微型直流電機的應(yīng)用廣泛已經(jīng)講過很多了，在實際的應(yīng)用中，要微型電機實現(xiàn)控制應(yīng)用，驅(qū)動電路的設(shè)計非常重要，下面為大家介紹直流電機的驅(qū)動電路設(shè)計。

首先我們要了解直流電機的結(jié)構(gòu)（以前有寫過此類文章，這里簡單介紹），直流電機是由定子與轉(zhuǎn)子兩個部分組成，如圖所示。

圖中的主磁極的作用是產(chǎn)生磁場；換向的作用改善換向作用（減小微型電機運行時電刷和換向器可能會產(chǎn)生換向火花）；電刷則是用來引入或?qū)С鲋绷麟妷旱闹绷麟娏?；鐵芯是主磁的主要部分，用來嵌放電樞繞組。

在微型直流電機驅(qū)動電路設(shè)計中，要考慮以下幾個因素：

1. 直流電機的功能，是否需要調(diào)速？直流電機是單向轉(zhuǎn)動還是雙向轉(zhuǎn)動？如果是單向轉(zhuǎn)動的話，只需要用三極管或繼電器就可以直接帶動直流電機；但直流電機要雙向轉(zhuǎn)動時就需要一由4個功率元件組成的H橋電路。調(diào)速方面，如需要調(diào)速的話可用PWM調(diào)速。

2. 性能方面，假如要用到PWM調(diào)速直流電機的驅(qū)動電路，這幾點性能指標需滿足

（1）輸出的電流與電壓范圍，這個決定這能驅(qū)動多大功率的微型電機；

（2）效率，高效率可以節(jié)省電源，延長使用時間，也能減少驅(qū)動電路發(fā)熱；

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

（5）可靠性。電機驅(qū)動電路應(yīng)該盡可能做到，無論加上何種控制信號，何種無源負載，電路都是安全的。

三極管電阻作柵極驅(qū)動

1.輸入與電平轉(zhuǎn)換部分：

輸入信號線由DATA引入，1腳是地線，其余是信號線。注意1腳對地連接了一個2K歐的電阻。當驅(qū)動板與單片機分別供電時，這個電阻可以提供信號電流回流的通路。當驅(qū)動板與單片機共用一組電源時，這個電阻可以防止大電流沿著連線流入單片機主板的地線造成干擾?；蛘哒f，相當于把驅(qū)動板的地線與單片機的地線隔開，實現(xiàn)“一點接地”。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自指示燈和一個二極管的2.7V基準電壓比較，轉(zhuǎn)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。輸入端的兩個電阻一個用來限流，一個用來在輸入懸空時把輸入端拉到低電平。不能用LM339或其他任何開路輸出的比較器代替運放，因為開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法截止；

2.柵極驅(qū)動部分：

后面三極管和電阻，穩(wěn)壓管組成的電路進一步放大信號，驅(qū)動場效應(yīng)管的柵極并利用場效應(yīng)管本身的柵極電容(大約1000pF)進行延時，防止H橋上下兩臂的場效應(yīng)管同時導通(“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，下面的三極管截止，場效應(yīng)管導通。上面的三極管導通，場效應(yīng)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，下面的三極管導通，場效應(yīng)管截止。上面的三極管截止，場效應(yīng)管導通,輸出為低電平。上面的分析是靜態(tài)的，下面討論開關(guān)轉(zhuǎn)換的動態(tài)過程：三極管導通電阻遠小于2千歐，因此三極管由截止轉(zhuǎn)換到導通時場效應(yīng)管柵極電容上的電荷可以迅速釋放，場效應(yīng)管迅速截止。但是三極管由導通轉(zhuǎn)換到截止時場效應(yīng)管柵極通過2千歐電阻充電卻需要一定的時間。相應(yīng)的，場效應(yīng)管由導通轉(zhuǎn)換到截止的速度要比由截止轉(zhuǎn)換到導通的速度快。假如兩個三極管的開關(guān)動作是同時發(fā)生的，這個電路可以讓上下兩臂的場效應(yīng)管先斷后通，消除共態(tài)導通現(xiàn)象。實際上，運放輸出電壓變化需要一定的時間，這段時間內(nèi)運放輸出電壓處于正負電源電壓之間的中間值。這時兩個三極管同時導通，場效應(yīng)管就同時截止了。所以實際的電路比這種理想情況還要安全一些。場效應(yīng)管柵極的12V穩(wěn)壓二極管用于防止場效應(yīng)管柵極過壓擊穿。一般的場效應(yīng)管柵極的耐壓是18V或20V，直接加上24V電壓將會擊穿，因此這個穩(wěn)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.場效應(yīng)管輸出部分：

