里輸出此時(shí)的A同時(shí)可以控制兩個(gè)電機了，步進(jìn)電機的速度由驅動(dòng)脈沖的頻率決定,移位的周期不同,電機的速度也就不同了.前面提到的電機周期,應該取各種可能的周期的最大公約數.換句話(huà)說(shuō),一旦電機周期取定,每個(gè)電機移位的周期應該是它的倍數.在程序中,對每個(gè)電機的相應時(shí)刻設定相應的分頻比值,同時(shí)用一個(gè)變量進(jìn)行加一計數:每到一個(gè)電機周期若計數變量<分頻比值,則計數變量加1;若相等,則移位,計數變量清零.這樣就實(shí)現了分頻調速,可以讓多個(gè)電機同時(shí)以不同的速度運轉。

另外，也可以采用傳統的查表方式進(jìn)行驅動(dòng),程序稍長(cháng),但也比較穩定，這種方法非常適合三相步進(jìn)電機。UCN5804B/LB是Allegro公司生產(chǎn)的4相步進(jìn)電機驅動(dòng)專(zhuān)用芯片,它集成了控制邏輯,脈沖分配和功率推動(dòng),通過(guò)幾個(gè)管腳的電平來(lái)設定轉動(dòng)方式,方向,通過(guò)改變外時(shí)鐘頻率來(lái)改變轉動(dòng)速度,這給完成復雜的動(dòng)作和測試步進(jìn)電機參數帶來(lái)了極大的方便。

步進(jìn)電機的智能驅動(dòng)方案

步進(jìn)電機有可以精確控制的優(yōu)點(diǎn)，但是功耗大、效率低、力矩小。如果選用大功率步進(jìn)電機，為了降低功耗，可以采取PWM恒流控制的方法?；舅悸肥?，用帶反饋的高頻PWM根據輸出功率的要求對每相恒流驅動(dòng)，總體電流順序又符合轉動(dòng)順序。需要力矩小的時(shí)候應及時(shí)減小電流，以降低功耗。該方案實(shí)現的電路，可以采用獨立的單片機或CPLD加場(chǎng)效應管驅動(dòng)電路以及電流采樣反饋電路。