微型直流電機(jī)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(jī)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(jī)的驅(qū)動電路設(shè)計。

首先我們要了解直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)（以前有寫過此類文章，這里簡單介紹），直流電機(jī)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(jī)運(yùn)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鳎昏F芯是主磁的主要部分，用來嵌放電樞繞組。

在微型直流電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計中，要考慮以下幾個因素：

1. 直流電機(jī)的功能，是否需要調(diào)速？直流電機(jī)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(jī)；但直流電機(jī)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(jī)的驅(qū)動電路，這幾點(diǎn)性能指標(biāo)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(jī)；

（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(jìn)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(dǎo)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(dǎo)致地線電位浮動；

（5）可靠性。電機(jī)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(fù)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(dāng)驅(qū)動板與單片機(jī)分別供電時，這個電阻可以提供信號電流回流的通路。當(dāng)驅(qū)動板與單片機(jī)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(jī)主板的地線造成干擾。或者說，相當(dāng)于把驅(qū)動板的地線與單片機(jī)的地線隔開，實現(xiàn)“一點(diǎn)接地”。高速運(yùn)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(zhǔn)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(fù)電源電壓，否則會出錯。因此在運(yùn)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(yùn)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(jìn)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(jìn)行延時，防止H橋上下兩臂的場效應(yīng)管同時導(dǎo)通(“共態(tài)導(dǎo)通”)造成電源短路。當(dāng)運(yùn)放輸出端為低電平(約為1V至2V,不能完全達(dá)到零)時，下面的三極管截止，場效應(yīng)管導(dǎo)通。上面的三極管導(dǎo)通，場效應(yīng)管截止,輸出為高電平。當(dāng)運(yùn)放輸出端為高電平(約為VCC-(1V至2V),不能完全達(dá)到VCC)時，下面的三極管導(dǎo)通，場效應(yīng)管截止。上面的三極管截止，場效應(yīng)管導(dǎo)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(dǎo)通電阻遠(yuǎn)小于2千歐，因此三極管由截止轉(zhuǎn)換到導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)通轉(zhuǎn)換到截止的速度要比由截止轉(zhuǎn)換到導(dǎo)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(dǎo)通現(xiàn)象。實際上，運(yùn)放輸出電壓變化需要一定的時間，這段時間內(nèi)運(yùn)放輸出電壓處于正負(fù)電源電壓之間的中間值。這時兩個三極管同時導(dǎo)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(dāng)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(jī)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(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)動方向；

4.性能指標(biāo)：

電源電壓15~30 V,最大持續(xù)輸出電流5A/每個電機(jī)，短時間(10秒)可以達(dá)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(dú)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(jī)控制。實現(xiàn)電機(jī)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(dǎo)線要盡可能的短粗，否則在大電流時，這段導(dǎo)線上的壓降可能會經(jīng)過正偏的穩(wěn)壓管和導(dǎo)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?zhǔn)?。?dāng)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(fù)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(dǎo)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(dǎo)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(jī)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(jìn)行延時，再整形成方波，也可以避免場效應(yīng)管的共態(tài)導(dǎo)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?xùn)艠O，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(dǎo)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(dǎo)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(diǎn)，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(jī)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(jī)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(jī)輸出不同占空比的信號要反復(fù)設(shè)置定時器,實現(xiàn)較為復(fù)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(jī)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(jī)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(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(jìn)制數(shù)要看輸出頻率的要求。若要對此直流電機(jī)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(jìn)位標(biāo)志C實現(xiàn)）送到電機(jī)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(dǎo)致一直錯下去。這種算法的優(yōu)點(diǎn)是獨(dú)立進(jìn)程，可以實現(xiàn)對多個電機(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動

1.小功率4相步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動，下面是一種驅(qū)動電路框圖:

達(dá)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(jìn)電機(jī).四相步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的工作。寄存器循環(huán)移位奇偶位分別作兩個步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)輸入信號。

而事實上每個電機(jī)的動作是不同的,為此我們在RAM中為每個電機(jī)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(jī)周期里,根據(jù)需要對每個電機(jī)的byte進(jìn)行移位,并用ANL指令將兩個電機(jī)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(jī)了，步進(jìn)電機(jī)的速度由驅(qū)動脈沖的頻率決定,移位的周期不同,電機(jī)的速度也就不同了.前面提到的電機(jī)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(jī)周期取定,每個電機(jī)移位的周期應(yīng)該是它的倍數(shù).在程序中,對每個電機(jī)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(jìn)行加一計數(shù):每到一個電機(jī)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(jī)同時以不同的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。

另外，也可以采用傳統(tǒng)的查表方式進(jìn)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(jìn)電機(jī)。UCN5804B/LB是Allegro公司生產(chǎn)的4相步進(jìn)電機(jī)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(fù)雜的動作和測試步進(jìn)電機(jī)參數(shù)帶來了極大的方便。

步進(jìn)電機(jī)的智能驅(qū)動方案

步進(jìn)電機(jī)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(jī)，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(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(dú)立的單片機(jī)或CPLD加場效應(yīng)管驅(qū)動電路以及電流采樣反饋電路。