大功率場效應(yīng)管內(nèi)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，相當于輸出端已經(jīng)并聯(lián)了消除電壓尖峰用的四個二極管，因此這里就沒有外接二極管。輸出端并聯(lián)一個小電容(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時有產(chǎn)生尖峰電流的副作用，因此容量不宜過大。在使用小功率電機時這個電容可以略去。如果加這個電容的話，一定要用高耐壓的，普通的瓷片電容可能會出現(xiàn)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(zhuǎn)動方向；

4.性能指標：

電源電壓15~30 V,最大持續(xù)輸出電流5A/每個電機，短時間(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。實現(xiàn)電機的雙向轉(zhuǎn)動和調(diào)速；

5.布線：

大電流線路要盡量的短粗，并且盡量避免經(jīng)過過孔，一定要經(jīng)過過孔的話要把過孔做大一些(>1mm)并且在焊盤上做一圈小的過孔，在焊接時用焊錫填滿，否則可能會燒斷。另外，如果使用了穩(wěn)壓管，場效應(yīng)管源極對電源和地的導線要盡可能的短粗，否則在大電流時，這段導線上的壓降可能會經(jīng)過正偏的穩(wěn)壓管和導通的三極管將其燒毀。在一開始的設(shè)計中，NMOS管的源極于地之間曾經(jīng)接入一個0.15歐的電阻用來檢測電流，這個電阻就成了不斷燒毀板子的罪魁禍首。當然如果把穩(wěn)壓管換成電阻就不存在這個問題了；

低壓驅(qū)動電路的簡易柵極驅(qū)動

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

上圖就是一個12V驅(qū)動橋的一邊，上面電路的三極管部分被兩個二極管和兩個電阻代替。（注意，跟上圖邏輯是反的）由于場效應(yīng)管柵極電容的存在，通過R3，R4向柵極電容充電使場效應(yīng)管延緩導通;而通過二極管直接將柵極電容放電使場效應(yīng)管立即截止，從而避免了共態(tài)導通。這個電路要求在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路輸出的設(shè)備接入后，要經(jīng)過施密特觸發(fā)器（比如555）或者推挽輸出的高速比較器才能接到IN端。如果輸入邊緣過緩，二極管延時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。

邊沿延時驅(qū)動電路

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

下圖是對應(yīng)的NMOS，PMOS柵極驅(qū)動電路：

這個柵極驅(qū)動電路由兩級三極管組成：前級提供驅(qū)動場效應(yīng)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，上述先延時再整形的電路就可以做到。

其它幾種驅(qū)動電路

1. 繼電器+半導體功率器件的想法

繼電器有著電流大，工作穩(wěn)定的優(yōu)點，可以大大簡化驅(qū)動電路的設(shè)計。在需要實現(xiàn)調(diào)速的電機驅(qū)動電路中，也可以充分利用繼電器。有一個方案就是利用繼電器來控制電流方向來改變電機轉(zhuǎn)向，而用單個的特大電流場效應(yīng)管（比如IRF3205，一般只有N型特大電流的管子）來實現(xiàn)PWM調(diào)速，如下右圖所示。這樣是實現(xiàn)特別大電流驅(qū)動的一個方法。換向的繼電器要使用雙刀雙擲型的，接線與線圈接線如下圖：

2.幾種驅(qū)動芯片

（1）L298

（2）A3952

（3）A3940

（4）L6203

PWM調(diào)速的實現(xiàn)

1．使用定時器的算法

2．使用循環(huán)移位的算法

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

在內(nèi)存的某段空間內(nèi)存放各個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進制數(shù)中包括4個0和4個1，即占空比＝1的個數(shù)/8。具體選取什么樣的二進制數(shù)要看輸出頻率的要求。若要對此直流電機輸出PWM信號，只要每個時間片移位一次取出其中固定的一位（可以用位尋址或進位標志C實現(xiàn)）送到電機端口上即可。另外，移位算法是一種對以前結(jié)果依賴的算法，所以最好定期檢查或重置被移位的數(shù)，防止移錯導致一直錯下去。這種算法的優(yōu)點是獨立進程，可以實現(xiàn)對多個電機的控制，缺點是占用資源較大，PWM頻率較低。

3.模擬電路PWM的實現(xiàn)

上圖為一個使用游戲手柄或者航模搖桿上的線性電位器（或線性霍爾元件）控制兩個底盤驅(qū)動電機的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)過合成成為控制左右輪兩個電機轉(zhuǎn)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)過試驗有不錯的效果（數(shù)字只是單位，不是電壓值）。經(jīng)過U1C和U1D組成的施密特振蕩器把電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的PWM信號，用來控制功率驅(qū)動電路。以U1D為例，R1，R2組成有回差的施密特電路，上下門限受輸入電壓影響，C1和R3組成延時回路，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。具體振蕩過程參見數(shù)字電路教材上對555振蕩器的分析。

步進電機驅(qū)動

1.小功率4相步進電機的驅(qū)動，下面是一種驅(qū)動電路框圖:

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(qū)動兩個步進電機.四相步進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(wěn)定性,轉(zhuǎn)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循環(huán)移位實現(xiàn)(也要有定期監(jiān)控),為了使4相8拍容易實現(xiàn),鎖存器與驅(qū)動部分采用了交叉連接。

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

（1）LOOP: MOV A,#1110000B；?在A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中存儲的值會有如下循環(huán)11100000→01110000→00111000→00011100→00001110→00000111→10000011→11000001→11100000，其奇數(shù)位有如下循環(huán)1000→1100→0100→0110→0010→0011→0001→1001→1000,其偶數(shù)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(shù)位和偶數(shù)位正是我們所需要的步進電機輸入信號。

而事實上每個電機的動作是不同的,為此我們在RAM中為每個電機開辟一個byte的狀態(tài)字節(jié)用以循環(huán)移位.在每一個電機周期里,根據(jù)需要對每個電機的byte進行移位,并用ANL指令將兩個電機的狀態(tài)合成到一個字節(jié)里輸出此時的A同時可以控制兩個電機了，步進電機的速度由驅(qū)動脈沖的頻率決定,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(yīng)該取各種可能的周期的最大公約數(shù).換句話說,一旦電機周期取定,每個電機移位的周期應(yīng)該是它的倍數(shù).在程序中,對每個電機的相應(yīng)時刻設(shè)定相應(yīng)的分頻比值,同時用一個變量進行加一計數(shù):每到一個電機周期若計數(shù)變量<分頻比值,則計數(shù)變量加1;若相等,則移位,計數(shù)變量清零.這樣就實現(xiàn)了分頻調(diào)速,可以讓多個電機同時以不同的速度運轉(zhuǎn)。

另外，也可以采用傳統(tǒng)的查表方式進行驅(qū)動,程序稍長,但也比較穩(wěn)定，這種方法非常適合三相步進電機。UCN5804B/LB是Allegro公司生產(chǎn)的4相步進電機驅(qū)動專用芯片,它集成了控制邏輯,脈沖分配和功率推動,通過幾個管腳的電平來設(shè)定轉(zhuǎn)動方式,方向,通過改變外時鐘頻率來改變轉(zhuǎn)動速度,這給完成復雜的動作和測試步進電機參數(shù)帶來了極大的方便。

步進電機的智能驅(qū)動方案

步進電機有可以精確控制的優(yōu)點，但是功耗大、效率低、力矩小。如果選用大功率步進電機，為了降低功耗，可以采取PWM恒流控制的方法。基本思路是，用帶反饋的高頻PWM根據(jù)輸出功率的要求對每相恒流驅(qū)動，總體電流順序又符合轉(zhuǎn)動順序。需要力矩小的時候應(yīng)及時減小電流，以降低功耗。該方案實現(xiàn)的電路，可以采用獨立的單片機或CPLD加場效應(yīng)管驅(qū)動電路以及電流采樣反饋電路。